基于单片机的红外线智能家电控制系统设计毕业设计.doc

目 录
第一部分 设计任务与调研 3
1. 毕业设计的主要任务 3
2. 毕业设计的思路与方法 3
4. 研究目的和总结 4
第二部分 设计说明 6
1. 我的设计是智能家电语音控制系统 6
2. 设计方案 6
3. 红外线通讯技术及其实现 7
4. 语音识别技术及其实现 9
5. 产品的特点 12
第三部分 设计成果 13
第四部分 结束语 15
第五部分 致谢 16
第六部分 参考文献 17

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第一部分 设计任务与调研
1. 毕业设计的主要任务
基于单片机的红外线智能家电控制系统的设计（红外线智能家电语音控制系统）。
2. 毕业设计的思路与方法
D/A转换

调制解调器

声音信号
无线麦克风
调制解调器
D/A转换

扬声器
驱动电路

单片机
声音信号
设计思路—— 通过自动接收遥控器红外信号和录制使用者的声音信号，并存储到设备当中。当使用者下达语音指令时，设备会自动识别语音信号并和单片机上已经录入的信号系统相匹配，然后由单片机发布相应的指令，通过无线电信号传输到红外信号发生器上，从而发出红外线信号，达到对家电系统语音遥控控制的目的。在关闭家电之后，系统会自动发布关闭电源信号，操作模拟开关对家电进行彻底的断电，达到安全节能的目的。
3. 系统原理图

调制解调器

红外信号发射

声音信号

图1-1 系统功能实现原理图

在智能家电系统中,语音识别是其关键,在本系统中,采用了特定发音人进行语音识别,其原理如图2所示。首先在训练过程中,录入一条语音样本,然后对样本进行采样、量化、滤除噪音,对语音信号进行线性预测分析,将分析的语音特征保存在系统的数据库中,语音特征描述语音信号的波形和频谱信息。在使用阶段,将输入的语音命令提取特征后与数据库中的特征模型进行匹配检验。找到相匹配的语音样本,返回识别结果来触发相应的命令。当长时间没有语音命令,该芯片将进入休眠状态以减少功耗。

语音输入
特征提取
语音输入
特征提取
识别结果
语音特征模型
匹配检验

图1-2 语音识别原理

4. 研究目的和总结
智能家居语音控制系统是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家具生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居是在互联网影响之下物联化的体现。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种控制和手段。与普通家具相比，智能家居不仅具有传统的居住环境，兼容建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能，甚至为各种能源费用节约资金。
智能家居最初的发展主要以灯光遥控控制、电器远程控制和电动窗帘控制为主，随着行业的发展，智能控制的功能越来越多，控制的对象不断扩展，控制的联动场景要求更高，其不断延伸到家庭安防报警、背景音乐、可视对讲、门禁指纹控制等领域，可以说智能家居几乎可以涵盖所有传统的弱电行业，市场发展前景诱人，因此和其产业相关的各路品牌不约而同加大力度争夺智能家居业务，市场渐成春秋争霸之势。
第二部分 设计说明
1. 我的设计是智能家电语音控制系统
智能家居是将家庭中各种通信设备、家用电器和安防设备连接成为一个家庭智能化系统，以便对上述设备进行监视、控制管理和信息交换，提供安全、高效、舒适、便利的家居环境。传统的智能家居控制仍然依赖于人工触发式控制， 语音控制技术的引入将使得智能家居的控制不再单调。无论用户身处室内或室外都可以通过语音控制技术，实现对家庭内部设备的控制。语音是语言的声学表现，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段。语音控制技术的使用将“人与家居”整合在一起。语音控制技术将改变现有的用户与家居设备的信息交流方式， 解放用户的双手，使用户的家居生活具备更人性化的魅力。语音控制技术让人与机器之间的沟通交流更加智能化， 用户可以像与人说话一样，用自然化的人类语言操作语音控制系统，从而实现语音控制系统的人机交互。
2. 设计方案
2.1设计目标：红外线智能家电语音控制系统。
2.2主要的内容：具有语音操作功能的单片机，可以发布遥控信号的红外信号发生器，无线麦克风，无线电信号调制解调。（AT89C2051芯片、调制解调器、红外接收(发射)头、麦克风等）。
2.3设计思路： 通过自动接收遥控器红外信号和录制使用者的声音信号，并存储到设备当中。当使用者下达语音指令时，设备会自动识别语音信号并和单片机上已经录入的信号系统相匹配，然后由单片机发布相应的指令，通过无线电信号传输到红外信号发生器上，从而发出红外线信号，达到对家电系统语音遥控控制的目的。在关闭家电之后，系统会自动发送关闭电源信号，操作模拟开关对家电进行彻底的断电，达到安全节能的目的。
2.4技术要求：自动接收遥控器红外信号和录制使用者的声音信号，并储存设备当中。发布指令后，通过无线传输，发出红外信号。系统自动发射关闭信号，实现彻底断电。
2.5工具设备的要求:AT89C2051芯片、调制解调器、红外接收(发射)头、麦克风等。
3. 红外线通讯技术及其实现
3.1红外线通讯技术概述
红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。特点:保密性强，息容量大，结构简单，既可以是室内使用，也可以在野外使用，由于它具有良好的方向性，适用于国防边界哨所与哨所在之间的保密通信，但在野外使用时易受气候的影响。红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种。红外通讯技术不需要实体连线，简单易用且实现成本较低，因而广泛应用于小型移动设备互换数据和电器设备的控制中，例如笔记本电脑、PDA、移动电话之间或与电脑之间进行数据交换，电视机、空调器的遥控等。由于红外线的直射特性，红外通讯技术不适合传输障碍较多的地方，这种场合下一般选用RF无线通讯技术或蓝牙技术。红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高。
3.2红外线通讯的实现
红外通讯通过使用红外光进行通信，发送设备将电信号转成光信号，接收设备则再将光信号还原成电信号，红外收发系统的框图如图所示
键盘
编码调制
LED
光/电放大
解调
解码

遥控发射器

图2-1 遥控接收器

图2-2 红外接近开关

图2-3 红外发射模块原理图

图2-4 红外接收模块原理图

4.语音识别技术及其实现
4.1语音识别的概述
语音识别是一门交叉学科。近二十年来，语音识别技术取得显著进步，开始从实验室走向市场。人们预计，未来10年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。 语音识别听写机在一些领域的应用被美国新闻界评为1997年计算机发展十件大事之一。很多专家都认为语音识别技术是2000年至2010年间信息技术领域十大重要的科技发展技术之一。 语音识别技术所涉及的领域包括：信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等等。
与机器进行语音交流，让机器明白你说什么，这是人们长期以来梦寐以求的事情。中国物联网校企联盟形象得把语音识别比做为“机器的听觉系统”。语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。　语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。语音识别技术车联网也得到了充分的引用，例如在翼卡车联网中，只需按一键通客服人员口述即可设置目的地直接导航，安全、便捷。
4.2语音识别系统组成
语音识别技术的应用可以分为两个发展方向：一个方向是大词汇量连续语音识别系统，主要应用于计算机的听写机，以及与电话网或者互联网相结合的语音信息查询服务系统，这些系统都是在计算机平台上实现的；另外一个重要的发展方向是小型化、便携式语音产品的应用，如无线手机上的拨号、汽车设备的语音控制、智能玩具、家电遥控等方面的应用，这些应用系统大都使用专门的硬件系统实现，特别是近几年来迅速发展的语音信号处理专用芯片（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）和语音识别片上系统（System on Chip，SOC）的出现。
4.3语音信号预处理
MFCC是计算语音信号的Mel频率倒谱系数,Mel频率是基于人耳听觉特性提出来的，它与Hz频率成非线性对应关系。Mel频率倒谱系数(MFCC)则是利用它们之间的这种关系，计算得到的Hz频谱特征，MFCC已经广泛地应用在语音识别领域。由于Mel频率与Hz频率之间非线性的对应关系，使得MFCC随着频率的提高，其计算精度随之下降。因此，在应用中常常只使用低频MFCC，而丢弃中高频MFCC。
MFCC参数的提取包括以下几个步骤：
n 预滤波（低通）：前端带宽为300-3400Hz的抗混叠滤波器。
n A/D变换：采样频率，线性量化精度。
n 预加重：通过一个一阶有限激励响应高通滤波器，使信号的频谱变得平坦，不易受到有限字长效应的影响。
n 分帧：根据语音的短时平稳特性，语音可以以帧为单位进行处理，实验中选取的语音帧长为32ms，帧叠为16ms。
n 加窗：采用哈明窗对一帧语音加窗，以减小吉布斯效应的影响。
n 快速傅立叶变换（Fast Fourier Transformation, FFT）：将时域信号变换成为信号的功率谱。
n 三角窗滤波：用一组Mel频标上线性分布的三角窗滤波器（共24个三角窗滤波器），对信号的功率谱滤波，每一个三角窗滤波器覆盖的范围都近似于人耳的一个临界带宽，以此来模拟人耳的掩蔽效应。
n 求对数：三角窗滤波器组的输出求取对数，可以得到近似于同态变换的结果。
n 离散余弦变换（Discrete Cosine Transformation, DCT）：去除各维信号之间的相关性，将信号映射到低维空间。
谱加权：由于倒谱的低阶参数易受说话人特性、信道特性等的影响，而高阶参数的分辨能力比较低，所以需要进行谱加权，抑制其低阶和高阶参数。
倒谱均值减（Cepstrum Mean Subtraction, CMS）：CMS可以有效地减小语音输入信道对特征参数的影响。
差分参数：大量实验表明，在语音特征中加入表征语音动态特性的差分参数，能够提高系统的识别性能。可用到了MFCC参数的一阶差分参数和二阶差分参数。
采样前的低通滤波，主要是消除采样时的频谱混叠。由硬件完成。
预加重主要是提高高频的频谱分量。软件，硬件都可以完成。
4.3.1语音信号的采样
数码音频系统是通过将声波波形转换成一连串的二进制数据来再现原始声音的，实现这个步骤使用的设备是模/数转换器（A/D）它以每秒上万次的速率对声波进行采样，每一次采样都记录下了原始模拟声波在某一时刻的状态，称之为样本。将一串的样本连接起来，就可以描述一段声波了，把每一秒钟所采样的数目称为采样频率或采率，单位为HZ（赫兹）。采样频率越高所能描述的声波频率就越高。采样率决定声音频率的范围（相当于音调），可以用数字波形表示。以波形表示的频率范围通常被称为带宽。要正确理解音频采样可以分为采样的位数和采样的频率。
开始
音频信号频率
采样频率
采样
量化
保存声音文件

结束

图2-5语音采样

4.3.2语音信号的端点检测
语音端点的检测方法主要分为基于模型和基于特征两大类。基于模型的检测方法要分别对语音和噪声进行建模，根据检测到的某些特征分别计算出在噪声模型和语音模型两种条件下的概率，然后根据这两个模型下概率的大小做出有声和无声判决，这种方法的操作过程类似于语音识别中进行模式匹配。例如，假设待检测的语音帧为有用语音或者为噪声的概率均为50%，如果在噪声模型下计算出的概率为80%，而在语音模型下计算出的概率为20%，由于噪声模型下计算出的概率大于语音模型下计算得出的概率，则可得出，所检测的语音帧为噪声，反之，如果在噪声模型下计算出的概率为20%，而在语音模型下计算出的概率为80%，则可得出该帧为有用语音帧。使用隐马尔可夫模型进行语音端点检测就是基于模型的检测方法。基于模型的语音端点检测方法过程比较复杂，而且实际环境多变，噪声多种多样，建立的语音和噪声模型可能跟实际环境不匹配，对环境的适应能力较差，检测准确率低。由于基于模型的检测方法的复杂性和不稳定性，研究者们一般倾向于使用第二类方法，基于特征的端点检测方法主要是通过寻找能够区分语音和噪声的特征参数来进行判断。
语音信号处理是发展最为迅速的信息科学技术之一，人机通过语音交互越来越重要，而端点检测作为语音处理的前端操作起着无可替代的作用。越来越多的学者对语音端点检测技术进行研究，相继提出许多新的语音端点检测算法。目前的端点检测算法大多只针对语音的某一个特征进行检测[17]，大量的文献调研与实际研究发现，现有的各种语音信号端点检测技术都存在各自的不足，在低信噪比下检测结果不是很令人满意，有待进一步深入研究

语音信号

端点检测

参数分析

变换

语音识别

图2-6语音转换

5.产品的特点
可以发布遥控信号的红外信号发生器，无线麦克风，无线电信号调制解调。
第三部分 设计成果
1. 设计结果
图3-1红外遥控焊接板

红外遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用家器提供了很多的便利。红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接受设备两大部分组成。红外发射装置又可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。
通用红外遥控系统由调制、发射和接收三大部分组成，本系统以Atmega8单片机作为红外发射编码和接收解码芯片，另外再以HS5104作为发射编码芯片，5个键盘输入模块中的三个用于给3路电灯分别进行亮灭操作，一个键盘输入模块用于操作所有灯的亮灭，最后剩下的一个键盘输入模块用于实现电灯在设定的时间内关闭的功能。

图3-2

2. 作品的特点
首先用一个红外线接收电路接收红外数据,并且通过串口传送给PC,然后,对信号进行分析和存储,接着通过串口输出再现其红外线控制信号,进而实现对设备的控制。这个过程PC 充当了一个学习型万能遥控器的角色。 2.对于红外信号无法到达的空间,则采用无线电的通信方式来实现,即无线电作为一个中转站:红外线→无线电发射→无线电接收→红外线。这样可以避免单纯利用红外线通信所受的空间限制和单纯利用无线通信与现有红外线控制的电器设备不兼容的问题,使系统控制更加灵活。 3.语音信号通过MIC 输入PC,语音库的建立可以动态地实现,并且以用户的语音信号为标准模式,语音命令可以实现即录即用,因此对用户的发音标准性要求不高。语音信号通过小波神经网络有效地识别和处理之后,转换为红外控制信号输出,实现对家用电器的控制。 4.编写网络通信软件,通过与互联网相联可以实现设备的远程控制。

第四部分 结束语
在学校、院系领导的安排下 我们进行了为期近两个月的毕业设计 ，这也是我们大学生涯里的最后一次设计， 看这两个月来所做的紧张而有序的设计工作， 禁不住生出很多感想 也就有一种总结的冲动  。
首先来说 ，这次设计是我学了两年本科全部课程之后的又一次重要检验 。它考验了我是否真的牢固掌握了全部所学的专业知识 ，以及运用知识的能力并且是否具有广泛的视角来看待应用电子技术方面的问题。 
就我自己而论，通过本次毕业设计，我深深感觉到基础知识的不健全和不牢固 ，因此尚不能很灵活的解决所遇到的全部问题 。在本次毕业设计中表现出了这样或那样的不足和漏洞， 说明了基本功的不扎实，所幸我得到了老师和同学们的热情帮助， 使这些问题得到了解决 ， 这将对我以后的工作和学习有极大的帮助；再者， 本次毕业设计全面锻炼了我驾御知识的能力，使我对这三年来所学的理论知识进行了系统化、条理化、全面化的回顾和复习， 让我懂得了如何运用自己所学的知识 ，同时又学到了猎取其他知识的方法 ，这些都将作为课本知识的有益补充 ， 为我们以后所要从事的工作打下坚实的基础；最后 ，这次设计使我得到一次大规模检索相关资料的机会 提高了运用网络和专业计算机软件辅助设计的能力  。由于此次毕业设计的角度限制和知识的不够系统和不够完善 ，难免有错误和不足之处，敬请老师批评指正以完善此次毕业设计 。另外 ，真诚祝愿各位老师在今后的工作中取得更大的成绩 为国家培养出越来越多的优秀人才 ， 希望在以后的工作学习过程中能够得到老师们热忱的指导和帮助 。
本次毕业设计已经结束 ， 我不仅收获了知识而且也锻炼了品质 ，通过这次认真而又细致的毕业设计 ，我对待事情的态度更加严谨更加有耐心 ，并且我更希望把所做的事情做好做完美， 我想这将是一种很重要的财富 ，感谢本次设计。

第五部分 致谢
本研究及毕业设计是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。从毕业课题选题、红外线家电语音控制系统方案设计、语音控制系统研制、试验分析、毕业设计撰写，无不凝聚着导师的汗水与心血！
在撰写毕业设计的两个月里，导师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我工作的敬业精神及正直诚恳的为人，深深地感染和激励着我，使我受益终身。在此，谨向导师致以最诚挚的谢意和崇高的敬意！真诚祝愿导师及其家人身体健康、合家幸福！
在毕业课题的选题过程中，还得到了老师、等很好的意见和建议，在此表示深深地感谢！
在毕业课题研究和试验及毕业设计撰写的过程中，得到了同学无私的帮助，和他们在一起学习的日子使我感到温暖，真诚感谢他们的帮助与建议。同时感谢在毕业设计报告书中所有被引用文章的作者们。
最后，感谢我的父母在我求学路上无悔的支持和不懈的关怀，在我成长的道路上，你们付出了太多太多，没有你们我不可能完成三年的学习！您们辛苦了！
通过这几年的大学学习生活，让我受益匪浅。感谢学校给了我一个良好的学习平台，同时感谢帮助和关心过我的每一个人。在今后的日子里，我会更加努力的工作与学习，回报帮助和关心过我的每一个人。

第六部分 参考文献
【1】基于PSTN的智能家居远程语音控制系统设计2011年4月第一期.
【2】薛毓强，李华东，张选利 - 《现代电子技术》2015年4月第四期.1-2 
【3】贾可 - 西南财经大学 2014年4月9日.1-3
【4】基于LIN总线的语音控制智能家居系统2011年第20期.1
【5】冯志荣，王红梅 - 《现代电子技术》 -2015年第33期.1
【6】基于LIN总线的语音控制智能家居系统设计2014年第30期.1