语音型家用电器控制系统设计毕业论文(设计).doc

毕业论文（设计）

论文题目：
语音型家用电器控制系统设计

淮南师范学院本科毕业论文（设计）
诚信承诺书

1.本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计），题目《 语音型家用电器控制系统设计 》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；
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3. 毕业论文（设计）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；
4.本人已被告知并清楚：学院对毕业论文（设计）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业论文（设计）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；
5.若在省教育厅、学院组织的毕业论文（设计）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。

学生（签名）：
日期： 年 月 日

目 录
前言 2
1 整体设计方案概述 3
1.1整体设计方案 3
1.2硬件电路整体设计 3
2 语音控制系统的硬件设计及软件调试 4
2.1主控模块 4
2.2语音模块 6
2.3电源模块 7
2.4液晶显示模块 7
2.5继电器模块 8
2.6调试方法 9
2.7本章总结 9
3 系统流程图及实物演示 9
3.1系统程序流程图 9
3.2外观图与内部电路图 10
3.3实验操作 11
总结 14
参考文献： 14

淮南师范学院2014届本科毕业论文
语音型家用电器控制系统设计

摘 要: 语音型家用电器控制系统，是以IAP15F2K61S2为主要平台，设计的一款可以通过按键或语音实现对家用电器控制的装置。语音控制通过语音模块LD3320采集语音信号，将语音信号传送给主控芯片，主控芯片作出判断后作出相应的输出，控制对应的继电器，同时主控芯片驱动液晶，通过液晶1602显示各端口的输出的状态，电磁继电器的状态也可通过按键改变，电源使用输出为220V的开关电源，串口用引脚引出[1]。该作品具有成本低廉、操作方便、响应速度快等特色，具有一定的实用价值和潜在的市场前景。
关键词: 语音识别；家电语音控制；语音确认
Voice type home appliances control system design
Abstract: Speech home appliances control system, is a IAP15F2K61S2 as the main platform, design of a can be achieved by buttons or voice for home appliances control device. Voice control by voice module LD3320 acquisition speech signal, the voice signal transmitted to the main control chip, the main control chip after the judge make corresponding output, corresponding relay control, master control chip drive LCD at the same time, through the liquid crystal display 1602 port of the output of the state, the state of the electromagnetic relay can also be through the key change, power supply with a 220 v output switching power supply, lead to a serial port with pin [1]. The works has low cost, easy operation, fast response speed and other characteristics, has certain practical value and potential market prospect.
Keywords: Speech recognition; home appliance voice control; speech recognition
前言
据了解，在20世纪90年代中期之后，自动控制行业逐渐成熟，作为一个庞大而独立的行业，其发展受到了多重动力的驱动：一部分原因是市场驱动，应用市场需求的增长,市场继续扩大,以便智能自动控制在农业、工业、军事等领域已经覆盖了几乎所有的应用程序应用市场,除此之外还有是技术驱动，随着智能等相关技术蓬勃快速发展，智能自动控制行业已经在高端技术行业中得到了飞速发展。
智能自动控制产品在中国和其他发展中国家,现阶段市场虽小,在试探性的初始阶段,但增长速度相对较快,有巨大的市场发展空间。虽然现在的市场上存在大量的智能装置，但真正意义上的人机智能却为数不多，由于成本高，技术难等特点，真正走进普通百姓生活中的智能装置也是少之又少的[2]。这些年来，随着市场经济发展不断的完善，以及城市规划水平不断提高，人民生活水平也在不断的提高，家用电器也从原来的几样简单的电风扇、电灯到现在各式各样的电气自动化装置。也正是因为现在各种家用电器的普及，也使家庭用电线路越来越复杂，这也给美好的生活时而带来一些不便利之处。因此，人们迫切地希望有高技术，高水平的装置来解决这些问题，语音型家用电器控制器就应运而生了。我们都知道 , 语音在全世界、全人类、全社会中，有着不可动摇的地位，十分重要。在近代和现代信息社会中 , 在日常生活的各个方面和国家地区,甚至社会舆论,《世界新闻报》以及各种重要会议,都依赖于语言、文本信息、近年来 ,家庭中已经普及了电话 、移动电话和互联网。在各种高端技术产品中，语音编码和智能语音合成、语音信号处理控制,充分发挥巨大的作用。另外 ,我们预想的口呼打字机、 语音翻译机,已经不是梦想而是正在进行中的研究工作了。人类早就发明机器能被语音指挥和控制,机器的执行情况也能用语音来操控[3]。 这些情况在许多领域已经部分地逐步实现了。 据调查了解，计算机芯片的运算能力以及集成度 ,每一年多就提高一倍 , 并且它的成本又在不断降低 ,正因为这样 ,在人们的社会生产和生活的各个方面，它已经得到了广泛地应用。然而,相比于主机,它接收信息的外部设备。既能说话又能听懂人类语言的计算机暂时还不能普遍使用。换句话说，语音识别、语音合成技术和其他议题，如问题的理论问题没有解决，需要更多的努力来继续发展。LD3320芯片是一个“语音识别”高端ASIC技术。该芯片由语音识别处理器和一些外部电路集成，其中就包括语音插孔、音频输出接口、AD\DA转换器[7]。该芯片不需要任何其他外部辅助芯片（例如：闪存）等，是直接集成在可实施的语音识别/声音/交互功能的现有产品。
1 整体设计方案概述
1.1整体设计方案
针对作品的要求，我们选用IAP15F2K61S2为主控芯片，通过语音模块LD3320采集语音信号，主控芯片的信号是由语音系统传送过来的，主控芯片作出判断后作出相应的输出，控制对应的继电器，同时主控芯片驱动液晶，通过液晶1602显示各端口的输出的状态，电磁继电器的状态也可通过按键改变，电源使用输出为220V的开关电源，串口用引脚引出，可自行改变指令，方便日常的。工作流程如图1所示。

图1 工作流程图
1.2硬件电路整体设计
电路板的设计采用最大化集成的方式，控制系统的体积可以很大程度上被减少，节省室内空间。同时也减少了语音控制在调试过程中各个电路之间连线的繁琐。这样做也能最大化的减少整体系统在导线上的功耗[4]。为系统提供了稳定性的保障。
模块化的设计和电路板的最大集成方式，能够在某块电路板上出现问题时快速而及时的维修或替代，在最大程度上让语音控制系统适应不同环境的操作[19]。
本设计中把硬件的电路各功能模块进行独立设计电路板，如语音芯片 LD3320A、LCD1602、继电器、电源管理电路等，这是为了便于调试、安装，与此同时，单独做板还可以便于电路板的更换。
整体硬件电路图，如图2所示。

图2 整体硬件电路图
该作品中主要由主控芯片IAP15F2K61S2；语音芯片 LD3320A；LCD1602；继电器组成，其中主控芯片IAP15F2K61S2负责判断是否收到信号，并作出相应的响应；语音芯片 LD3320A负责接收语音信号；LCD1602显示器负责显示对应输出的状态[5]；我们用三个继电器分别代表电灯、水壶和电风扇,同时用红、黄、绿三种颜色的LED小灯的亮否分别对应三种继电器的闭合与断开，例如当输入语音信号“开灯”时，对应电灯的继电器闭合，同时代表电灯的红色小灯会亮。
2 语音控制系统的硬件设计及软件调试
2.1主控模块
该作品的核心处理器是使用IAP15F2K61S2单片机，IAP15F2K61S2单片机一个芯片是一款单片机，它不需要任何外部晶振，不需要外部复位，低功耗、市场价格低，可在线编程，无需其他仿真器。外围电路简单方便的功能得到大家一致好评。IAP15F2K61S2单片机如图3所示。
STC15单片机的功能模块
（1）40针脚STC15系列单片机控制器芯片插座。
（2）与8 个8位 8段常见的阳极LED显示模块输出和LCD1602接口。
（3）电源USB和外接8 - 12V直流电源的双电源供电[18]。
（4）USB板载功能串行通信功能，能够完成与PC单片机的串行通信。单总线扩展，可以添加其他的单总线接口设备。 I2C总线， I2C总线可以做实验。
（5）下载板载USB ，串口下载，无需额外的编程;可以支持串口下载。

图3 IAP15F2K61S2单片机
STC15 IAP15F2K61S2系列芯片功能特色
（1）STC15 IAP15F2K61S2系列芯片在系统和应用程序中可以进行编程，不需要一个程序员，不需要模拟器[6]。具有很好的操作性，它可以被用来当模拟器。
（2）增强型8051 CPU ，单时钟周期/机器，1个T，功能强大，比普通8051快8 〜12倍。
（3）61千字节的片上闪存程序存储器芯片，擦拭次数超过100000次。
（4）在芯片EEPROM中的大容量块，擦拭人数超过100000次。
（5）8通道10高速ADC的输出,可以实现每秒300000次的速度,三路PWM也可以作为一个3通道D/A转换器[17]。
（6）配备了高精度的时钟芯片,从5 MHz到35MHz是可选的,8051的60 MHz相当于420 MHz。
（7） 有两组可用于同一时间的高速异步串行通讯口 ，可在5组引脚和分时复用之间切换时5设置一个串行端口都可以使用。
（8）各种接口扩展完成。
（9）一种高品质的USB线实现供电系统，程序下载，通讯功能。
2.2语音模块
LD3320芯片是一个“语音识别”高端ASIC技术。该芯片由语音识别处理器和一些外部电路集成，其中就包括语音插孔、音频输出接口、AD\DA转换器[7]。该芯片不需要任何其他外部辅助芯片（例如：闪存）等，是直接集成在可实施的语音识别/声音/交互功能的现有产品。
这种芯片可以通过合成技术直接集成在现有的产品上，就以实现语音识别/音响控制，人机对话功能，而不需要外部的任何其他辅助芯片。芯片引脚如图4所示，语音模块电路如图5所示。

图4 LD3320 芯片引脚

图5 LD3320A语音模块电路
2.3电源模块
电源使用输出为5V的小功率开关电源，相对于其他线性电源，开关电源没有采用笨重的工频变压器[16]。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，使开关电源的体积小，重量轻, 该装置的设计采用USB接口供电，并设置5V为供电电压[8]。
本设计中电源模块的工作原理是将220V交流电整成300V左右直流电（220*1.414），前级LC对电流滤波，得到相对稳定的高电压直流电，通过稳压管、电容、电阻和三极管组成的自激振荡产生PWM驱动信号,由对PWM波的占空比的调节可达到对直流电压的调节得原理，通过高频变压器隔离输出，再在后级通过肖特基二极管整流和滤波得到比较稳定的直流电，为负载供电[9]。其电路原理如图6所示。

图6 供电电路
2.4液晶显示模块
本装置使用LCD1602为显示模块，LCD1602的工作电压为3.3V或5V，非常稳定，背光的对比度可调,包括复位电路,提供了各种控制命令。
字符点阵液晶模块1602功能引脚加上数据引脚一共有11个[15]。因此，要占用两个I/O端口。液晶模块的功能引脚使用DC3插座通过FC3排线与ATmega16单片机的一个I/O端口连接，液晶模块的8位数据引脚也使用DC3插座通过FC3排线与ATmega16单片机的另一个I/O端口连接[10]。具体的引脚定义如图7所示。

图7 LCD1602的引脚
2.5继电器模块
电枢线圈是通常的电磁继电器的核心，而接触弹簧的其它部件。与流过恒定电流，以产生电磁效应的线圈的电压的线圈的两端，衔铁复位弹簧将克服张力的电磁吸引力吸引到芯，从而带动衔铁点的可动接点和静触点（常开触点）吸合[13]。当线圈通电时，电磁吸力也随之消失，根据反应的原理，衔铁会与原来的静触点（常闭触点）的可动接触，返回到弹簧原来的位置，并且不断地拉和释放，即时导通和断开电路。按照继电器线圈不通电时的断开状态静触点，就可以区分继电器的“常开，常闭”触点，若断开为“常开触点”，否则是“常闭触点”[11]。
继电器是一种自动开关元件，具有隔离功能，将电磁继电器与三极管搭配使用可以通过低电压控制高电压。十分的方便，具体电路图如图8所示。

图8 继电器电路
由于继电器的自动开关元件隔离，具有控制功能，目前于在遥感，通信，远程控制，自动控制，机电一体化等多领域已经得到了广泛应用。
继电器一般情况下不仅有反映了电流、电压、功率、阻抗、频率、温度感应系统继电器的输入变量一般(输入)；还有能实现控制电路的执行机构（输出部分）；继电器是根据输入信号和实现不同的控制，传送电器系统的信号。
继电器的作用：
　　(1) 扩大控制范围。例如，当继电器控制信号会在某一时刻达到一定值的时候，能够同时开断、接通、换接多路电路；
　　(2) 具有放大功能。例如，许多大功率的电路都是靠灵敏型、中间型等继电器很小的控制量，来改变其功率大小[14]；
(3) 信号综合。例如,多绕组继电器有多个输入控制信号之后，会更综合,达到预期的控制效果；
(4) 自动，远程控制和监测,例如，继电器等电气设备时，程序控制电路可组成，以便实现自动操作。
2.6调试方法
采用 USB 转 TTL， 或者串口转 MAX232 等的 TTL 电平连接到测试底板的串口处，注意 TXD 和 RXD 之间的交叉连接，打开串口调试工具（如串口调试助手），选择正确 COM 口和波特率（9600bps） 然后选择字符显示方式,打开串口。接着给测试版上电一次， 串口调试软件将会打印输出一段文本，即待识别的命令。
接下来我们就可以发命令了，这是口令模式，我们要先说出一级口令“小杰”后等待板上灯点亮说明已经应答了，那么就可以再说其他的命令如“开灯”、“关灯”等的二级口令，识别成功后将在软件的接收框显示相关命令已经识别成功[12]。
2.7本章总结
本章节根据具体设计要求提出整体设计方案，将系统模块化分析处理，化繁为简，简单地介绍了系统各个模块的设计方案。为语音控制系统的设计提供清晰的设计思路。3 系统流程图及实物演示
3.1系统程序流程图
（1）系统程序流程图如图9所示。

图9 系统程序流程图
（2）流程说明
我们首先给装置通电，通电之后该装置的电源指示灯就会亮。LCD1602液晶显示屏能够反映该装置接通电源后对应输出的工作状态，当我们语音输入一级指令时，蓝色的一级指令指示灯会亮，此时可通过相应的语音信号进行控制[13]。这三个按键能够手动控制装置的输出动作，和语音可完成相同操作。
装置上还有代替家电装置的三个指示灯， 黄灯代表水壶，绿灯代表电风扇，红灯代表家用电灯。这三个指示灯对应于继电器的三个端口的输出，例如，当我们输入一级指令时（一级指令指示灯亮），输出二级指令“水壶”，该装置上的黄灯就会亮，及表示对应继电器的端口已经接通电源。
3.2外观图与内部电路图
外观图如图10所示。

图10 外部图
内部电路图如图11所示。

图11 内部电路图
3.3实验操作
插上电源插头，打开该装置电源开关，装置上的电源指示灯与LCD1602液晶显示屏会亮；如实验操作图1所示。

实验操作图1
（1）按键控制
手动控制装置上的按键，例如按下控制电风扇的按键，现象是代表电风扇的指示灯亮，显示屏显示“ON”，同理若是按下控制电灯的按键，显示屏显示“ON”，现象是代表电灯的指示灯亮，水壶也是如此，如实验操作图2所示。

实验操作图2
（2）语音控制
语音输入一级指令“小杰”（一级指令指示灯亮，该装置能正常工作），现象
如实验操作图3所示。

实验操作图3
然后输入二级指令，例如：“开灯”，显示屏显示“ON”,继电器中对应于家用电灯的端口输出电流，能听到继电器开关闭合的声音，该装置上的红灯就会亮起来，同理，若是说“开电风扇”显示屏显示“ON”，继电器中对应于家用电风扇的端口输出电流，该装置上代表电风扇的的灯就会亮起来，显示屏显示“ON”，水壶也是如此，如实验操作图4所示。

实验操作图4
（3）按键—语音控制
手动直接按下代表各家电装置的相应按键，现象是一级指示灯和相应的家电指示绿灯亮，显示屏显示“ON”例如按下代表电风扇的按键，如实验操作图5所示。
再语音输入“关电风扇”，现象是一级指示灯和相应的家电指示绿灯熄灭，显示屏显示“OFF”，如实验操作图6所示。

实验操作图5

实验操作图6
测试过程顺利，现象和预期设计一样。
总结
我此次的毕业设计中，我强烈感觉到了理论和实际相结合是多么的重要。在设计的过程中，一定要特别细心，在程序编写时，一个小小的错误就有可能使程序无法运行。在绘制硬件电路图时亦是如此，在选择器件时，我们得熟悉各个器件的特点和工作原理，在连线时还必须注意不要短路和断路。总之在每一个环节都要特点小心，防止出错。在设计过程中，我通过查找相关资料，对多种芯片的工作原理和引脚功能都有了一定的了解，并且选择了最合适的功能方案。在这次设计中，只是按照了最基本的要求完成了设计，功能还不够多，设计还不够完美，以后还要继续改进。
本作品利用IAP15F2K61S2为主要平台，以电源模块、语音模块、液晶显示模块、输出模块为外围电路，设计了一款可以通过语音实现对家用电器的控制的装置，通过调试，各个模块工作性能均正常，整个系统运行良好,该作品使用方法简单,功能实用，使用时直接接上220V交流电后打开开关即进入运行状态，使用时，先说出一级指令，相当于叫这个装置的名字，装置收到一级指令后会作出响应，相应的指示灯会亮起来，然后说出二级指令，即操作指令。比如说：“开灯”。灯就会为你打开，操作非常方便。该作品具有成本低廉、操作方便、响应速度快等特色，经过多次试验验证，功能参数正确，能够解决生活中的家用电器控制不便的问题，具有一定的实用价值和潜在的市场前景。
系统参数均达到作品设计要求。至此，本课题基于家用语音控制的设计已基本完成设计目标。
参考文献：
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[18]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社.2007.
[19]李全利.单片机原理及应用[M].高等教育出版社.2012.

15

附录1

所需器材表格1 所示：
表 1 所需器材

主控芯片IAP15F2K61S2

语音芯片 LD3320

按键

松乐继电器 5V T73 SRD-05VDC-SL-C 5脚

1602液晶显示屏

输出为5V的开关电源

附录2

部分程序：
uint8 LD_AsrAddFixed()
{
uint8 k, flag;
uint8 nAsrAddLength;
#define DATE_A 8 /*数组二维数值*/
#define DATE_B 20 /*数组一维数值*/
uint8 code sRecog[DATE_A][DATE_B] = {
"xiao jie",\
"kai fa ban yan zheng",\
"dai ma ce shi",\
"kai deng",\
"guan deng",\
"bei jing",\ "shang hai",\ "guang zhou"

}; /*添加关键词，用户修改*/
uint8 code pCode[DATE_A] = {
CODE_CMD,\
CODE_KFBYZ,\
CODE_DMCS,\
CODE_KD,\
CODE_GD,\
CODE_BJ,\
CODE_SH,\
CODE_GZ
}; /*添加识别码，用户修改*/
flag = 1;
for (k=0; k<DATE_A; k++)
{
if(LD_Check_ASRBusyFlag_b2() == 0)
{
flag = 0;
break;
}
LD_WriteReg(0xc1, pCode[k] );
LD_WriteReg(0xc3, 0 );
LD_WriteReg(0x08, 0x04);
delay(1);
LD_WriteReg(0x08, 0x00);
delay(1);
for (nAsrAddLength=0; nAsrAddLength<DATE_B; nAsrAddLength++)
{
if (sRecog[k][nAsrAddLength] == 0)
break;
LD_WriteReg(0x5, sRecog[k][nAsrAddLength]);
}
LD_WriteReg(0xb9, nAsrAddLength);
LD_WriteReg(0xb2, 0xff);
LD_WriteReg(0x37, 0x04);
}
return flag;
}

致谢

本课题在选题及研究过程中得到了苗磊老师的悉心指导。苗磊老师像个大哥哥一样，一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏实求真的精神，让我们受益匪浅。对于苗老师的感激之情无法用言语表达。
感谢我的室友们，善良的你们让我的生活充满欢笑。四年了，转眼间就过去我们从五湖四海相聚在这个陌生的城市里。难忘的岁月，难忘的姐妹之情。虽然至此我们将要各奔东西，但是没关系，前方又是另一片天地，大家珍重。一起的时光，我会永驻记忆中。感谢我的老爸老妈，言树之背，养育之恩，无以为报，愿你们健康快乐，女儿也会在未来的人生道路中更加努力、坚强。
经过一个月的忙碌，此次毕业设计几乎完成了，作为一名应届毕业生，在设计方面还存在一些经验不足的因素，更有一些考虑不周的地方，在此多谢老师的指导和同学们的支持，不然很难以独立完成此次设计，特别是在编程方面感谢老师给我讲解了大量相关程序的实例让我了解到编程其中的一些乐趣！除此之外我还要感谢我的母校淮南师范学院给与了我四年以来提供的优良的学习和生活环境，感谢学校的每一位老师、同学，你们的陪伴是我青春美好的风景。
在此我谨向我的苗磊老师以及各位给予帮助的可爱的小伙伴们致以最诚挚的谢意！