基于單片機的智能家居語音控制系統設計

謝振宇 劉 偉

（桂林理工大學，廣西 桂林 541006）

在國家最近加速部署5G 網絡的社會大背景下，適應5G 網絡結構的傳送網規劃及建設已經成為目前任務的重中之重[1]。智能家居正是在信息化影響之下物聯網技術的一種應用，智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備（電燈、風扇、空調和窗簾等）連接到一起，提供照明控制、風扇控制、空調控制、窗簾控制等多種功能。

本設計預期目標有五點，一是實現非特定人語音控制電燈，風扇，空調和窗簾的啟動和關閉；二是實現非特定人語音控制風扇的轉速，使得風速可以進行調節，既可以提高風速也可以降低風速；三是實現非特定人語音控制窗簾的運行狀態，使得窗簾可以在開啟或關閉的過程中主動停止；四是實現非特定人語音關閉所有啟動的家居設備，使得關閉的過程得以簡化；五是利用指示燈和液晶屏幕分別指示各個家居設備的運行狀態。

1 系統設計方案

本次單片機選用STC12C5A60S2 芯片作智能家居語音控制系統設計的核心控制處理單元。系統的供電使用USB 數據線與電源連接。系統的語音識別使用語音識別芯片LD3320，通過分別編寫需要進行識別的語音模塊程序和語音控制程序并分別對語音識別芯片和單片機進行燒錄來實現語音識別。單片機工作時需要時鐘頻率，系統晶振電路模塊負責給單片機提供穩定的時鐘頻率，使得單片機正常工作。復位電路模塊負責給單片機進行復位，系統設計上選擇利用復位按鍵進行手動復位。液晶顯示模塊負責將單片機傳輸過來的系統數據顯示在液晶屏上，直觀顯示不同設備的開關狀態。繼電器電路模塊負責模擬空調的啟動和關閉；步進電機驅動模塊負責模擬窗簾的開啟和關閉，還能實現停止（暫停）窗簾的功能；直流電機驅動模塊負責模擬風扇的轉動，可以實現提高和降低風速的功能；LED 指示燈模塊負責模擬電燈的開啟和關閉以及充當各個設備運行時的指示燈。系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 智能家居語音控制系統框圖

2 系統設計

2.1 單片機最小系統

本次系統電路設計的核心單片機型號是STC12C5A60S2 單片機芯片，相較于傳統51 單片機，其擁有加強版CPU 芯片，并且兼容傳統8051 單片機的系統結構。該單片機芯片擁有8 位P0，P1 口和P2 口，其獨特的2 路PWM 接口是此次設計將其選為核心單片機的原因之一。

本次在單片機的最小系統中使用了復位電路模塊，用以復位單片機的數據；使用了晶振電路模塊，用以給單片機提供時鐘。復位的主要作用是把特殊功能寄存器的數據初始化為默認數據，以使程序重新開始運行。單片機的正常工作離不開時鐘信號的驅動，時鐘的本質就是提供穩定頻率。單片機最小系統原理圖如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統原理圖

2.2 語音識別模塊

語音識別芯片LD3320 是語音識別模塊的核心，系統通過語音識別模塊可以接收非特定人語音，語音識別模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 語音識別模塊原理圖

語音識別模塊通過對語音識別芯片LD3320 進行編程和燒錄，可以實現對非特定人的語音進行識別，將工作指令傳達給單片機的INPUT 輸入端，作為擔任智能家居語音控制系統設計中語音識別任務的模塊，其重要程度可見一斑。

2.3 液晶顯示模塊

本次系統設計選用LCD1602 液晶顯示器，它可以顯示字符、字母和數字，該液晶顯示器通過讀取單片機在OUTPUT 輸出端的數據，可以清楚地在液晶屏幕中顯示系統電路中各個家居設備的運行狀態。液晶顯示模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 液晶顯示模塊電路圖

2.4 LED 指示燈模塊

本次系統電路中選用多個不同單色LED 燈作為各個家居設備的響應指示燈，實現LED 燈的多顏色指示功能。不同的家居設備其對應響應的LED 指示燈將顯示不同的顏色，便于區分不同的家居設備。LED 指示燈模塊原理圖如圖5 所示。

圖5 LED 指示燈模塊原理圖

2.5 繼電器電路模塊

本次系統電路設計了繼電器電路模塊用以模擬智能空調的開啟和關閉[2]。空調繼電器是空調的一個核心電器元件，繼電器電路模塊在設計時使用了一個三極管來驅動電路進行工作，還使用了一個LED 燈來充當指示燈指示模塊工作。當空調繼電器工作時，電路中的LED 燈就會亮起。繼電器的作用是可以使用較小的電力來驅動電磁鐵帶動接觸片去承載大電流，這也是選擇繼電器來模擬智能空調的原因。繼電器電路模塊原理圖如圖6 所示。

圖6 繼電器電路模塊原理圖

2.6 步進電機驅動模塊

步進電機驅動模塊是模擬智能窗簾工作的模塊，電機的轉軸可以模擬窗簾的啟動，停止和關閉功能。由于單獨一個步進電機無法工作，在系統電路的設計中，我們需要加入步進電機驅動芯片ULN2003 對步進電機進行驅動，使其得以正常工作。采用ULN2003 驅動芯片來驅動步進電機，啟動模式時，進入電機驅動程序，P1 口的低4 位對應步進電機的4 相的線，每輸出一個脈沖中間間隔1 個延時，等待第二個脈沖輸出，每個脈沖代表一個步距角，電機運行的時候，累計計算輸出脈沖個數，就可以計算出當前轉動的角度[3]。

2.7 直流電機驅動模塊

直流電機驅動模塊是模擬智能風扇工作的模塊。在系統設計的要求中，智能風扇在可以開啟和關閉的同時還需要可以調節風速，即提高與降低風速。直流電機采用帶有USB 接口的小風扇，想要驅動風扇工作，需要加入電機驅動芯片L9110H。L9110H 是控制驅動電機的專用電機驅動芯片，它可以直接驅動電機的正反向運動，具有較大的電流驅動能力。使用PWM（脈沖寬度調制）調節電機占空比的方法來實現風扇調節風速的功能[4]。直流電機驅動模塊原理圖如圖7 所示。

圖7 直流電機驅動模塊原理圖

3 軟件設計

3.1 語音識別程序流程

語音識別模塊成功通過語音觸發口令處于激活狀態時，語音輸入的關鍵字與預先在程序中寫入的關鍵字相符合的時候，此時語音識別模塊就會將識別的結果傳輸給單片機，單片機會根據傳輸過來的語音指令控制相應的智能家居設備進行工作。在語音識別程序的編寫上，可以通過程序預先設置相應語音代碼指令所對應的智能家居設備此時的工作狀態。

3.2 單片機控制主函數程序流程

單片機控制主函數是直接控制整個系統電路的智能家居設備工作與運行狀態的主程序。在主函數中，需要先定義各個智能家居設備與單片機的引腳連接，然后定義控制函數，控制函數的作用是單片機接收語音識別的指令代碼并在對應的代碼下設置此時相應的智能家居設備工作狀態。

4 結論

該設計將智能家居的概念和語音識別技術進行了結合，提供了一種利用單片機進行簡易的語音控制智能家居的方案。系統電路的的硬件設計包括STC12C5A60S2 單片機、USB 供電電路模塊、晶振電路模塊、復位電路模塊、語音識別模塊。液晶顯示模塊、繼電器電路模塊、步進電機驅動模塊、直流電機驅動模塊、LED 指示燈模塊。系統電路的軟件設計有兩大部分，分別是語音識別模塊程序設計和單片機控制模塊程序設計。