基于语音技术的智能家居系统的设计毕业论文设计.doc
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1、 学 院 毕毕 业业 设设 计计 设计题目:设计题目:基于语音技术的智能家居系统的设计 系系 别:别: 信息工程系 班班 级:级: 11 通信(1)班 姓姓 名:名: 指指 导导 教教 师:师: 2 0 1 5 年6 月2 日 基于语音技术的智能家居系统的设计 摘摘 要要 不管人们身处何地,不管人们身在何时,快节奏的生活是共同的特征,智 能化的生活环境成了每一个人的追求。毫无疑问,智能家居系统的出现最符合 人们对居住环境的要求。智能家居是现代电子技术、通讯技术及自动化技术相 结合的产物。不管人们在哪里,不管人们在做什么,都可以随时知道家庭中各 电器的情况,同时也可以控制它们的开启或关闭。 语音
2、识别技术是智能家居的一种不可缺少的技术。包含信号处理、模式识 别和人工智能等领域。 智能家居是新生的一个智能化的系统,本设计模拟了智能家居的工作过程。 本设计中所利用的技术有语音识别技术和红外遥控技术。同时以 51 单片机作为 整个设计的核心,以它来控制整个系统。智能家居让人们有了一个便捷、舒适 的生活环境,同时使人们的生活水平有了一定的提高。在一定程度上,也保障 了人们的生命财产安全。可以让人们很放心的去做自己想做的事情。 关键词:关键词:智能家居 51 单片机 语音识别 红外遥控 Design of Intelligent Home Furnishing System Based on S
3、peech Technolog Abstract No matter when and where we are,fast-paced life is our common feature, intelligent living environment has become our goal for everyone.There is no doubt that the emergence of smart home system in line with our living environment. Intelligent home furnishing is a product comb
4、ined with modern electronic technology, communication technology and automation technology.No matter where people,and what people are doing,you can always know the family situation of the various appliances,but also can control them on or off. Speech recognition technology is an indispensable techno
5、logy.It contains signal processing, pattern recognition and artificial intelligence. Intelligent home furnishing is a nascent intelligent system.The design simulates the working process of the smart home.The design use speech recognition technology and infrared remote control technology,51 microcont
6、roller,as the centrol of the design,controls the system.Intelligent home furnishing so that people have convenient and comfortable living environment,while making peoples living standards have improved to some extent.To some extent,but also to protect peoples lives and property.You can make people f
7、eel comfortable to do the things they want. Keywords: intelligent home furnishing; 51 SCM; voice recognition of infrared; remote control 目 录 1 引言1 2 智能家居系统的前期研究2 2.1 智能家居系统的发展现状及发展趋势.2 2.1.1 国外的发展现状2 2.1.2 国内的发展现状2 2.1.3 智能家居系统发展趋势3 2.2 智能家居系统的预期功能.3 2.3 智能家居系统的设计方案.3 3 智能家居系统的硬件设计5 3.1 单片机模块.5 3.1.
8、1 单片机的简介5 3.1.2 单片机的外围电路6 3.1.3 单片机的硬件电路8 3.2 语音识别模块.8 3.2.1 语音芯片 LD3320 的介绍.8 3.2.2 语音识别的原理9 3.2.3 语音识别模块的硬件连接10 3.3 红外遥控模块.10 3.3.1 红外发光二极管的介绍11 3.3.2 红外发射部分的介绍11 3.3.3 红外发射部分硬件连接11 3.3.4 HS0038 的介绍.12 3.3.5 红外接收过程及硬件连接12 3.4 整体实物图.13 4 智能家居系统软件设计14 4.1 语音识别模块.14 4.1.1 通用初始化15 4.1.2 寄存器的初始化16 4.1.
9、3 写入识别列表16 4.1.4 开始识别18 4.2 红外发射部分.20 4.2.1 红外发射原理20 4.2.2 红外发射程序21 4.3 红外接收模块.23 4.4 模拟电器控制部分.25 5 硬件的调试过程27 5.1 连接语音芯片和红外发光二极管的单片机的调试.27 5.2 红外遥控模块的调试.28 5.3 语音识别模块的调试.28 6 总结与展望29 6.1 结论.29 6.2 前景展望.30 谢 辞31 参考文献32 附录 I33 附录 II34 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 1 引言 心有多大,舞台就有多大。每个人都怀揣着梦想,想要更好的未来,想要 更好的生活
10、,所以每个人都在不断奋斗和创新,这种创新不但推动了个人的进 步,更推动了社会的发展。于是人类的生活越来越方便,人们的居住环境也越 来越智能化。这种智能化在智能家居上就有很好的体现。 语音识别技术在现代生活中有画龙点睛的作用,与很多领域都息息相关。 例如信号处理、模式识别、人工智能等领域。其中国内中科院的自动化所、清 华大学等科研机构和高校等许多研究机构都在从事语音识别领域的研究和开发, 并且国家 863 智能计算机专家组还为语音识别技术研究专门立项,并取得了高 水平的科研成果1。语音识别技术的目标是将人类的语言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,得到了在统计概
11、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。 在使用这些芯片时,可以直接使用。 遥控技术的出现要追溯于 1960 年,它虽然在 60 年代就出现了,但是由于 种种原因,并没有得到理想的发展。七十年代末,随着大规模集成电路和计算 机技术的发展,遥控技术才得到快速发展。红外遥控的特点是不影响周边环境、 不干扰其他电气设备,同时也不容易被其他信号所干扰,是很好的信息传输媒 体,所以目前它在通信方面被广泛的应用。 51 单片机是一款具有有较强的抗干扰能力,运行速度比较高,功耗比较低 的单片机。它可以作为核心处理器来处理信息和控制其他设备,同时价格比较 低廉,性价比很高,
12、所以在很多系统中,都有其应用。 这些技术的配合 51 单片机,可以为本设计成功的模拟智能家居系统,方便 了设计者对智能家居这一课题的研究和学习。 智能家居可以为使用者提供更加舒适安全的生活环境,也可以帮助人们合 理的分配和利用资源。智能家居系统的出现,让人们的幸福感有所提升,符合 现代人的生活理念,相信在不久的未来,它将会普遍被每一个家庭所应用,让 人们每一个人,真正享受智能化的生活。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 2 智能家居系统的前期研究 2.1 智能家居系统的发展现状及发展趋势 2.1.1 国外的发展现状 早在 20 世纪 80 年代,世界上就有智能化的建筑出现。这个建
13、筑出现在美 国,它的智能化体现在它利用了计算机系统去监控楼内的空调、照明等用电设 备。同时可以提供语音通信和电子邮件等服务。在 21 世纪初期,出现了家庭的 智能化系统。这种智能化系统应用于许多的家庭中,帮助人们完成了许多的功 能,方便了人们的生活。世界首富比尔盖茨先生也耗资 6000 万美元打造属于自 己的高端别墅的智能家居系统。科技在发展,国外的这种技术也在不断的完善。 随着技术的成熟,超过一半的家庭都在使用这种家庭智能化系统。 在智能家居系统的研发方面,美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。好 多国家的好多公司都想着研发出属于自己的控制系统。 目前市场上出现的智能家居控制系统主要有 X-1
14、0、EIB 和 8X 等。这些系 统都有属于自己的优势,同样也有属于自己的劣势。X-10 系统采用集中的控制 方式,如果家庭在使用这个系统时,它不需要额外的布线,这是它的优势。但 是在施工方面,需要开槽或者钻孔,所以难度比较高,又由于施工费用比较高, 所以没有应用于国内市场。EIB 系统采用的是预埋总线和中央控制的方式。价 格昂贵,没有满足大部分人的消费观,所以没有应用于国内市场。8X 系统采用 预处理总线和集中控制的方式。该系统日益成熟并且并且相对来说比较符合中 国的国情。但是系统的灵活性不够,所以也没有应用到中国市场。 国外的技术相对来说比较先进,发展也很迅速。但是中国的国情,决定了 不同
15、地域的不同的使用者会有不同的需求。国外的某种技术,也许可以满足一 部分人的需求,但是不适合普遍使用。所以要开发出适合自己的智能家居系统。 2.1.2 国内的发展现状 20 世纪 90 年代以后,中国的智能家居才开始出现,智能小区开始兴起。 中国的智能化的建筑最早出现在上海、深圳和广州等一线的沿海城市,随后大 陆才开始陆续发展的。在 1999 年实施的全国住宅小区智能化技术示范工程,使 人们国家的智能化又上升到一个新的阶段。到目前为止,在中国的某些大城市 中,有近一半的家庭实现了智能化。 中国企业也纷纷推出自己的产品,例如海尔的 e 家庭,这个系列的产品以 海尔电脑作为控制中心,各种网络家电作为
16、终端设备,海尔移动电话作为移动 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 数字控制中心3。海尔也不定时的推出自己的一系列产品包括网络电视、冰箱、 空调、微波炉等。清华同方的 e-home 数字家园,该智能家居控制系统专门针对 中国家庭设计。产品以功能模块开发为主,基于国外成熟的智能家居标准之上。 很明显,跟国外相比较,中国对智能家居的研究起步比较晚,到目前为止 都没有形成一定的标准,现在国内各大软、硬件机构正在积极的研发更为符合 市场的智能化家居设备,用来解决当前智能化产品实用性差,使用复杂及产品 价格昂贵等缺点,技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢,这样的未来真的期 待。 2.1.3 智
17、能家居系统发展趋势 经过哥本哈根会议,中国更明确了节能减排,绿色建筑的目标。为了达到 这一目标,中国势必会建设绿色建筑,铺设智能化系统,智能化系统中的智能 家居系统将会形成一个新的产业,也可以促进中国房地产业的发展。 由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准,许多公司开发出的产品都 是基于自己组的网络和信息交换协议,不具有一般性。技术复杂、接入设备不 能兼容以及成本过高,所以限制了产品的发展,同时限制了产品的普及。所以 现在的目标是设计出一个符合中国国情、操作实用性强、成本低廉、容易推广 和被人们所需求的智能家居控制系统。 做为智能家居的核心系统的智能家居控制系统,它的设计功能的完善必将 推动
18、住宅智能化的发展。而系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化和市场的平 民化将是智能家居控制器的发展趋势,系统也将逐步迈向绿色化。人类所想的 无非也就是可以不费吹灰之力做成自己想做的事情。而智能家居的终极目标就 是可以实现人们的这种梦想,实现智能化。 2.2 智能家居系统的预期功能 本设计中要求语音识别采用 LD3320,完成语音命令的采集与识别,并将结 果传送给单片机;红外发射采用红外发光二极管,在单片机控制下发送相应序 列的红外信号;红外接收采用 HS0038,接受红外信号并解码,传送给单片机。 利用继电器模拟家用电器;用单片机控制整个系统。可以达到预期的功能。 智能家居系统的预期功能是:当对着
19、麦克风下达一个命令时,相应的继电 器模块的指示灯会亮或者灭。同样应用到现实中,所实现的功能也应该是当要 说出一个命令时,家用电器会自动开启或者关闭。减少了人为操作,让人们真 正享受智能化的生活。 2.3 智能家居系统的设计方案 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 本设计综合性相对比较高,要软硬件相结合。解决了软件问题,还需要知 道模拟智能家居系统的硬件是如何工作的。其工作过程:智能家居系统由麦克 风、语音芯片 LD3320、红外发光二极管、单片机以及红外一体化接收器 HS0038、继电器等硬件组成。语音信号被麦克风收集并传送到语音芯片内部, 语音芯片内部已经放置好关键词列表,收集到
20、的语音信息与原先放好的语句进 行匹配和对比,得到一个最优的结果,这个结果通过串口发送给单片机,单片 机作为核心控制器可以控制红外发光二极管发出载有相应信息的的红外信号, 红外一体化接收器接收后,通过解调还原出发来的信息从而去控制继电器的开 或者关,从而来模拟实现智能家居系统。智能家居系统的整体设计框图如下图 2-1 所示。 语音 信号 LD3320 识别 数据 单片机红外发射头 红外信号 红外遥控接收头 单片机 控制信息 实现相应功能 继电器 继电器 图 2-1 智能家居系统设计框图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 3 智能家居系统的硬件设计 3.1 单片机模块 3.1.1 单
21、片机的简介 单片机全称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer) , 又称(Micro Controller Unit),是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机, 片内含 CPU、RAM、ROM、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定时器/计数器、 A/D、D/A、中断系统、系统时钟及系统总线等,它本身就是一个嵌入式系统, 同时也是其他嵌入式系统的核心4。关于其内部结构的简介如下表 3-1 所示。 表 3-1 单片机内部结构简介 名称简介 微处理器(CPU)8 位的 CPU,包括了运算器和控制器 数据存储器(RAM) 可以放数据,内存 128B。最大外
22、扩为 64KB 程序存储器 (ROM/EPROM) 用来放程序,最大外扩 64KB。51 单片机 是 4KB 的 ROM 并行 I/O 口4 个 8 位并行 I/O 口(P0、P1、P2、P3) 串行口 4 种工作方式。可以与其他单片机相连, 实现更加复杂的功能 定时器/计数器2 个 16 位定时器/计数器。 中断系统具有 5 个中断源,2 级中断优先权。 特殊功能寄存器 (SFR) 一共有 21 个。用于 CPU 对片内其他部分 进行管理、控制、监视。 上表介绍了单片机的内部结构,在这里值得说明的是 51 单片机有很多种不 同的型号。区分它们主要依据存储器的配置。在这里以最简单的例子来说明,
23、 8031 芯片内是没有程序存储器的,但是其他型号的芯片里有程序存储器。还有 增强型的存储容量比普通型的存储容量要多至少 1 倍。 介绍完单片机的内部结构,现在来介绍下单片机的引脚及其功能。单片机 分为可总线扩展的和不可以总线扩展的,是因为单片机本身可以满足这些系统 所需要的功能,不需要外扩。 本设计中所使用的单片机采用的是双列直插式的封装结构,一共有 40 个引 脚,本设计中没有用到单片机的所有引脚,只使用了电源端、接地端、串口输 入、外部中断以及 P0P3 的某些引脚。 在这里介绍下各引脚的功能,如下表 3-2 所示。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 表 3-2 51 单片
24、机的引脚功能表 名称功能简介 P1 口 (18 脚) P1 口是一个 8 位双向 I/O 口。当 P1 口的锁存器写入 “1”时,P1 口 可作为输入端。是低 8 位的地址复用总线端口。 P2 口 (2128 脚) 8 位准双向 I/O 口。既可作为普通 I/O 口引脚。也可作为高 8 位地 址总线。P2 口与 P1 口的输出级结构相同,内部都有上拉电阻。整 个端口结构基本相同。 P3 口 (1017 脚) 是双功能静态端口。作为第一功能使用时,其功能与 P1 口相 同。当作为第二功能使用时,又都有各自的定义。 P0 口 (3239 脚) 8 位双向三态 I/O 口线。既可作为普通 I/O 口
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