毕业论文(智能开关的设计与制作)
应用物理学专业2016届本科毕业论文
本
科 毕 业 论 文
智能开关的设计与制作
院 别： 物理与电子工程学院
学科门类： 理学
专 业：应用物理学 姓 名： 段渊渊
学 号： 2012051165
贵州 ● 铜仁 2016年6月
应用物理专业
本科毕业论文
贵州 ● 铜仁
2016年6月
目 录
摘 要 ..................................................................................................................................I ABSTRACT ........................................................................................................................I
1引言 . .................................................................................................................................................... 1
1.1选题意义 . .................................................................................................................................. 1 1.2 当今应用领域智能语音开关的发展趋势................................................................................. 2 1.3 本设计主要研究内容 . ............................................................................................................. 2
1.3.1 开关设计要求 .......................................................................................................... 2
2 单片机及相关器件介绍 . ...................................................................................................................... 2
2.1 STC89C51 单片机介绍 . ........................................................................................................... 2 2.2 主要器件介绍———LD3320 . .................................................................................................. 6
2.2.1功能介绍 .................................................................................................................. 6 2.2.2 电路说明 ................................................................................................................. 7
3系统软件设计 ...................................................................................................................................... 9
3.1 软件开发环境 . ........................................................................................................................ 9 3.2程序流程图 ............................................................................................................................. 10 3.3 软件功能代码 ......................................................................................................................... 11 4系统硬件设计 .................................................................................................................................... 12
4.1原理图 .................................................................................................................................... 12 4.2硬件实物成果图 . ..................................................................................................................... 14 5系统测试与总结 ................................................................................................................................ 14
5.1硬件电路调试 . ......................................................................................................................... 14
5.1.1硬件检查 . ..................................................................................................................... 14 5.1.2硬件功能检查 ............................................................................................................... 15 5.2功能实现 . ................................................................................................................................ 15 5.3综合调试 . ................................................................................................................................ 15 6 参考文献 . .......................................................................................................................................... 15 7 致谢 .................................................................................................................................................. 16
摘 要
语音识别是实现语音控制的关键技术，自然语音的人机交互也是当前的研究热点和难点。本设计运用STC10L08XE 单片机和CRoute 公司的高性能LD3320语音识别芯片，进行了语音控制系统、主控制模块和语音识别模块的软硬件设计。完成了基于非特定人的语音识别系统的静态测试，其对于语音命令的平均识别率可达85%，并应用该系统构成了声控开关，实现了用户声音控制家用照明电路，声音控制家用电器等。
关键词：语音识别；语音控制；LD3320；单片机；声控开关。
ABSTRACT
Speech recognition is the key technology to realize the voice control, natural speech human-computer interaction is the current research hotspot and difficulty. This design using STC10L08XE MCU and CRoute company's high-performance ld3320 chip, the voice control system, the software and hardware design of main control module and a voice recognition module. The static testing of non specific human speech recognition system based on, the voice commands to the average recognition rate can reach 85% for and application the system constitutes a sound control switch, the voice of the user control domestic lighting circuits, voice control household appliances and so on.
Key words: Speech Recognition ，V oice Control ， LD3320，Microcontroller ，V oice Activated Switch.
1引言
1.1选题意义
近年来，物联网成为全球关注的点领域。作为物联网中一种重要应用，智能家居的概念也逐被大家认可和接受。智能家居涉及到的内容包括家庭安防、家电控制、开关照明控制、信息服务、日常生活服务等其中开关智能控制系统主要是通过远程或者声控的方式对庭内部的各种设备进行开关控制。受控设备包括灯泡、冰箱、空调、电视机等家电设备，以及开关电源、继电器、温度传感器、烟雾感器、红外传感器等电子设备，这些设备都可以通过家庭络连接起来，查询它们的状态、以及接收指令。声音识别技术的应用，如果把这个技术应用在开关上，不仅大大方便了家居生活，而且节能环保，安全实用。为了对家庭设备的开关进行灵活控，方便使用者的随意操控，降低系统的维护成本，增强系统的实用性，智能开关控制系统有很强的适用性，该系统是一个管理和控制平台，但能够通过界面展示系统设备的当前状态信息，实现对设的备开关控制，而且还可以通过配置随意改变控制关系，不需要对家庭现有设备的内部控制程序进行改动，从而提高系统的灵活性、可维护性。
由此可见，智能的开关系统尤为重要。在我们日常生活中，方便可行的控制成为了我们追求的目标。比如家用电器的智能开关控制，我们只需要动动嘴就可以实现电器的启动与停止这是很多家庭希望的结果，为了方面人们的生活，智能开关系统的研究有着重要的意义、有着不可预测的潜力。
图1 语音识别系统实现过程图
目前，在智能语音开关的研究中，语音——这种人类最简单、最自然、最方便和最有效的交换信息的方式，在开关上的应用还较少，显然，在开关系统上增加语音接口，用语音代替键盘输入，并进行人机对话，让电器设备能听会说，不仅十分诱人，而且具有广泛的应用前景，同时，也是电器智能化的重要标志之一。而语音识别技术是近年来十分活跃的研究领域，语音识别系统的实用化研究是语音识别研究的一个主要方向。本文设计了一
款智能语音交互式开关系统，该开关可以实现识别语音命令，完成相应各电器设备的控制、家用电器的语音控制。
1.2 当今应用领域智能语音开关的发展趋势
融合类个人电子终端发展到今天，我们已经看到PMP 、手持游戏机、UMPC 、PDA ，以及智能手机的各显神通。但是在另一个领域——玩具领域，智能玩具正在悄悄兴起，成为新一类的融合电子终端，代表着世界玩具业发展的趋势。在香港的玩具出口量中传统玩具包括洋娃娃的出口数字出现负增长，其占整体出口的比重，由2005年的约七成下跌至2007年的约五成，而非传统的智能玩具的比重，则由2005年的约27%上升至2007年的48%。说明互动性、高科技玩具已渐渐成为发展主流，电脑技术与玩具结合已成为创新的方向。去年，高科技玩具在美国玩具市场上的销售额已达到100亿美元，增长速度远远高于传统玩具。2007年世界智能玩具销售收入达到23.5亿美元。 In-Stat预计到2012年这个数字将增长到90亿美元。
智能玩具市场相比其他融合终端绝对是新兴市场，因为智能玩具是基于现成的主流融合终端上的技术而产生的创新，相对成本较低，不仅可以给投资者提供较好的投资回报，而且还有很好的市场反应。同时，中国内地玩具人均消费与欧美国家差距巨大，存在着很大的智能玩具市场空间。
1.3 本设计主要研究内容
智能语音开关是现代智能家居发展的一个必然趋势，其市场上的主要功能可以分为语音对话、语音控制。即是由人与开关系统进行对话模式，在有限的范围能，语音开关能自动进行识别或者控制，根据芯片的语言编写不同，识别和控制的范围也不同。
1.3.1 开关设计要求
（1）简单语音对话交流 （2）语音控制用电器
①控制家庭照明电路 ；②控制家用电器；③控制电机转动。
2 单片机及相关器件介绍
2.1 STC89C51 单片机介绍
STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存
储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash ，512字节RAM ， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM ，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM 、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz ，6T/12T可选。
表一 STC89C51主要功能
STC89C52引脚介绍
① 主电源引脚（2根）
VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V 电源 GND(Pin20)：接地线 ②外接晶振引脚（2根）
XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 ③控制引脚（4根）
RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号
PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7 P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7 P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7 作频率35Mhz ，6T/12T可选。
图二 STC89C51 DIP封装图
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。
STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图2-3所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图三 单片机最小系统原理框图
(1) 时钟电路
STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。在STC89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振) ，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF，典型值为30pF 。晶振CYS 的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择，典型值为12MHz 和6MHz 。
图四 STC89C51内部时钟电路
(2) 复位电路
当在STC89C51单片机的RST 引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态) 。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。只要Vcc 的上升时间不超过1ms, 就可以实现自动上电复位。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST(9)端与电源Vcc 接通而实现的。
图五 STC89C51复位电路
（3） STC89C51中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服
务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。
图六 中断响应和处理过程
如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
2.2 主要器件介绍———LD3320
图七 LD3320A外观图
LD3320芯片图七是一款“语音识别”专用芯片，由ICRoute 公司设计生产。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD 、DA 转换器、麦克风接口、声音输出接口等。本芯片在设计上注重节能与高效，不需要外接任何的辅助芯片如Flash 、RAM 等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别／声控／人机对话功能。并且，识别的关键
词语列表是可以任意动态编辑的。
2.2.1功能介绍
通过ICRoute 公司特有的快速而稳定的优化算法，完成非特定人语音识别。不需要用
户事先训练和录音，识别准确率85%。
● 不需要外接任何辅助的Flash 芯片，RAM 芯片和AD 芯片，就可以完成语音识别功能。真正提供了单芯片语音识别解决方案。
● 每次识别最多可以设置50项候选识别句，每个识别句可以是单字，词组或短句，长度为不超过10个汉字或者79个字节的拼音串。另一方面，识别句内容可以动态编辑修改，因此可由一个系统支持多种场景。
● 芯片内部已经准备了16位A/D转换器、16位D/A转换器和功放电路，麦克风、立体声耳机和单声道喇叭可以很方便地和芯片管脚连接。立体声耳机接口的输幽功率为20mW ，而喇叭接口的输出功率为550mW ，能产生清晰响亮的声音。 ● 支持并行和串行接口，串行方式可以简化与其他模块的连接。 ● 可设置为休眠状态，而且可以方便地激活。
● 支持MP3播放功能，无需外围辅助器件，主控MCU 将MP3数据依次送入LD3320芯片内部就可以从芯片的相应PIN 输出声音。产品设计可以选择从立体声的耳机或者单声道喇叭来获得声音输出。支持MPEGI(ISO/IEC11172-3), MPEG2(ISO/IEC13818-3)和MPEG 2.5 layer 3等格式。
● 工作供电为
3. 3V，如果用于便携式系统，使用3节AA 电池就可以满足供电需要。
2.2.2 电路说明
以下为内部电路的简单逻辑图
图八 内部电路简单逻辑图
详细说明如下： 电压要求：
VDD 数字电路用电源输入 3. 0 V - 3. 3 V VDDIO 数字1/0电路用电源输入 1. 65 V - VDD VDDA 模拟电路用电源输入 3. 0 V - 4. 0 V 芯片管脚输入电压范围：高电压（逻辑“1”）：0. 7；lcVDDIO'VDDIO 低电压（逻辑“0”）：0'0. 3~VDDIO 时钟(Clock)
芯片必须连接外部时钟，可接受的频率范围是4-48MHz ；而芯片内部还有PLL 频率合成器，可产生特定的频率供内部模块使用。 复位
对芯片的复位信号（RSTB ：1：）必须在VDD/VDDA/VDDIO都稳定后进行。无论芯片正在进行何种运算，复位信号都可以使它恢复初始状态，并使各寄存器复位。如果没有后续的指令（对寄存器的设置），复位后芯片将进入休眠状态。此后，一个CSB ：1：信号就可以重新激活芯片进入工作状态。 并行接口
本芯片可通过并行方式和外部主CPU 连接，此时使用8根数据线（PO-P7），4个控制信号（WRB#，RDB#，CS 冰，AO ），以及一个中断返回信号（INTB#）。 串行接口
串行接口通过SPI 协议和外部主CPU 连接，首先要将MD 接高电平，而将（SPIS ：1：）接地。此时只使用4个管脚：片选（SCS 冰）、SPI 时钟(SDCK ) 、SPI 输入(SDI ) 和SPI 输出(SDO ) 。 寄存器
对芯片的设置和命令，包括传送数据和接受数据，都是通过对寄存器的操作来完成的。
例如进行语音识别时，设置识别的关键词语列表，设定芯片的识别模式，谀别完成后获得识别结果都是通过读／写寄存器来完成。播放声音时，就是将MP3格式的数据循环放入FIFO 对应的寄存器。（识别结果是通过寄存器返回识别出的关键词语在关键词语列表中的排列序号Index 数值，该Index 数值是在设置关键词语列表时指定）。
3系统软件设计
3.1 软件开发环境
3.1.1 Keil C51 介绍
Keil C51是美国Keil Software 公司出品的51系列兼容单片机C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C 来开发，体会更加深刻。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。 3.1.3 Protel99SE介绍
Protel99SE 是PORTEL 公司在80年代末推出的EDA 软件。Protel99SE 是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA 设计软件，采用设计库管理模式，可以网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D 模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。 Protel99SE 软件的特点：
1、可生成30多种格式的电气连接网络表； 2、强大的全局编辑功能；
3、在原理图中选择一级器件，PCB 中同样的器件也将被选中；
4、同时运行原理图和PCB ，在打开的原理图和PCB 图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络 ；
5、既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB ），也可以进行反向注释（由PCB 到
原理图），以保持电气原理图和PCB 在设计上的一致性；
6、满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；
7、支持用CUPL 语言和原理图设计PLD ，生成标准的JED 下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
8、强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
Protel99SE 的工作界面是一种标准的Windows 界面，如图所示，包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
3.2程序流程图
图九 程序流程图
3.3 软件功能代码
#include void InitUART(void) {
TMOD = 0x20; SCON = 0x50; TH1 = 0xFD; TL1 = TH1; PCON = 0x00; EA = 1; ES = 1; TR1 = 1; }
sbit LED_1=P0^0; sbit LED_2=P0^1; sbit LED_3=P0^2; sbit LED_4=P0^3; sbit LED_5=P0^4; sbit Relay=P2^0;
void main() { InitUART(); while(1) { } }
unsigned char Uart_Data=0;
void UARTInterrupt(void) interrupt 4 {
if(RI) {
RI = 0;
Uart_Data=SBUF; switch(Uart_Data) { case 0:LED_1=0;break; case 1:LED_1=1;break; case 2:LED_2=0;break;
case 3:LED_2=1;break; case 4:LED_3=0;break; case 5:LED_3=1;break; case 6:LED_4=0;break; case 7:LED_4=1;break; case 8:LED_5=0;break; case 9:LED_5=1;break; case 10:Relay=0;break; case 11:Relay=1;break; } } else
TI = 0; } 4系统硬件设计
4.1原理图
图十
系统模拟电路图
图十一 系统原理图
4.2硬件实物成果图
图十二 系硬件实物成果图
5系统测试与总结
5.1硬件电路调试
5.1.1硬件检查
硬件检测流程如图5-1
图十三 硬件检测流程图
1、检查硬件焊接是否有虚焊；
2、对照电路图检查是否有焊接错误； 3、线路连接是否有问题。
5.1.2硬件功能检查
根据编写的语言要求，加电后检查是不是能按照程序运行，实现其功能。
5.2功能实现
1、上电，电源指示灯亮，各电路正常工作。 2、用户说出指令，LED 灯亮，正常接收指令。 3、实现指定LED 灯控制亮灭。 4、实现电机控制。
5.3综合调试
把硬件系统和软件系统进行整合，对期间出现的故障进行排除，使两者融合，实现完整的系统功能。
6 参考文献
[1] 李光飞，李光飞等著. 单片机课程设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005 [2] 沈红卫著. 单片机应用系统设计实例与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002
[3] 陈权昌, 李兴富. 单片机原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社，2007.8 [4] 李庆亮.C 语言程序设计实用教程[M].北京:机械工业出版社，2005.3
[5] 及力.Protel 99 SE原理图与PCB 设计教程[M].北京:电子工业出版社，2007.8 [6] 胡宴如. 模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008.6 [7] 刘宁. 单片机多功能时钟的设计[M].浙江:浙江海洋学院,2009.
7 致谢
从刚开始的一片空白到如今对单片机的了解与应用，离不开这些年我们专业任课老师们的细心教导。在这接近一年的学习研究中，随着冉耀宗老师的思路指引我学会了很多很多关于逻辑电路的相关知识，不仅仅是理论上的，更多的是我们的实践能力得到了质的飞跃。
不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向物理与电子工程学院的全体老师表示由衷的谢意。感谢老师们四年来的辛勤栽培。