基于语音技术的智能家居系统的设计毕业论文设计

基于语音技术的智能家居系统的设计毕业论文设计内容摘要：

8 位 双向三态 I/O 口线。 既可作为普通 I/O 口引脚。 也可作为数据 /低 8 位地址总线。 VCC(40) 电源电压端。 GND(20) 地端。 RST(9) 复位输入端。 复位后，内部专用寄存器及 I/O口的处置与 8051的情况一样。 而内部的状态保持不变。 XTAL1(19) 振荡器反相放大器的输入。 内部时钟发生器的输入端。 XTAL2(20) 振荡器反相放大器的输出端。 ALE 地址锁存允许，当单片机访问外部存储器时。 该引脚的输入信号 ALE 用于锁存 P0 的低 8位地址。 ALE 输出的频率为时钟振荡频率的 1/6。 PSEN 程序存储器允许。 输出读外部程序存储器的选通信号。 取指令操作周期， PSEN的频率为振荡频率的 1/6；若此期间有访问外部数据存储器的操作。 则有一个机器周期中的 PSEN 信号将不出现。 EA EA=0，单片机只访问外部程序存储器。 对 8031 此引脚必须接地。 EA=1，单片机访问外部程序存储器。 对内部有程序存储器的单片机。 此引脚必须接高电平。 在这里需要注意的是， P3 口具有双功能，介绍下它的第二功能， 以便设计者更好的利用单片机以完成本设计所需要的功能。 P3 口 的特殊功能 如下表 33 所示。 表 33 P3 口 特殊功能 口线 特殊功能 RXD ( 串行口输入端 ) TXD ( 串行口输出端 ) /INT0 ( 外部中断 0) /INT1 ( 外部中断 1) T0 ( 定时器 0 外部输入 ) T1 ( 定时器 1 外部输入 ) 单片机的外围电路 单片机的外围电路包括复位电路和时钟电路两部分。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 7 复位电路的作用主要是，不管单片机遇到什么样的不正常的操作，都可以实现单片机的初始化，使它从某一确定的状态重新开始运行。 上电复位 和 开关复位都 可以完成复位电路的作用，它们只是 2 种不同的形式。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。 开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位 [4]。 复位电路如图 31 所示。 图 31 RST 电路 其中 RST 端接 51 单片机的第 9 引脚，按下复位按键以后， PC 指向 0000H单元、 SP 指向 07H 单元、 P0 口为 FFH、 P1 口为 FFH、 P2 口为 FFH、 P3 口为FFH 以及其他的寄存器为 0。 51 单片机芯 片内部有一高增益反相放大器，用于构成振荡器 .反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2， 在 XTAL XTAL2（第 1 18 引脚）两端跨接一个石英晶体振荡器，和两个电容就构成了稳定自激谐振电路 ， 晶振频率为。 C12， C13 是两个瓷片电容，与晶振 Y2 构成了自激谐振电路 ，其电容的作用主要是对频率进行微调，一般取 3045PF 左右 ， 使用该电路可产生稳定的 频率，受外界的环境的干扰影响非常小 [5]。 其接法如图 32所示。 图 32 外围时钟 电路 RST 唐 山 学 院 毕 业 设 计 8 单片机 的硬件电路 本设 计 最核心的器件是 51 单片机，它控制了整个系统，完成了语音信息的处理、红外信号的发射以及红外信号 的接收。 它 的外围电路如下图 33 所示。 图 33 51 单片机外围电路 语音识别模块 语音芯片 LD3320 的介绍 LD3320 芯片是一款 “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既可以实现语音识别、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 [6]。 主要的特色功能有：非特定人语音识别技术、可动态编辑的识别关键词语列表、单芯片解决方案、高精度 A/D 和 D/A 通道、高准确度和实用的语音识别效果、可自由编辑 50 条关键词语 [7]。 它的内部逻辑结构如图 34 所示。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 9 图 34 LD3320 内部结构逻辑图 LD3320 芯片有 48 个引脚，在图中可以看到 20 个引脚，在本次设计中没有使用所有的引脚。 MICP 和 MICN 分别接麦克风的正负引脚、 CLK 接外部时钟，频率在 448HZ 之间、 GND 是接地端和 VDD 是电源端。 电源的 主要目的是给芯片供电，使它可以正常工作。 语音识别 的原理 语音识别技术是将人类语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入。 科学家们利用语音数据库里大量的数据进行分析，可以 得到在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征。 并且将这些特征和语音模型转化为硬件芯片。 语言识别原理主要是：科学家建立语言模型，分析语音特征，并将这些转化为硬件芯片 LD3320。 最 先 将 相关命令的词语 列表， 写入芯片内。 其次通过麦克风采集语音信号，并将得到的信号，送入芯片内部。 然后芯片将收到的信号 进行频谱分析，提取特征 ， 并根据它内部的这种特殊的算法和编辑好的关键词列表一一匹配，将匹配率最高的结果以串口的形式发回给单片机。 语音识别的过程，就是把用户说出的内容，通过频谱转换为语音特征，和这个关键词语列表中的条目进行一一匹配，最优匹配的一条作为识别结果 [14]。 在本设计中语音识别列表是打开灯、关闭灯、打开热水器、关闭热水器、打开空调、关闭空调、全部打开、全部关闭灯等。 不论这个列表的条目内容是什么，只需要唐 山 学 院 毕 业 设 计 10 用户设置相关的寄存器，就可以把相应的待识别条目内容以字符形式传递给识别引擎 [8]。 语音识别过程如下图 35 所示。 图 35 语音识别芯片识别过程框图 语音识别模块的硬件连接 该模块由单片机、语音芯片以及麦克风组成。 单片机选用的是 51 单片机，语音芯片的型号是 LD3320。 单片机是语音模块的核心控制平台，并且它控制着语音芯片去完成对语音信号的采集和对比分析，同时将 对比得出的 一个最优结果以串口中断的方式传回给单片机。 最后通过红外遥控模块传送给另一个单片，使继电器的指示灯亮或者灭。 语音识别模块与主控单片机的硬件连接如图 36 所示。 图 36 语音 识别 模块 的 硬件连接 图 唐 山 学 院 毕 业 设 计 11 红外遥控模块 红外遥控模块主要有两部 分构成，红外发送部分和红外接收部分，现在一一介绍这两部分。 这个模块最大的优点就是，不会干扰其他的信号，不影响其他设备的正常工作，而自己本身也不受其他信号的影响。 红外发光二极管的介绍 红外发射部分的主要元件为红外发光二极管，实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光 [9]。 在其实际应用中要加上反向电压，才可以正常工作，它发出的红外线的波长在 940 毫米左右。 在这需要注意的是 ： 在调试 时 ，如果不知道红外发光二极管是好是坏 ，能否正常工作，可以用万用表的电阻档量他的正反向电阻。 红外发射部分的介绍 单片机 在空闲时候，功耗比较低，比较节能。 当出现语音命令时，语音识别模块会在触发状态下采集语音命令进行分析，并将结果传给单片机，产生串口中断，这时单片机会调用命令函数关闭串口中断，同时开启定时器中断，定时器T0 作为红外线发射频率控制器，当 T0 定时溢出时中断程序使红外管接口电平反转一次，写入定时器的初值不同，在输出端口就得到不同的发射频率 [14]。 在语音识别模块的论述中讲到，语音芯片会将采集到的语音信号与放好的关键词列表进行 匹配得到最优结果，这个结果会以串口的方式发送给单片。 单片机 接收到这个最优结果以后，会打开定时器，产生一个个的高低电平。 即完成了发送信号的编码，产生了一个脉冲串信号。 这个脉冲串信号载有相应的信息，通过红外发光二极管发射出去。 红外发射部分硬件连接 这一部分 由 51 单片机 和 红外发光二极管构成。 用来发送二进制信号经过编码以后的脉冲串信号。 它与单片机的连接方式如下图 37 所示。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 12 图 37 红外发射部分的电路图 HS0038 的介绍 红外接收部分采用一体化接收器 HS0038。 HS0038 黑色 环氧树脂封装。 一共有三个管脚：地端、电源端和信号输出端。 它可以不受其他光源的干扰，功耗低，而且灵敏度高。 HS0038 的抗干扰能力较强，成本低，完成对信号进行放大、检波、整形得到 TTL 电平的编码信号，不需要其他外围电路，最后将编码信号传送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象 [15]。 它的引脚及功能如下图 38 所示。 图 38 HS0038 的引脚及功能图 在此需要注意，判断 HS0038 是否可以正常工作时，需要在把上图的第二和第三引脚之间连接一个二极管和一个发光二极管，手拿遥控器对着接收头按下任意键， 如果发光二极管闪烁，可以证明 HS0038 可以正常工作。 红外接 收 过程及硬件连接 红外接收就是对红外信号的接收、放大、检波、整形，之后解调出红外遥控编码脉冲的一种过程 [16]。 注意的是接收的波长为 750~1150 纳米之间。 它的具体实现过程如下图 39 所示。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 13 图 39 红外遥控的实现过程图 红外接收部分只需要 HS0038 就可以完成所需要的功能，不需要外加其他设备， HS0038 与单片机的连接方式如下图 310 所示。 图 310 红外接收电路 图 整体实物图 模拟智能家居系统的实物连接如下图 311 所示。 图 311 整体实物图 单片机 红外发射电路 一体化红外 接收头 单片机 输出调制 发送 接收解调 解码 唐 山 学 院 毕 业 设 计 14 4 智能家居系统软件设计 语音识别模块 语音识别模块的 整体的流程图如图 41 所示。 图 41 语音模块流程图 N 开始 是否为触发状态 采集语音命令 识别语音命令 传送相应的语音命令 系统是否继续识别 结束 Y N Y 串口初始化 芯片通用初始化 语音识别初始化 写列表 等待语音输入 唐 山 学 院 毕 业 设 计 15 由图 35 可以知道，语音芯片通过 与 51 单片机相连接。 在送入语音命令之前，所要做的准备工作如下 ： 把所连接的串口、语音芯片以及一些寄存器初始化 ； 把所需要的关键词列表写入到语音芯片中 ； 等待语音信号的输入。 当 麦克风收集到语音命令时 ， 在语 音芯片内部会以一定的算法将关键词列表与该语音信号进行对比匹配。 将 最终的 结果通过 送入单片机。 要注意的是：对语音芯片、所连接的串口的各种操作都必须通过寄存器的操作来完成，包括设置标志位、读取状态、向 FIF0 写入数据等 [16]。 通用初始化 让芯片还原最初的方式和状态，等待语音命令的输入，这样会更好的识别信息，完成操作。 参考程序如下 ： Void LD_init_Common( ) { bMp3play=0。 LD_ReadReg(0x06)。 /*soft reset.*/ LD_WriteReg(0x1F,0x0)。 Delay(10)。 LD_WriteReg(0x89,0x03)。 LD_WriteReg(0xCF,0x43)。 LD_WriteReg(0xCB,0x02)。 /*PLL setting*/ LD_WriteReg(0x11,LD_PLL_11)。 If (nLD_Mode==LD_MODEMP3) { LD_WriteReg(0x1E,0x00)。 LD_WriteReg(0x19,LD_PLL_19)。 LD_WriteReg(0x1B,LD_PLL_1B)。 LD_WriteReg(0x1D,LD_PLL_1D)。 LD_WriteReg(0x79,LD_LEDMTR_FREQ)。 } ELSE { LD_WriteReg(0x1E,0x00)。 LD_WriteReg(0x19,0x3f)。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 16 LD_WriteReg(0x1D,0x1f)。 LD_WriteReg(0x1B,0x08)。 } LD_WriteR。