一種具有語音功能的智能家用喚醒系統設計

張水利， 吳瑞智， 李歡敏， 屈俊青

(延安大學 物理與電子信息學院, 延安 716000)

0 引言

每天早晨，當我們聽到鬧鐘響起的時候，下意識的反應就是直接把鬧鈴關掉，有時候會由于困乏而本能的躺下，不自覺又睡著了。結果是上課、上班都遲到，耽誤重要的事情[1]。這也進一步說明市場上鬧鐘的設計人性化關懷不夠，迫切需要設計一款人性化的智能喚醒系統。為此，國外有一款地毯鬧鐘Reggie，這款鬧鐘只有被喚醒者在鬧鐘響起時站上去才能將鬧鐘停止，如此就解決了起床困難戶的問題[2]；大連理工大學提出了一種“搖一搖”鬧鐘，當鬧鐘響起時，搖晃鬧鐘達到所設定次數才能關閉鬧鐘，以此來達到使人清醒的目的[3]。武漢理工大學提出了一種“會跑的鬧鐘”，當鬧鐘響起的時候，鬧鐘小車會在地上到處跑，用戶必須起床抓住它才能關閉鬧鐘[4]。另外，杭州電子科技大學、吉林大學、山東大學等眾多學者也進行了智能喚醒系統的相關研究[5]。其研究成果為人性化的智能家居設計提供了新的思路和技術支持[6]，在很大程度上推動了國內智能化系統的發展進步。本文從人性化的角度出發，充分考慮到消費者的使用體驗等問題[7]，設計了一款具有語音功能的的家用智能喚醒系統，系統根據人們預先設定的起床時間，慢慢調整周圍的光照強度，聲音由低漸高地起喚醒熟睡中的人們，同時，以溫柔的語音提示當天的室外溫度來提醒人們穿衣厚度指數等。本系統不僅能滿足普通人的喚醒需求，也能滿足老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求，具有一定的應用前景。

1 系統的設計方案

本智能家用喚醒系統是以STC89C51單片機為主控芯片，由單片機最小系統、溫度檢測、實時時鐘模塊、PWM波調光、具有語音提醒功能的鬧鐘模塊、顯示和按鍵模塊等幾個部分組成。STC89C51單片機最小系統作為主控模塊，時間、日期信息的采集由DS1302時鐘芯片來完成，溫度的獲取用DS18B20溫度傳感器來實現，時間和溫度等的顯示主要是在LCD12864液晶顯示器中完成的；通過按鍵完成日期、時間的初始化設置和鬧鐘的設定；借助PWM波的變化實現喚醒燈自動調光；采用語音模塊完成鬧鐘喚醒和溫度提醒功能。家用智能喚醒系統設計原理框圖，如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2 硬件電路設計

2.1 控制模塊的設計

控制模塊負責整體電路的主要工作，是智能家用喚醒系統最重要部分?？刂颇K，如圖2所示。

由最小系統和按鍵控制電路兩個主要部分。晶振電路和復位電路是單片機最小系統必不可少的部分。單片機正常工作時的工作速度是由晶振電路提供的，在本系統中選取的是12 MHz晶振。圖中C1和C2(30pF)電容能夠使單片機迅速起振，且工作時的頻率達到穩定。晶振的一端接XTAL2(19)，另一端接是XTAL2(18)，兩個電容并聯接在振蕩源之間，能在工作時為單片機提供能更好的服務。復位電路是單片機的準備工作，包括上電復位和按鍵復位兩種模式。在按鍵復位中，電容C3取值為10 uF，電阻R取值為10 kΩ，K5是為實現按鍵復位而設置的。在上電復位中，由單片機運行后給定的高低電平直接實現復位功能。在按鍵控制電路中，設置五個按鍵實現設計所需的要求。按鍵有四個接腳，兩個相連的之間導通，按鍵一端接單片機的I/O接口，另一端接地，由低電平完成按鍵操作。五個獨立按鍵實現的功能分別有確認返回、加一、減一、鬧鐘開關及喚醒燈開關，按鍵K1、K2、K3、K4和K5分別與單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4引腳連接。

圖2 控制模塊電路圖

2.2 時鐘模塊的設計

時鐘模塊有兩個電源，時鐘電路與單片機連接，利用軟件編程實現，將時間信息在顯示器上顯示。DS1302時鐘芯片與單片機的通信接口由3條線組成，VCC接在系統電源上，GND接在地端， RST復位管腳與單片機的P2.2端口連接，實現了時鐘電路在復位時由低電平跳變成高電平并啟動一次數據傳輸的過程，SCLK管腳與P2.1端口連接，時鐘輸入端將記錄的脈沖信號存入時鐘芯片，I/O管腳與P2.0端口連接，數據線輸入輸出記錄的時間數據。根據電路的需求，可在三線上加上拉電阻，由于P2口內部的緣故，本系統連接的單片機P2接口也可不加電阻。DS1302時鐘電路在設計中的原理圖，如圖3所示。

圖3 時鐘電路原理圖

2.3 溫度檢測模塊的設計

溫度檢測模塊中利用DS18B20采集溫度，早晨智能系統通過鬧鐘喚醒主人之后，通過語音系統提醒當前的溫度。溫度模塊經與單片機通信，將采集到的溫度送到顯示器顯示，最后由ISD1760語音模塊播報溫度值。DS18B20與單片機的通信只需將DS18B20的I/O口與單片機的的一個雙向端口I/O口相連即可。

2.4 語音模塊的設計

語音模塊中采用語音錄放功能強大的語音芯片ISD1760，語音模塊除起到響鈴功能之外，還提醒人們當前溫度并給出穿衣建議。通過STC89C51單片機的P3口完成與ISD1760的通信。ISD1760芯片是在8KHz采樣率下的錄音，錄音經過麥克風輸入，為得到較好的聲音效果，選擇喇叭來進行播報，同時，電路選取合適的電阻和電容來配合語音模塊完成各項功能。語音芯片的MISO管腳接單片機的P3.2引腳實現數據的輸出，ISD1760輸出的數據信號從MISO引腳被單片機接收存儲；語音芯片MOSI管腳與單片機的P3.3口實現數據的輸入，所需的讀入操作和放音地址都是從ISD1760的MOSI管腳輸入的；語音芯片的SCLK與單片機的P3.4端口連接實現時鐘輸入；P3.5管腳接語音芯片的片選引腳SS用來控制芯片是否選通。SP+和SP-端口分別接外接喇叭的正負極。語音模塊電路，如圖4所示。

2.5 顯示模塊的設計

顯示模塊中采用12864液晶顯示器。12864顯示器是數字式的接口，能在顯示屏上顯示智能鬧鐘的數據，采用并行接口與單片機系統連接。在液晶顯示器和單片機連接時，顯示器的數據線DB0(7)-7(14)與單片機的P0.0-P0.7相連接，且需要10 K的上拉電阻。VO端口接一個103的電位器，通過改變電位器的阻值來調整液晶顯示器的亮度。PSB引腳在高電平時選擇并口，低電平時選擇串口的接法，引腳NC不需要接任何管腳。液晶顯示模塊原理圖，如圖5所示。

圖5 液晶顯示模塊電路圖

2.6 PWM喚醒燈模塊設計

調光模塊設計中，采用了較為簡單的三極管驅動LED電路。根據設計需要，選用大功率三極管驅動喚醒燈模塊[8]。STC89C51單片機本身不具備PWM配置，通過軟件產生PWM波以實現自動調光的功能[9]。利用PWM波對LED中的正向電流進行調節來控制LED的亮度，從而達到模擬早晨日光的效果。LED燈串聯一個上拉電阻限流來對二極管進行保護。用NPN型三極管實現電流的通斷，PWM波由單片機的P3.6輸出，低電平有效。單片機上電后設置鬧鐘時間，在設定的時間范圍內調光電路開始啟動，喚醒燈模擬早晨日光的變化效果。

3 軟件系統設計

采用Keil C51軟件作為編譯軟件，軟件任務選用C語言編程來完成。系統的軟件部分主要包括：單片機主控部分、LCD12864液晶顯示部分、時鐘控制部分、語音播報、溫度檢測部分、調光及按鍵部分等。主程序對模塊進行初始化，而后調用DS1302時間處理子程序、讀溫度、處理溫度、顯示、按鍵及語音錄放子程序等模塊。系統的整體程序流程圖，如圖6所示。

4 總結

設計了一款具有語音喚醒功能的智能家用喚醒系統。本系統采用PWM波調節喚醒燈亮度， ISD1760語音模塊播報當前溫度和穿衣建議，通過按鍵可以設置具體的時間和日期及鬧鐘等。系統通過單片機控制，可在設定鬧鐘的時間到達之前啟動喚醒燈，待喚醒燈亮度最大時鬧鐘開始響起，并

且語音提醒溫度和時間等信息。這款設計有一定的可行性和人性化等特點，不僅可以用在滿足普通人的喚醒需求，又可以用于老年人以及有耳疾的殘疾人的喚醒需求等場合，在一定程度上體現了智能化。

圖6 流程圖