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智能语音台灯控制器的设计
Ping Lin1 ,YangMing Liu2 ,Yongming Chen1 ,Tao Long3 ,Hujie Wan3 ,Zhiyong Zou3,*
- 盐城理工大学电气工程学院，盐城，中国
- 成都西南交通大学电气工程学院
- 四川农业大学机电学院，雅安 * 通讯作者: 邹子勇 111@163. com
摘要——随着社会的进步，人们在满足了基本物质需求之后，正在追求更加舒适和舒适的智能生活。针对目前台灯光源选择不当、控制方法不方便等问题，本设计采用了传统台灯的亮度控制和智能控制的语音控制，利用非专用语音芯片 LD3320 实现了对台灯的智能控制。硬件部分包括单片机电源电路、最小系统电路、通信电路、关键控制电路、 LED 驱动电路和 LCD 显示电路。在软件方面，实现了由单片机控制的 PWM 驱动程序、键控程序、语音识别程序、语音识别与单片机通信程序以及 LCD 显示程序。测试结果表明，语音识别在 6m 范围内具有 70% 以上的识别准确率，能够正确地控制台灯。
关键词——非特定语音识别; 语音控制; LD3320; 台灯; 控制器
目录
第一章 引言
随着科学技术的不断发展，各种科学技术被用来为生活提供便利，人们同时也探索到了更深刻的科学技术知识。针对中国台灯使用率极高的情况，中国台灯行业由于存在着体积大、依赖固定电源等方面的缺陷，还具有着进一步发展的巨大空间。在光源方面，大多数普通台灯采用白炽灯泡，而 LED 灯工作在直流电下，无闪烁和紫外线，不影响视力，节约能源。就实现的功能和控制方法而言，市场上现有的触摸控制和按键控制等传统方法仍存在操作不方便、控制距离极短等缺点。设计的声控系统极大地方便了用户对台灯的控制，采用非特定语音识别方法识别不同年龄、性别和人群的声音，使用户可以在一定距离内控制台灯，极大地符合台灯控制的操作要求。因此，语音识别控制台灯是非常实用的。
第二章 系统的总体设计
语音控制功能的总体设计如图 1 所示。系统主要由单片机最小系统电路、液晶显示电路、语音控制模块和单片机组成通信电路、键控电路、实时时钟电路、 LED 驱动电路和电源模块电路。语音识别模块通过麦克风接收外部声音信号，然后通过通信电路将识别结果发送给单片机进行处理。接下来，单片机根据语音识别模块接收到的语音信号，通过 PWM 控制 LED 驱动电路来控制台灯。
图 1 系统结构图
第三章 硬件设计
3.1 单片机最小系统电路
STC89C52RC 是由 STC 生产的高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 字节的系统可编程 Flash 存储器，其中含有丰富的片上数据。单片机最小系统由单片机、复位电路和晶体振荡器电路组成，如图 1 所示。哪里的晶体振荡器电路采用11.0592 MHz 的晶体振荡器，可以产生单片机的时钟周期。时钟周期频率越高，运行速度越快。这种晶体振荡器电路可以实现 1mu;s 的精确定时。复位电路由特定的电容串联电阻组成。
图 2单片机最小系统
3.2基于 LD3320 的语音识别模块
LD3320 是一种基于非特定语音识别技术的语音识别芯片。LD3320 的标准电压为 3.3 v，节能模式下的功耗约为1mu;A，非常低。该芯片通常用于两个功能，语音识别控制和 MP3 音频播放，由于内置单声道 16 位 a/d 模数转换，双声道 16 位立体声 d/a 数模转换，20mW 双声道耳机放大器输出，550mW 单声道扬声器放大器输出和其他模块集成在芯片。
所选用的 YS-V0.7 模块集成采用了 LD3320 语音识别芯片及其周边电路，以及处理芯片 STC11L08XE，可实现模块化语音识别处理。对于 LD3320 芯片识别后的模块芯片处理后的相应语音数据信息，采用该模块与主控芯片之间的通信，主控芯片对该模块传输的信息进行相应的台灯控制。LD3320 芯片具有语音识别和语音控制两大功能，集成了高精度 a/d 和 d/a 接口，无需外部辅助 Flash 和RAM 即可实现语音识别/语音控制/人机对话。此外，识别的关键字列表是可动态编辑的。在与其他模块的连接中，芯片支持并行接口和串行接口 SPI 连接。串行模式可以简化与其他模块的连接，但时钟频率不能超过 1.5 MHz。设计中使用了串口通信模式，如图 3 所示的串口通信电路。
图 3 串行通信电路
图4 键盘电路
3.3键盘控制电路
四个触摸开关组成一个键盘电路，控制台灯，防止因语音控制故障造成的损坏。四个触摸开关分别连接到 P1.5，P3.3，P3.4 和 P3.5。单片机的键盘电路图如图 4 所示。键盘功能描述如下: 键 1 是时间设置键，键 2 是时间加 1，键 3 是时间 MI。NUS 1，KEY _ 4 是调度和转换的移位键。
3.4时钟电路
时间处理模块采用实时时钟电路芯片 DS1302 时钟芯片作为 8 针 VCC1 的备用电源，能够通过串行数据传输方式将准确的时间信息传送给主控芯片，防止单片机断电造成时间不准确，保证时钟准确。在电路设计过程中，32.768 KHZ 晶体振荡器应外部连接针 2 和针 3，即 X1 和 X2 为该芯片，从而提供时钟模块的时钟信号。4 号引脚接地，8 号引脚连接到备用 3V 电源。有线总线和 STC89C52 导致串行同步通信。复位引脚 5 号、数据输入输出引脚 6 号和串行时钟输入引脚 7 号分别连接到主控芯片 P1.0、 P1.1和 P1.2 的三个引脚上，通过突发模式一次传输多字节的时钟信号和 RAM 数据。具体的时间处理模块电路如图5 所示。
图 5 时间处理模块电路
3.5 液晶显示电路
字符模式液晶显示屏 LCD1602 用于数据显示模块，16针 LCD1602 用于设计。Lcd16021 号引脚应接地，2 号引脚连接到 5V 的正电压，3 号引脚连接到 1K 和 10K 的电阻，产生显示的对比度。4 号引脚的寄存器选择端、5号引脚的读写选择端和 6 号引脚的使能引脚分别与主控芯片 P2.5、 P2.6 和 P2.7 的三个接口连接，使单片机能够对显示器进行控制。7ー14 号数据输入输出引脚与主控芯片的整个 P0 端口和 10K 上拉电阻相连。数据显示模块电路如图 6 所示。在单片机通电后，对语音识别模块中的控制芯片进行编程，通过麦克风收集语音信息，由芯片实现语音比较和识别。下一步，模块和主控制芯片应该通信，从而使主控制芯片能够接收相应的信号和响应。关键控制程序、液晶显示程序和时间处理程序应该在主控制芯片中执行。以下是软件编程的详细介绍。
图 6 液晶显示电路
第四章 软件设计
4.1 语音控制模块编程
4.1.1程序设计操作示意图
该台灯除了语音识别控制外，还采用传统的按键控制方式，弥补了语音控制失败或语音控制灵敏度低的缺点，防止了台灯的失效。因此，照明控制的软件设计过程如图7 所示。
4.1.2语音控制模块编程
为了实现语音控制，应该优先考虑通过 LD3320 模块进行语音识别和处理。LD3320 语音识别通过三个步骤实现。首先，LD3320 的初始化设置包括 ASR 的一般初始化和参数初始化设置。一般的初始化设置时钟频率可以确保语音识别ADC 采样的正常使用。ASR 参数设置是语音识别的初始化，包括识别灵敏度等。其次，读入式识别列表支持多达 50 个不同的识别关键字。每个识别项对应一个特定的数字，不同识别项的数字可能是相同的和不连续的。识别项目是小写的标准汉语拼音。最后，MIC 输入应该打开，AD 采样开始，DSP 激活，ASR 模块的语音识别开始。LD3320 由语音识别模块上的控制芯片驱动，以启动循环中的语音识别过程。MIC 采集语音信号后会有一个中断，在此过程中，将识别出的语音信号与算法设计的语音信号进行比较，得到最优的识别答案。对于无效的语音信号，它进行下一个语音识别。有了有效的语音信号，符合数据的信号传送到主控芯片进行处理和相应的操作
图 7 灯光控制流程图
4.2 LED 驱动软件设计
LED由28个小型LED灯组成，灯光均匀，耗电量低，不会引起眩晕。因此，没有必要选择过多的 LED 驱动电路。普通 S8550三极管是 pnp 型硅三极管，工作电压低，电流大，信号小，最大集电极电流 1.5 a。为了实现光的分级调节，LED 灯采用脉宽 PWM 调节方式控制。脉冲宽度PWM调节是通过主控芯片的数字输出来实现的。在一个固定的频率，LED 亮度调整占空比。五档设计是可行的。在语音控制模式下，占空比为 60% ，由语音指令点亮。亮点可以调高两档，暗点可以调低两档。LED灯也可以按照关闭语音指令的 0% 亮度比关闭。
4.3时间处理软件设计
时钟模块是基于 DS1302 芯片的处理模块。在模块内部，对 DS1302 进行读写，以确定精确的时间，实现报警时钟的功能，同时对内置 RAM 和备用电源保持时间同步，断电保留时间。并且应该找到相应的阴历来实现太阳历的转换。一个预定的时间是由钥匙和报警功能是开启的。当时间与预定时间匹配时，蜂鸣器被驱动产生一分钟的声音。
4.4系统测试
插图显示了系统启动的时刻，3 档 LED 亮度。在语音控制台灯模块的调试过程中，台灯由两种模式控制，共有五种亮度水平。钥匙控制有四个键，即开、关、打开和关闭。台灯通过按开灯键来打开。亮度设置为三档，PWM 输出占空比为 60% 。每次按下开启键，PWM 输出占空比增加20% 。台灯被照亮到最大，直到输出占空比达到 100% 。每次按下开关键时，PWM 输出占空比下降 20% 。台灯是最暗的，直到输出占空比达到 20% 。通过按下关闭键，PWM 输出占空比会变为 0，灯就会关闭。对于语音控制，首先设置灵敏度，然后在程序中设置 MIC 增益寄存器的值。这个值的范围从 0 到 255。数值越大，越敏感，有效距离越近。因此，这个值被设置为 40，并且关键字列表被设置。小写的汉语拼音方便了方言的输入。启动命令是“ 开灯”和“ 开门”，它们都是编号 1。关灯指令是“关灯”和“关门”，都是编号 2。打开指令是“调亮”和“亮一点”，都是编号 3。开灯指令是“暗一点”和“调暗”，都是 4。主控制芯片在接收到相应的数字后会做出相应的反应。在测试过程中，模块在通电后是语音控制的。在语音识别过程中，成功率在 4-5 米范围内约为 70% ，在成功识别后，命令可以正确完成。在提高灵敏度方面，可以选择一个更灵敏的麦克风来收集语音，在 5-6 米范围内成功率为 75% 。
第五章 结论
(1)台灯的亮度调节和开关由任何人的声音控制。
(2)识别精度在 5ー6m 范围内可达 70% 以上，完全满足室内台灯语音控制的要求。
(3) 带电池的时钟和自设闹钟提高了台灯使用的实用性。
参考文献
[1] Y.L. Chen, “The present situation a
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