智能家居的灯光与音乐语音控制系统

1、摘要随着人们生活水平的提高，许许多多的智能化科技走进人们的生活，实现了 科技与人文的有机结合，而在这其中，智能化家居的发展更是引人注目。它涉及 到了人们生活基本的要求。并尝试提供更为便捷和人性化的服务。而在智能化家 居里面，多种多样的系统控制方式成为了智能化家居的研究重点。不同的控制方 式各有千秋，但不外乎高效便捷和人性化两个方面。本次设计的主题选择了智能 化家居的语咅控制上。语咅控制在智能化家居中占冇十分重要的地位。说到便捷， 没有比“张口就来”更为方便的控制方式了。智能化家居的灯光与咅乐的语咅控制，实际上属于智能化家居的多媒体部分， 这一部分充分地体现了科技人文的理念。用语咅控制灯光的开关

2、与音乐的播放， 不仅方便了家居生活，并且使生活充满了许多乐趣。本次设计系统采用stc的 stcl21e5a60s单片机，语咅控制模块采用icroute公司生产的芯片ld3320，采 用keil uvision4软件开发编译，实现了语音对灯光音乐的控制，并加入了简单 的人机交互元素。基本上满足了设计要求。经测试，该系统可以较好的识别特定语音指令并根据指令做出相应耍求，基 本实现了我们的要求。但是基于硬件的局限性，系统还有许多不足之处，我们期 望智能技术的更加进步。关键词：语音控制；音乐；灯光；stc12le5a60s； ld3320abstractwith the improvement of

3、peoples living standarding，many intelligent technology have came into people's lives，to achieve the organic combination of technology and the humanities. in this one, the development of intelligent home is even more compelling. it involves the basic requirements of peoples lives. and trys to pro

4、vide more convenient and personalized service. in the intelligent home, a variety of systems become research priorities of intelligent home control. different control methods has its advantages, but they are convenient and efficient and humane. for the design of the theme we have chosen voice on int

5、elligent home control. voice control occupies a very important position in the intelligent home. for convenience, no one is more convenient than saying can do everying” to control things.intelligent home lighting and music，voice control，actually belongs to the intelligent home multimedia section, th

6、is part fully reflect the humanistic philosophy of science and technology. with voice control light switch and music player, not only to facilitate the home life，and life is full of a lot of fun to make. the system uses the companys stc12le5a60s stc microcontroller，voice control module selection icr

7、oute company ld3320 chip，compiled using keil uvision4 software development， to achieve a voice control of light and music，and adding a simple interactive elements. basically meet the design requirements.after testing，the system can identify specific voice commands and make the corresponding requirem

8、ents in accordance with the instruction. our demands can come ture. however，be based on the limitations of hardware, the system has many shortcomings，we expect more progressive of the intelligent technology.keywords： voice control; music; lighting; stc12le5a60s; ld3320第一章引言1.1选题意义在现代生活节奏日益加快的今天，人们更期

9、望于机器变得更加智能和更加便 于操控。从最初庞大的机器及计算机逐渐演变为现代化的无线通信控制，人们愈 加希望能够直接性地与机器进行自然语言的交流，即我们今天所要做的语音识别 的控制。不同的语音控制系统采取的技术不同，但其基木的原理模式都是通过采集语 音对象的信息，然后与模型库的语音信息进行比对，将最优结果输出到控制端， 如图1-1图1-1语咅识别逻辑思想框图科学技术的生活化，将会对人们的日常生活方式和习惯带来巨大的影响，可 以预见，语音控制在智能家居中的应用将会令人们的生活变得更加便捷与舒适, 而本次设计着眼于智能家居屮的灯光和音乐的语音控制，实际上属于智能家居多 媒体的一部分。1.2语音控制

10、在智能家居中的发展趋势随着科技的进步，越來越多的智能设计理念开始应用于人众生活，许许多多 的科幻电影向我们描述了未来智能家居时代的家庭生活状态，非常令人向往，这 是科学技术和人文理念的一种重要的结合。而且，这不是遥远的虚幻的想象。著 名歌手林志颖，就利用&己创办的科技公司将&己的家变得智能化，并且成功地 将智能化家居应用于商业应用。智能化家居是时代的发展趋势，而语音控制在智能家居中的应用则是一种相当广泛而ii便捷的控制方式。与肢体感应控制方式相 比，语音控制可以更人性化地完成人机交互，并实现ai智能的直观表现，因此， 语音控制将完全有可能成为智能家居控制方式的主流方式。1.3本

11、课题的主要研究内容将语音识别控制应用在智能家居的灯光和音乐的控制中，并能进行一些简单 的人机交互，显示出智能家居屮ai的人性化特点。基本要求： 语音按制灯光的开关及检査； 语音控制播放音乐； 简单的人机交互。第二章单片机及相关器件介绍1.1 stc12系列单片机介绍stc12le5a60s2单片机是宏晶科技公司生产设计的单时钟/机器周期(1t)的 单片机，是兼具高速、低功耗和超强抗干扰的新型8051单片机，指令代码说基 木是完全兼容传统型号8051单片机，但它的速度却是快8-12倍。集成了 max810 专用的复位电路，2路pwm，8路高速和10位a/d转换，专业针对应用电机控制方 面和强干扰

12、场合环境。stc12系列单片机分为5v单片机和3v单片机两种，鉴于ld3320语音识别 模块的工作环境，本次系统设计使用3. 3v的stc12le5a60s单片机。stc12le5a60s单片机片上集成了 1280字节的ram,充分适用本次系统设计 的要求。stc系列单片机在下载程序上非常方便，仅用串口就可实现这个功能。但是 方便起见我们可以使用stc官方提供的isp工具完成程序的下载。时钟源分为两部分：外部高精度晶体/时钟，内部r/c振荡器(温漂±5% ±10%),下载程序的时候，可以选择内部r/c振荡器或者是外部晶体/时钟。 精度要求不是很高时，一般选择使用内部时钟，但

13、因为温漂和有工艺误差的原因， 以实际测试为准。工作频率设罝在22. 1184mhz o2.2单片机选用及其内部结构根据本次设计模块的耍求，我们选用工作在3. 3v的stc12le5a60s。 stc12le5a60s单片机包含了中央处理器(cpu)、数据存储器(sram)、看门狗、程序存储器(flash)、uart串口、定时/计数器、1/0接口及外部晶体振荡电路 和片内rjc振荡器等模块。stc12le5a60s系列的单片机基本包含数据采集和控 制中所需要的所有单元模块，即为片上系统。其内部结构如图2-1:aux-ram<f=ram地址ram1024字节寄存番v256字节n n it勾图

14、第三章语音识别模块介绍3.1ld3320芯片简介ld3320芯片是由icroute公司设计生产，集成了专业语音识别处理器和一些 满足基本需求的外部电路，包括有麦克风接口、音频输出接口、ad/da转换器等 电路的专用于语音识别的芯片它在设计时就集成了实用所需的电路和元器件，语 音识别控制和人机对话等功能可以直接应用。当然，识别的keyword列表是可以 按照需求来编辑的，且编辑十分简单。其特点有： 可以实现单芯片识别，不需要外接其他存储器或者芯片。该算法是 icroute优化变得快速和稳定的，可以是特定的非语音识别。 片内集成了开发公司的语音特征库。所以非特定的语音识别是不需要事先 训练的，并且

15、数据特征库也不需要事先录音。 支持mpeg audio layer3格式的音频播放的功能，无需额外类似音频解码 器和扬声器的辅助器件，主控mcu将mpeg audio layer3数据从flash存储器顺 序输进ld3320芯片里面就可以从对应引脚输出声音。 片内己经集成了 16位的d/a转换器、16位的a/d转换器和一些功放电路， 立体声耳机接口和麦克风接口方便和芯片上的管脚连接。喇叭接口的输出功率是 550mw,而耳机接口的输出的功率为20mw,能够产生响亮并且清晰的声音。 每一次的辨认程序上至多有50条候选的识别句子，辨认句子可以是单个 汉字，词组或者短句子，长度上不要超过了 10个字的

16、汉语拼音发音。另一方面， 识别句子的内容可按照需要修改。 工作环境的供电电压为3. 3v。3.2逻辑框图及简单说明:mbsvrefm1cpm1cn、k>、olinllinkmbsvrkkmuxdacadcl>ac、1vxiirolloirtlcqi»:q2kqjspo、iipokix>itik挖制值号详细说明如下：电压要求：vdda模拟电路的电源3. 0 v-4. 0vddi0数字1/0电路的电源1. 65 v-vddvdd数字电路的电源3. 0 v -3. 3nnvi>i»iovi>i>a并行和串行（sp!a镝入电源clkclockpl

17、 i语音识别运算器设计上就统一使用了 3. 3v的电压输入，这样在设计上实现了简化。将模拟 电压和数字电压隔离可以发现芯片运行上效果更佳。各元件组成：1喇叭音量控制：除利用官方指定的寄存器调整音频输出的功率大小外，利用扣应管脚能够从 芯片外部电路实现对音频输出功率的调节。2寄存器：针对芯片命令、设罝、接受数据、传送数据，都是通过对寄存器的操作来完 成的。举例来说，对一次对语音命令的识别前，设置识别模式，编写辨识的keywords列表，读取识别结果都是利用读写寄存器来取得。播放音频文件吋， 就将相应的mp3文件以循环方式输送到fifo所对应寄存器。3串行接口:串行接口是通过spt协议和主控mcu

18、连接的，首先是将md接上高电平，而 将spis： 1：接地。这时只需要使用4管脚：片选、sf>i时钟、spi输入和spi 输出。4并行接口：芯片可以利用并行方式与外部的主控m连接。5复位：复位的信号在vdd/vdda/vddto三者都处于稳定状态后进行。无论是什么正 在进行的操作，复位信号将系统返回到初始状态，使每个寄存器全部复位。如果 此时没有了后续的指令，复位后的芯片将处于休眠的状态。然后如果芯片接收到 了一个csb: 1:信号，芯片可以从休眠转变成工作状态。6时钟：芯片必需连接到外部的时钟，4-48mhz是此芯片可接受的一个频率范围；在 芯片内部有pll频率合成器，这种合成器可以产

19、生需要的频率，以便供内部模块 使用。3.3 ld3320管脚分布图:如图3-2：p2mxk§< sipackihpxstiplzs，p5p6p7cnddvddion-rertvotlvoipp<)s( dd1u(retened)(resened)(reined)(resen ed)(rewned)vddg>ddmicpmicxmonogl>>ihms2s-vemx5g5llpoxhpoll.lzx二l第四章系统软件设计4.1软件开发环境keil c51是keil software公司开发的51系列兼容了单片机的c语言开发 系统。因为与汇编语言相比，c语言

20、在可读性、结构性、可维护性、功能性上有 明显的优势，因而简单易学，方便使用。keil提供了一套完整的包含有宏汇编、c编译器、库管理、连接器和功能强大的仿真调试器的开发方案，通过一个集成 环境将这些部分整合在一起。keil可以在windos环境下运行，方便了中国用户 使用。针对c语言来说，keil是最佳的开发环境选择。keil的编辑界面如图4-h1:ujd332otest.run ; pvjsion 咖 vft .file edit 父lew project flsh qebug peppherals io*h jvcs jflfindow helpjn_nn :23曲沪级 c、;由必d u匕x

21、 /尖 了arg*t l，私 a 9 x j staor»xlh lo332ottst.run.msx j suwuncs.hrig.rwx j lockip.h |b lj target 1b *3 source group 1b 2 lochip.cstdofo«xc.h ld(hip.h 2 re9.rw.h q flkhdef.h asottm.h 2 suofuncs.hb 21 1n.c$td0f08xe.h q ld(hip.h re9.rw.h _ fl«hdef.h j suofuncs.h5 j rcg.rw.cj std0f08xe.h063

22、064065066067068069070071072073074075076077078079080061082083case lo_asr_funimg： case ld:asr二error: break;case ld-asr-none:(/flashlzdd);nasrstatus-ldasrruming;if (runasr()-o) / s动一次asr识剔流.弓：asr初始叱，asr;?，加 (胸riir - t "-break;>case ld asr foundof:(nasrres - ld_g«tresulc () ;/ 次a3ri故汽增叇柬，去取

23、asr识另ouzputic(nasrres):/ 根搏别络果，在相g?的10蓄贫上5iif (rjl3rr«3<s&tt«_v0ic-c0unn< * - playsound (nasrres); zz 播玟识别语音 )(» iu£pr.nasrstatus lo asr moot;build output4.2程序流程如图4-2-1：ld3320音频采 样并辨识结果储存 在ld3320 的寄存器中ld3320音頻处理stc12le5a60s 根据事 先写好的程序进行判断4.3部分程序代码4.3.1语音识别部分:定义一个变量nasrs

24、tatus作为启动语咅识别的条件变量，定义五个识别状态asrnone0x00/没有识别asrruning0x01/ld3320识别屮asrfoundok0x10/一次识别结束，得到一个结果asrfoundzero0x11/没有得到任何的识别结果asrerror0x31/识别流程出现了错误#dcfinc #define #define #dcfinc #define其次使用switch语句的选择，处理相应的指令。 switch(nasrstatus)case asrruning:case asrerror: break;case asrnonr:nasrstatus=asrruntng; if

25、(runasr()=o)nasrstatus = asrerror;break;case asrfoundok:nasrres = ldgetresult();outputto(nasrres); if(nasrres<same_voic_count)playsound (nasrres);nasrstatus = asrnonr; break;case asrfoundzero: default:nasrstatus = asrnonr; break;4.3.2指令设置部分：我们一共设置了十三个语音指令，其中冇五个灯光控制指令，三个人机交3 指令，五个音乐播放指令。#define st

26、roo nin hao"#define stro1 lai ge yin yue"#define str02 "huan kuai de"#define str09 kai deng #define str10 "guan deng"4.3.3音乐播放与人机交互部分：语咅识别模块通过采集声咅指令，得出识别结果，主控mcu通过读取该结果 向语咅模块传入mp3数据进行播放，这就是咅乐播放与人机交互部分的基本逻辑。 定义asraddfi xedbystring方法将识别结果留给主控mcj读取： void asraddfixedbystrin

27、g(char 氺 precogstring, uint8 k)ui nt8 nasraddbength;sendbytehex (k);sendstring( )；sendstring(precogstring);sendli nernd ();if (氺precogstring=0)return;for (nasraddbength=o; nasraddlength<50; nasraddlength+)if (precogstringnasraddlength = 0) break;writereg(0x5，precogstringnasraddlength); 然后利用sendlo

28、nghex方法将mp3文件俾入语咅播放模块，在用 playvoice方法进行播放：void sendlonghex (uint32 value)#ifdef debuguint8 idata bt;sendchar ( )；bt = (uint8)(value>>24);sendbytehex(bt);bt : (uint8) (value&0x00ff0000l)»16); sendbytehex (bt);bt : (uint8) (value&0x0000ff00l)»8); sendbytehex (bt);bt = (uint8)(va

29、lue&oxooooooffl);sendbytehex (bt);sendchar ( )；sendchar( )；#endi fvoid playvoice(uint8 ncode)if (ncode>=ttrm_count) return;nmp3startpos = pasrt tern ncode. nsoundstart;nmp3size = pasrttemncode. nsoundsize;sendstring("playvoice - )；sendbytehex(ncode);sendlonghex(nmp3startpos);sendlonghex(

30、nmp3size);sendlinerndo ;tnit_mp3();adjustmix2spvolume(speaker_vol); play();4.3.4灯光控制部分： 利用getresul t方法将采集的声咅信息转换为整型数字 uint8 getresult()uint8 res;res = readreg(0xc5);sendstring("asr result = )； sendbytellex (res);sendkinerndo ; return res; 当正确取得识别结果后，利用outputto方法向to管脚输出高低电平控制i上d灯亮灭:case asrfound

31、ok:nasrres = getresult (); outputlo(nasrres); if(nasrres<same_votc_count) playvoice(nasrres);nasrstatus = asrnonr; break;outputto具体方法及实现灯亮火的led方法如下: void 0utputi0(uint8 nres)swi tch(nres) case 9:lrd(l); break; case 10:led (2); break; case 11:led(3); break;case 12:led(4); break; case 13:led (5); b

32、reak;void lrd(uint8 ns)swi tch(ns)case 1 ds01:0 case 2 ds01:l case 3 ds01:0 case 4 ds01=l case 5 ds01:0 ds01=l ds01=l ds01:lr)soi=ids02=0;ds03=0;ds04=0;breakds02=l;ds03=l;ds04=l;breakds02=0;ds03=l;ds04=l;breakds02二1;ds03=l;ds04=l;break;ds02=lds02=0ds02=lds02=lds02=lds03=lds03=lds03=0ds03=lds03=lds04

33、=lds04=lds04=lds04=0ds04=ldelay(20000); del ay (20000); del ay (20000); delay(20000); delay (20000);break第五章硬件结构说明5.1硬件结构设计说明：本系统设计采用的元件有usb下载端口，复位开关以及电源开关，led灯， 咪头麦克风，继电器，stc12le560s单片机，ld3320语音识别模块，扬声器，蜂 鸣器，usb转串口芯片，flash存储器以及其他一些扩展接口插针。之所以采用咪头麦克风和扬声器是为了方便系统设计在测试和展示上的方 便性。ld3320自带的音频输出/输入需要外接设备，而外接设备还需要额外供电， 因此直接将播放的mp3数据文件由flash存储器传输到ld3310芯片内，再由 ld_spon和ld_spop引脚传入开发板扬声器播放。而开发板扬声器供电由继电器 供电，十分方便。当开发板上电之后，打开开关，系统自检，ld3320处于待识别状态，发出 的语音指令由咪头麦克风采集，数据通过ld_micp和ldj1icn引脚传输到ld3320 进行特征匹配，得出的结果存到芯片内罝寄存器。主控moj读取后处理，并对系 统进行控制。主控mot开发板结构如图5-2-1，语音识别模块结构如图5-2-2o5.2硬件原理tmmulz> m* »y fa 1?&