语音窗帘的设计.doc

德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文 德州科技职业学院德州科技职业学院毕业实习论文毕业实习论文设计课题设计课题： 语音窗帘的设计语音窗帘的设计 院系名称：院系名称： 机电工程系机电工程系 班班 级：级： 1010 机电机电 3 3 班班 学生姓名：学生姓名： 张云凤张云凤 学学 号：号： 100201324100201324 指导老师：指导老师： 万俊贺万俊贺 时时 间：间： 德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文 摘 要本论文主要对利用 89C51 单片机 ATmega16 设计一种智能遥控窗帘系统设计的问题进行了研究。针对智能遥控窗帘系统的功能要求，本设计以 ATmega16 单片机为核心器件。其主要模块有单片机控制系统，电机驱动模块，光敏检测模块，红外线收发模块，显示模块和电源模块。利用光敏二极管检测光照强度的变化，单片机通过电机驱动模块控制着电机的正反转实现窗帘的来回移动，由遥控器控制选择工作模式，构成一个只能遥控窗帘控制系统。其中，光敏控制模块由光敏二极管和 NE555 定时器构成，电机驱动模块采用 ULN2003 实现电机的驱动，而红外线收发模块由红外遥控器和红外线一体化接受头构成，电源模块实现给整个系统供+5V 的电源。经过程序编制，制作电路板和调试，基本达到了我们所期望的系统功能。本文设计具有硬件结构简单、操作方便、功能实用和在智能家居等领域应用前景广泛等的特点。关键词：关键词：89C5189C51 单片机；智能；红外线遥控；光敏电阻单片机；智能；红外线遥控；光敏电阻德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 III 页共 11 页 AbstractIn this thesis, the use of 89C51 microcontroller ATmega16 design an intelligent remote control the curtain system design issues.Intelligent remote control curtain system functional requirements, the design ATmega16 microcontroller as the core device. The main module is a single chip control system, motor drive module, photosensitive detection module, infrared transceiver module, display module and power module. Photodiodes detect light intensity changes, the microcontroller through the motor drive module controls the the motor reversing curtains move back and forth, controlled by the remote control to select the operating mode, constitute only a remote curtain control systems. Photosensitive control module consists of a photodiode and NE555 timer ULN2003 driver of the motor, the motor drive module, infrared transceiver module integration by infrared remote control and infrared to accept the first constitution, the power supply module for +5 V to the entire system power supply. After programming, the production of circuit boards and debugging, reaches the desired system functionality.This design has a simple hardware structure, easy to operate, functional and practical and widely-to-peer application prospects in the field of intelligent home features.Keywords: 89C51 microcontroller; intelligence; infrared remote control; photoresistor德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 IV 页共 11 页 目 录摘摘 要要.IIABSTRACT.III绪绪 论论 .1一、声控窗帘的基本原理一、声控窗帘的基本原理 .21. 89C51 单片机 ATMEGA16 简介 .22 驱动芯片 ULN2003 简介 .33 .红外线接收的基本原理.44. 光敏电阻的基本原理.4二、二、系统概要设计系统概要设计.51.声音控制基本原理.52.声音识别系统设计.63.语音命令提取单元.64.语音识别单元.75.逻辑控制电路.8结结 论论 .1德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 1 页共 11 页 绪 论生活在提高,时代在进步,人类在向文明迈进,不同的时代对居住空间、环境有不同的要求,这是社会的必然潮流。单片机控制的声控窗帘遥控系统,既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便,又显示出了生活的档次,同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关,以调节室内的光线,更进一步地满足了人们的享受要求。所以该产品能形成大规模生产,很快会普及全国市场,产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外,该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所,因此该产品具有广阔的市场前景。声控窗帘系统在我国还刚刚兴起,但其发展前景广阔,推广和应用声控窗帘系统具有重要的现实意义。其一,改变人们的生活方式。单片机控制的遥控声控窗帘系统具有丰富的智能化功能,为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。单片机控制的遥控声控窗帘只用一个多功能遥控器就能控制和监测住房的窗帘开关问题，给人们日上生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式,并提高了人们的生活质量。其二,牵动一大批产业。单片机控制的遥控声控窗帘产品面向家庭用户,其应用市场是庞大的,发展前景也是广阔的,必将吸引大批有远见的各类企业介入,从而牵动一大批产业的发展。这里最先受益的应该是房地产业，单片机控制的遥控声控窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点”，同时也是直接提升住宅档次的一个条件,这将会给房地产商带来新的利润空间。在家居集成化、网络化的趋势下,家居集成也成为一种潮流,许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。其三,开拓一个崭新的市场。遥控声控窗帘系统牵动了许多的行业,它将不仅仅是目前的 IT 系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场,而且是专业公司和智能化装饰公司的市场。随着声控窗帘热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用,声控窗帘已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向,在不久的将来,没有声控窗帘系统的住宅肯定不合潮流。从目前的发展趋势来看,在未来的 20 年时间里,声控窗帘行业将成为中国的主流行业之一,其市场的发展前景是非常广阔的。德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 2 页共 11 页 一、声控窗帘的基本原理1. 89C51 单片机 ATmega16 简介单片机是本设计的核心部分，主要担任驱动电机、处理光感信号和驱动LED闪烁等作用，由于本设计无需做大量的运算和控制，采用一个8位的MCU即可，常用的单片机有51系列、PIC系列和89C51系列等。考虑到89C51的mega16单片机集成功能强大，运算速度快，价格低廉，性价比高，故优选之。作品的电机部分和旋转显示部分各需要一片单片机，其中电机部分不做过多的要求，选用常规40引脚M16单片机即可，而对于旋转显示部分，为了降低电机的功率，要求模块体积尽量小、轻，故选择44引脚贴片M16。ATmega16是基于增强的89C51 RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 89C51 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATmega16 有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 3 页共 11 页 本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于89C51 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。通过将8 位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。2 动芯驱片 ULN2003 简介ULN2003 是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。输入 5VTTL 电平，输出可达500mA/50V。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿阵列，由 7 个硅 NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿管都串联一个 2.7k 的基极电阻，在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 COMS 电路直接连接。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003 是高耐压、大电流、内部由 7 个硅 NPN 达林顿管组成的驱动芯片，其引脚图如图 2 所示。图 2 ULN2003 引脚图ULN2003 的封装采用 DIP16 或 SOP16。ULN2003 可以驱动 7 个继电器，具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管，使器件可用于开关型感性负载。每德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 4 页共 11 页 对达林顿管的额定集电极电流是 500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。3 .红外线接收的基本原理红外数据通讯实际是利用红外线作为通讯载体,由红外发射器和红外接收器来完成信号的无线收发。在发射端,对发送的数字信号经适当的调制后,送入电光变换电路,驱动红外发光二极管发射红外光脉冲;在接收端,红外接收器对收到的红外信号进行光电变换,并进行解调后,恢复出原信号。在红外数据通讯中,红外接收器件的选择是红外数据通讯中至关重要的因素。4. 光敏电阻的基本原理光线采集部分采用光敏电阻感光，通过测量它的电压来判断光的强弱。采用光敏电阻主要原因是，它的用途很广泛，而且容易购买，它的分类也有很多种，所以我们要先了解一下它的结构及其原理，才能选择好我们这次设计所需要的型号，下面介绍光敏电阻的基本情况。光敏电阻器的简介：光敏电阻器属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及 r值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机、太阳能庭院灯、草坪灯、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控玩具、光控灯饰、灯具等光自动开关控制领域。光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示， 电路符号：光敏电阻的结构： 图 3 光敏电阻的结构德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 5 页共 11 页 1-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极;5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。 图 4 金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 常用的光敏电阻器有 MG41MG45 系列，它们的额定功率均在 200mW 以下。二、 系统概要设计1.声音控制基本原理声控技术是模拟人的听觉和理解系统而实现控制的技术。一般的声控电脑设备在应用之前都要进行长时间“训练”。这个“训练”过程类似教婴儿听说，首先，要把我们知道的告诉声控智能设备，比如一句话怎么说才正确，智能设备在“学习”这些话时，会把这些话拆成字或拼音中的声母和韵母去一点一点学习。这个“训练”或“学习”过程很费时间，当然，“学习”时间越长，该声控设备也越灵。当经过多次训练，电脑的记录与人们的正常发音匹配后，即可实现语音控制。即：操作者发出某声控智能设备学习过的语音指令，该设备会采集语音，并自动分析、对照，当接收的语音指令，与智能设备的记录相匹配时，即可触发智能设备相应动作，该设备即可根据事先编制的程序，自动实现一系列的操作。声音识别的过程如下图所示：德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 6 页共 11 页 图 1 声音识别工作流程2.声音识别系统设计语音信号输入后首先经过滤波器，去除干扰及可能造成混淆的成分，然后由前端处理模块提取语音识别所需的特征参数。当前语音识别所用的特征参数主要有两种类型：线性预测倒谱系数（LPCC）和 MEL 频标倒谱系数（MFCC）。LPCC 系数主要是模拟人的发声模型，未考虑人耳的听觉特性。它对元音有较好的描述能力，对辅音描述能力及抗噪性能比较差，而其优点为计算量小，易于实现。MFCC 系数则考虑到了人耳的听觉特性，具有较好的识别性能。但是，由于它需要进行快速傅立叶变换，将语音信号由时域变换到频域上处理，因此其计算量和计算精度要求高，必须在智能控制器上完成。语音识别模块的作用是将输入信号的特征与模板库中已训练好的语音模板进行比较识别，找到最好的识别结果。现在应用较为广泛的语音识别的算法主要有以下几种：动态时间规整、离散隐马尔可夫模型、连续隐马尔可夫模型、人工神经网。而由于要利用声音识别芯片组成一个完整的语音识别系统，因此除了语音识别功能以外，为了有一个好的人机界面和识别正确与否的验证，该系统还必须具备语音提示（语音合成）及语音回放（语音编解码记录）功能。3.语音命令提取单元语音命令提取单元可在电视话音和其它噪音背景下，完成提取出操作者语音命令功能，其示意图如图3所示。德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 7 页共 11 页 MIC 选用驻极体送话器，它具有结构简单、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等优点，但灵敏度较低，必须再加放大器才行。由于输出阻抗可高达108 数量级，所在必须进行阻抗变换后才能与放大器配合使用。放大器采用差分放大电路，一个驻极体送话器面对送话者，其输出接送放大器正向输入端；另一个驻极体送话器背对送话者，其输出接放大器负向输入端。由于两个送话器相对于电视机和其它噪声源的位置基本一样远，可以近似认日通过二者输入的干扰是一样的。但考虑到送话器具有方向性，前者送入的操作者语音命令远远大于后者，适当选择各电阻值可以抵消掉各种干扰。放大器采用运放（OPAmps）MAX495（单电源供电+2.7+6V）。4.语音识别单元语音识别单元主要由 LD3320和非易失性 SRAM 组成，大体构成如图4所示。语音识别功能由专用语音芯片 LD3320完成，LD3320是一种新颖功能齐全的语音识别集成电路，内含除 SRAM 以外语音识别所需的全部电路，如 CPU、A/D 转换器、ROM、语音放大器、压缩器、滤波器、振荡器及接口电路等。TSG410具有双德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 8 页共 11 页 列直插和贴片两种封装方式，可工作在 CPU 控制和人工控制两种模式下。语音识别的响应时间典型值日300ms，最长不超过600ms。且识别容量大，最多可识别40个字段，且分段方式灵活。为了 CPU 管理方便，可以将多个字段进行分组，分别编号LD3320的每个字段时间长度可以在0.9s 和1.92s 之间选择。按正常人的讲话速度，每秒吐字24个，如选择0.9s，则每个命令字段以13个字为宜，选择1.92s 则最大容量为8个汉字，但可识别的字段数减少为20个。我们选择一种分段方式，语音命令以3个字左右为宜。因此，电灯控制命令设计“开灯”、“观灯”、“闪灯”三种，窗帘控制命令则设计“关窗帘”、“开窗帘”、“停”、“继续”四种。语音命令差别越大越不容易出现错误识别。系统要正常工作，必须首先建立语音样本，为防止语音样本因为掉电丢失，SRAM 选用内带掉电保护电池的非易失性 SRAM，即 NVSRAM（non-volatileSRAM），掉电后其数据可保存10年以上，用法同普通 RAM。5.逻辑控制电路整个逻辑控制电路如图5所示。LD3320通过电路输出端子排输出识别结果，经必要的译码、并加载驱动后，即可用于控制后面的执行装置。德州科技职业学院机电系一体化专业毕业论文第 10 页共 11 页结 论本次毕业设计的主要内容是关于 89C51 单片机的智能遥控窗帘的设计。给出了各个模块的硬件电路设计，同时也介绍了软件设计。通过本次毕业设计，设计出了一种 89C51 单片机的声控窗帘系统。从硬件的选择到程序的设计都考虑开发的成本和系统的整体的性能,要求做到体积小、重量轻、单一电源、低功耗、功能强、价格低廉、抗干扰能力强等特性。德州科技职业学院机电系