西北民族大學(xué) 鄧天金 王昭武 余 達(dá)

基于單片機(jī)控制的多功能智能語音風(fēng)扇

西北民族大學(xué) 鄧天金 王昭武 余 達(dá)

本文簡(jiǎn)述了一種基于單片機(jī)控制的智能多功能語音風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)以STC11L08XE單片機(jī)為主控制器，通過YS-LDV7語音模塊對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采集識(shí)別，并將該信號(hào)上傳給單片機(jī)進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和開關(guān)，以達(dá)到語音控制的效果。該設(shè)計(jì)還裝有溫度傳感器和時(shí)鐘芯片，通過LCD12864液晶顯示室內(nèi)的溫度、時(shí)間等相關(guān)的工作參數(shù)，以達(dá)人機(jī)交互和多功能的目的。

單片機(jī)；YS-LDV7語音模塊；溫度傳感器；LCD12864液晶；時(shí)鐘芯片

0 引言

隨著家用設(shè)備日漸智能化，電風(fēng)扇這個(gè)老式家居似乎正在被空調(diào)這樣的新型設(shè)備所取代，但實(shí)則不然。市場(chǎng)顯示，電風(fēng)扇依然有著強(qiáng)大的生命力[1]。因?yàn)樗鄬?duì)于空調(diào)具有耗電少、價(jià)格低廉、風(fēng)力溫和等優(yōu)點(diǎn)。但是電風(fēng)扇也存在著不足的地方，如采用傳統(tǒng)按鍵控制，功能少等。針對(duì)這些問題，本小組設(shè)計(jì)了一款能夠通過語音控制的多功能電風(fēng)扇，同時(shí)該風(fēng)扇配有液晶顯示屏，可以顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)、時(shí)間和室內(nèi)溫度，做到人機(jī)交互。

1 總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其主要由STC11L08XE單片機(jī)、YS-LDV7語音模塊、溫度傳感器模塊、時(shí)鐘芯片模塊、LCD12864液晶顯示模塊組成。其中STC11L08XE單片機(jī)作為主要控制器，即主控。通過YS-LDV7語音模塊對(duì)用戶的語音信號(hào)進(jìn)行采集識(shí)別，并將數(shù)據(jù)上傳給主控單片機(jī)，主控通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出相關(guān)指令進(jìn)而控制風(fēng)扇的風(fēng)速。例如，用戶給出“低速”的命令，語音模塊收到后，反饋給單片機(jī)，單片機(jī)分析后進(jìn)而控制風(fēng)扇的慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)在分析用戶的指令的同時(shí)，也在不停的讀取溫度傳感器采集的溫度、和時(shí)鐘芯片內(nèi)的時(shí)間，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示屏，刷新顯示屏顯示的狀態(tài)（見圖1）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)如圖2所示，該圖為整個(gè)電路的核心部分，由STC11L08XE最小系統(tǒng)和語音模塊芯片LD3320組成，共同組成語音模塊。此外該模塊還向外引出了IO口，以便其他外加電路，如溫度傳感器、時(shí)鐘芯片、液晶模塊等都可以從P1口和P2口中選擇接口。通過這些IO口可以控制這些模塊的工作狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 微控制器模塊

該設(shè)計(jì)采用STC11L08XE單片機(jī)作為主控，其相對(duì)于STC89系列的單片機(jī)，它不僅具有STC89系列單片機(jī)原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在原有的基礎(chǔ)上改進(jìn)了許多。該系列的單片機(jī)使用的是增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8～12倍。2個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器T0/T1。內(nèi)置EEPROM功能，且I/O可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到20mA,復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉。因此采用STC11L08XE單片機(jī)作為核心控制器更加符合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 硬件部分原理圖

2.2 溫度傳感器模塊

溫度采集采用DS18B20傳感器，具有微型化 、低功耗 、高性能 、抗干擾性強(qiáng) 、易配處理器等優(yōu)點(diǎn)。采用單線接口方式與微處理器進(jìn)行雙向通行，這也給溫度的提取帶來了極大的方便[2]，且內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能。工作電壓：3-5V的直流電壓，這樣只需將傳感器的信號(hào)口接到單片機(jī)的IO口即可，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，非常便利。

2.3 時(shí)鐘芯片模塊

時(shí)鐘芯片采用DS1302芯片，這是一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，當(dāng)一個(gè)月小于31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。該模塊電路中內(nèi)置一個(gè)小型的紐扣電源作為后備電源。在外部電源斷開后，該后備電源依然可為該部分電路提供電源，做到簡(jiǎn)單的掉電可記憶。其電路與微處理器的接口分別為SCLK、IO、CE，其中IO接口為三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)的讀寫也是通過這個(gè)IO口來進(jìn)行的。

2.4 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用LCD12864液晶顯示器。內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫;分辨率為128*64，其中內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。該模塊可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)，8位并行及串行兩種連接方式。且具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等[3]。相對(duì)于其他顯示器，該模塊不僅功耗低、可顯示內(nèi)容多，而且易操作。

2.5 YS-LVD7語音模塊

該系統(tǒng)硬件的核心YS-LVD7語音模塊。該模塊的核心芯片為L(zhǎng)D3320，該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括AD、 DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。且通過該芯片不需要外接任何輔助的 Flash 芯片， RAM 芯片和 AD 芯片，就可以完成語音識(shí)別功能。芯片只需通過外置咪頭和簡(jiǎn)單的輔助電路與單片機(jī)相連接，即可對(duì)外界語音進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行判斷，從而引導(dǎo)單片機(jī)做出相應(yīng)的命令。

圖3 電機(jī)內(nèi)部電路

2.6 電機(jī)部分

圖3為該設(shè)計(jì)電風(fēng)扇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，使用集成電路RY901及MAC97A6，該電路集開關(guān)、定時(shí)、調(diào)速、模擬自然風(fēng)為一體，所以只需將圖三中的按鍵結(jié)構(gòu)改成與單片機(jī)IO相連接的結(jié)構(gòu)，即可通過IO口來控制該電風(fēng)扇的風(fēng)速，進(jìn)而與語音模相組合，做到智能控制的效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。開始，軟件完成液晶、時(shí)鐘芯片的初始化，然后單片機(jī)一直處于讀取溫度和時(shí)間的狀態(tài)，再通過LCD12864將當(dāng)前時(shí)鐘和溫度顯示在液晶上。當(dāng)用戶說出開啟風(fēng)扇的指令，風(fēng)扇才開始工作。風(fēng)扇可通過語音模塊來調(diào)節(jié)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，此后又將電機(jī)的工作狀態(tài)顯示在液晶上。重復(fù)執(zhí)行該工作，直到電源斷開或識(shí)別到關(guān)閉風(fēng)扇的指令。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STC11L08XE核心微控制器，通過YS-LDV7語音模塊對(duì)用戶的語音進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而做到通過語音控制電風(fēng)扇的效果。同時(shí)液晶在顯示當(dāng)前風(fēng)扇工作狀態(tài)的同時(shí)，也能顯示當(dāng)前的時(shí)間和環(huán)境的溫度。通過語音對(duì)電風(fēng)扇的控制極大的方便了人們的生活，也擺脫了傳統(tǒng)式的按鍵操作，且單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的語音電風(fēng)扇系統(tǒng)，性能可靠，成本較低，適合大眾消費(fèi)，有重要應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)的電路和程序稍加修改，也可以移植到其他家用電器上，如家用臺(tái)燈，電飯煲等，因此具有優(yōu)良的市場(chǎng)擴(kuò)展前景。

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西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院“雙E”項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：20171814）。

指導(dǎo)教師：張國(guó)恒。