语音型家用电器控制系统设计.doc

毕业论文 设计 毕业论文 设计 论文题目 语音型家用电器控制系统设计 本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 诚信承诺书诚信承诺书 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 2 毕业论文 设计 所使用的相关资料 数据 观点等均真实可 靠 文中所有引用的他人观点 材料 数据 图表均已注释说明来源 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 目目 录录 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 1 语音型家用电器控制系统设计 学生 付晓蕾 指导老师 苗磊 淮南师范学院电气信息工程学院 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 Student Fuxiao Lei Guidance Teacher Miao Lei College of Electrical and Information Engineering Huainan Normal University 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 语音型家用电器控制系统设计 2 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 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 3 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 语音型家用电器控制系统设计 4 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 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 5 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 语音型家用电器控制系统设计 6 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 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 7 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 语音型家用电器控制系统设计 8 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 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 9 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 语音型家用电器控制系统设计 10 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 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 11 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 语音型家用电器控制系统设计 12 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 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 13 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 语音型家用电器控制系统设计 14 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 1 张洪润 传感器相关技术大全 M 北京航空航天大学出版社 2007 2 隆礼湘 继电器逻辑线路的图解设计 M 机械工业出版社 2007 3 张培仁 传感器原理检测及应用 M 清华大学出版社 2012 4 成谢锋 周井泉 电路与模拟电子技术基础 M 科学出版社 2012 1 5 杭州市邮政科研室三组编 继电器电路基础知识 M 人民邮电出版社 1978 12 6 王学屯 学习模电三部曲之电路测试与组装技术 M 电子工业出版社 2012 7 刘刚 侯宾 吕玉琴 电路分析与电子电路基础 M 高等教育出版社 2011 8 冯娟 曾立华 单片机开发与应用 M 2008 淮南师范学院 2014 届本科毕业论文 15 9 张雄伟 语音信号处理及 Blackfin DSP 实现 M 电子工业出版社 2011 10 10 金发庆 传感器技术及其工程应用 M 机械工业出版社 2010 11 张海涛 嵌入式控制系统的设计 M 科学出版社 2012 12 康华光 电子技术模拟部分 第五版 M 高等教育出版社 2006 13 陈益飞 单片机原理及应用技术 M 国防工业出版社 2011 14 张义和 电路图设计 M 科学出版社 2013 15 陈抗生 电路分析与电子线路基础 M 高等教育出版社 2012 16 吴黎明 语音信号及单片机处理 M 科学出版社 2007 17 马忠梅 单片机的 C 语言应用程序设计 M 北京航空航天大学出版社 1997 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 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 0 xc1 pCode k LD WriteReg 0 xc3 0 LD WriteReg 0 x08 0 x04 delay 1 LD WriteReg 0 x08 0 x00 delay 1 for nAsrAddLength 0 nAsrAddLength DATE B nAsrAddLength if sRecog k nAsrAddLength 0 break LD WriteReg 0 x5 sRecog k nAsrAddLength LD WriteReg 0 xb9 nAsrAddLength LD WriteReg 0 xb2 0 xff LD WriteReg 0 x37 0 x04 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 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师的 指导