《基于LD3320语音芯片和STC89C52单片机的智能电梯语音系统设计》9200字

一、绪论1.1课题来源电梯对于现代化的城市来说，已经特别普遍。随着生活水平的显著提高，人们对便捷、方便、智能化的生活有越来越多的向往。更是由于新冠疫情发生，电梯轿厢作为一个体积狭小的公共空间，如何采取有效的防控措施，成为大家的关注点。为让城市中这类公共空间更加“智慧”，降低乘梯时的接触感染风险，使得智能电梯语音系统成为了一个热门的研究课题。1.2课题的研究目的及意义随着新时代城市文明化以及现代化建设步伐的加快，电梯作为高层建筑物中的重要垂直行动的搭乘设备，因此电梯的使用范围不断扩大。进而人们对电梯设备的智能化、人性化需求日益提升。尤其是新冠疫情爆发之后，更是体现了智能语音电梯的重要性。现在人工智能日益发展，已经在许多领域得到了广泛的应用。在智能人机交互领域，微型控制器与各种语音芯片相结合，就能够完成语音的合成技术，使得人机语音交互的实现成为可能，广大人民更加人性化服务的需求变为现实。随着现代化建设的推广，现在的智能大厦要求电梯能够安全平稳地将乘客送达目的地之外，还要求能够解放乘客双手实现全智能。电梯在传统的楼层预报外还可以可以语音互动、播放音乐、特定层站说明、特定情况提示等。目前大部分电梯厂家生产的电梯都未实现智能语音交互功能，因此，开发一种适合于各种型号电梯、能够实现人梯交互的智能电梯语音系统是十分必要的。通过本系统，乘客可以通过语音轻松下达楼层指令，不用担心双手被占用无法按楼层，也更大程度的减少乘客因为按键导致的交叉感染风险，为大家带来了更加舒适、便捷、安全的生活方式。给普通的电梯赋予了生命力，让科技不再是冰冷突兀的存在，而是时刻围绕着用户的需求，大程度满足用户的个性化需求。改善人们的生活方式，增强居民生活的安全性，符合疫情当下的刚需。通过该课题设计，复习了老师在学校所教的知识，并将这些知识应用到课题设计中，在此期间我自己也查阅文献，熟悉了语音识别技术。该项技术对未来的生产生活有着重大影响，所以该课题的研究就赋予了时代的使命。1.3国内外研究现状人类的语音是当今通信系统中最自然最普通的交流媒介，语音识别技术是人类和机器交流至关重要的技术，该技术的实现以及成熟就能解决机器“理解”人类语言的重大难题，所以一直也受到各国科学界的广泛关注。现在随着技术研究的突破，该项技术对计算机发展和社会生活的重要性逐渐的展露出来。通过语音识别技术开发出来的产品应用领域遍布于社会的每个角落，如声控拨号电话、语音记事本、手机语音助手、无人超市、自助语音下单、医疗服务、语音通信系统等，都对我们的生产生活带来了极大的便利，几乎渗透到各行各业当中。由于国家对于新型技术很重视，我国语音识别技术的研究一直处于国际中等水平。国内很多研究所、高校都在对语音识别技术进行深入研究和再开发。为了该项技术的突破，国家还对该技术的研究成立专家团队，在众多科研人员的努力下取得了高水平的科研成果。我国中国科学院自动化所研制的非特定人、连续语音识别系统和中文语音人机交互系统，其失误率低于10%。目前的声音技术公司属科大讯飞是中国最具影响力的，该公司成立于20世纪90年代末。由于使用USTC语音处理技术并且得到了国家的大力支持，这家公司很快就找到了明确的方向。根据大量数据统计，该公司语音识别技术占据了中国语音识别市场的半壁江山，已经算是该行业的领导者。国内很多知名互联网企业也陆续加入进来，例如搜狗公司，搜狗刚开始使用的是第三方语音识别引擎，但是在很短的时间内就搭建起属于自己的引擎，目前主要应用于搜狗输入法。腾讯公司的微信团队也建立了属于自己语音识别引擎，主要用于语音向文字转换，应用于微信聊天中，极大的便利了使用微信的人群。国外在语音识别领域比我国起源要早。在国外提到语音识别都会想到Nuance这家公司，该公司在历史上曾经一度是行业龙头，据报道说该公司的识别引擎技术已被世界上八成以上的语音识别公司使用。直至现在仍然是全世界最大的语音识别公司，掌握着全世界最多的语音识别专利。英国语音技术公司VocalIQ同样开发了语音智能识别软件，能够自然地帮助计算机与用户进行人机交流，使用户的体验性大幅度提高。1.4本文研究内容本文在传统电梯的基础上加入语音识别功能，从而达到乘客可以通过语言向电梯下达楼层指令。由于电梯内空间较小而且人员复杂，需要语音识别芯片可以设置唤醒词，在唤醒电梯后才会进行识别乘客的楼层指令，防止将电梯内的杂音错误的当成指令记录，从而给乘客带来不良体验。该语音识别芯片还需要实现可以多人下达指令，不同音色不同性别都可识别，语音指令的识别度高，而且识别的关键词语列表可以动态编辑，符合在电梯环境下使用。语音芯片在采集并分析乘客语音信号后将分析后的信号发送到单片机，单片机在接收到语音芯片发出的信号后下达相应的指令操控电机，从而驱动电梯上下行。例如乘客需要上二楼，单片机让电机正转两圈。当电梯到达指定楼层后进行楼层信息播报。

二、智能电梯语音系统总体方案设计2.1系统的设计概述智能语音电梯设计的初衷是为广大乘客带来更为先进、便捷且安全的生活方式。给每个电梯注入新的灵魂，使乘坐的电梯不再是冰冷的机器，让新型智能语音电梯更加贴近人们的需求，将“以人为本”的理念渗透其中。智能电梯语音系统的软、硬件两部分都应该具有一定的领先性，从而延长它的使用生命周期，更长时间的为人们服务。也应该保证超高的性价比，从而得到市场良性的反馈，扩大人们对智能电梯的需求，使高科技带来的便捷生活走进普通家庭中。在系统的设计过程中，应充分考虑到现阶段人们对智能和便捷生活的需求，也应考虑到日后功能的完善与升级。本文的智能电梯语音系统通过非特定人语音识别技术、计算机技术、自动控制技术等结合而实现的。智能电梯语音系统要求乘客能通过语音下达指令，操控电梯到达指定楼层，比如电梯检测到乘客发出的一级口令“你好电梯”后回复乘客“我在”，当乘客下达二级口令“去二楼”，电梯检测到乘客的二级语音指令并进行语音识别，然后于数据库进行比对，比对通过后回复乘客“二楼已登记”。乘客也可以随时更改目的楼层，智能语音电梯也可以随时更换登记信息，当电梯准确到达目的楼层后进行语音播报当前楼层。2.2系统设计方案在通过多种渠道多种方式查看参考资料后，预设了两种系统方案，并从中选择出最适合该课题设计的方案。方案一：采用STC89C52单片机作为本方案的MCU，使用LD3320非特定人识别芯片作为语音识别模块的芯片，该模块还集成了声音识别处理器和外部电路，包括模数转换器和数模转化器、麦克风、语音输出和其他接口，使用者无需再连接任何其他附加设备。比如闪存芯片，随机读写芯片等等。该方案的设计电路非常精简，只需要将所用到的芯片按照规定原理连接就可以使用，上手难度极低。该语音模块可以直接集成在其他芯片上使用，语音识别准确率高于90%，价格低廉应用市场非常广泛。该方案工作流程使通过分析语音指令产生脉冲信号来控制电机的正反转的运动状态，用电机的正反转模拟电梯的上下行，最后到站进行语音播报。本方案结构框图如下所示：图2.1STC单片机方案框图方案二：使用SPCE061A单片机作为主控芯片，该芯片不仅有语音的识别模块，而且还有语音播报和录制播放的功能模块，使用非常简单，只需要外接咪头和扬声器就能够实现该方案主要的功能，非常适合初学者使用。唯一缺点是实现成本较高，以下是本方案的核心结构框图。图2.2凌阳61核心方案框图通过对预设方案的对比：方案一的性价比较高且实现成本比较低，该方案的语音识别模块采用非特定人语音识别芯片，同时LD3320语音识别芯片具有高于90%的识别准确率，该芯片不需要提前进行特定人语音录入。与其他语音识别芯片相比，LD3320具有高度集成的特点，外围的拓展口可以接入功放器和咪头。所以LD3320芯片在语音识别上具有其他语音识别芯片不具备的优势；方案二中的SPCE061A单片机集成度很高，大量的使用在生产生活中，但是由于SPCE061A单片机在软件程序部分的设计与编写难度较高，同时性价比较低，实现成本较高，故不适合选择。综上所述，经过这两种方案的横向与纵向的对比之后，最终决定本次智能电梯语音系统设计采用方案一。2.3本章小结 本章详细的描述了系统的设计概况，列出两种实现方案，分别进行了简要的阐明，对这两种方案进行比较之后选择最优的设计方案。

智能电梯语音系统的硬件设计3.1系统硬件总体设计本系统以STC89C52控制器为核心，语音模块使用LD3320语音识别芯片为人与电梯的交流的媒介，进行乘客语音指令的采集和识别。驱动模块使用L298N芯片来驱动电机。通过语音芯片采集并判断外界语音信号，将判断后的信号传递给单片机，单片机对L298n芯片下达相应指令，从而驱动电梯上下行，到站后MP3进行语音播报。图3.1系统总体设计原理图3.2语音识别模块的电路设计本系统采用LD3320非特定人语音识别芯片，具有高识别度和实用的语音识别效果，由ICRoute公司设计研发。智能电梯语音系统设计是围绕LD3320语音识别芯片设计的，作为本系统的开端。LD3320的VDD引脚电源输入为3..0V-3.3V，VDDIO电源输入为1.65V-VDD，VDDA电源输入为3.0V-4.0V，在本系统设计中都使用3.3V电源。该芯片P0-P7引脚分别接单片机的AD0-AD7引脚，A0与单片机A8引脚相接，WRB、RDB分别接单片机的WR、RD引脚。CSB引脚接到单片机A14引脚，INTB接到单片机的INT0引脚。图3.2智能电梯语音系统工作流程图3.3微控制器芯片电路设计以目前智能电梯的使用需求来看，对于微控制器的选择应考虑其目的，它的主要目的在于对系统的信息采集和控制，所处理的仅仅是一些单纯的数据，因此并不需要追求太强的算力。由于微控制器在信息采集、处理、控制等领域都具有低成本、高效能、低功耗的特点，就使其成为物联网中最重要的硬件参与者。现在市面上单片机种类比较多，每种单片机都有自己的优缺点。STC89C52是一种小型单片机，是电子工程师常用器件，由深圳宏晶科技公司生产。与普通的8051内核单片机进行对比，该单片机的功能、性能以及运行速度上都大幅度提升。其主要特点为软件、硬件与MCS-51完全兼容，将多功能8位CPU和闪烁存储器一起集成在一个芯片中。而且该芯片采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，中国市场广大用户很容易接受。其程序的电可擦写特性，使开发人员进行试验得到极大便利。该芯片的高灵活、超有效且低成本的特性也为嵌入式控制应用系统做出了巨大的贡献。LD3320语音识别芯片的工作电压为3.3V，因为其输入输出接口需要与主控芯片的输入输出接口进行连接，为保证单片机可以正常工作，本系统采用3.3V单片机。本系统中RST引脚接该芯片复位电路，复位是用于单片机的初始化操作。使用10K的电阻与10uF的电容并联，并联后分别接RST、GND，作为该单片机的复位电路。XTAL1、XTAL2用于外接时钟电路，将两个30uF的电容串联，之后再与12m的晶体振荡器并联，作为该单片机的时钟电路。T2、T2EX、P1.2、P1.3分别与L289驱动芯片的IN1、IN2、IN3、IN4引脚相接，用于将语音指令传给驱动芯片。主控芯片引脚RXD接MP3的TX引脚，TXD接MP3的RX，用于向MP3发送数据。图3.3微控制器电路设计图3.4驱动模块的电路设计本系统的电梯驱动将使用L298N芯片，由ST公司研发。L298N的工作电压在5~35V之间，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机或者一个步进电机，而且还带有控制使能端。将该芯片OUT1、OUT2、OUT3、OUT4引脚都接到步进电机上，驱动电机运转。用该芯片作为电机驱动，性能好、操作方便，稳定性，由L298N结合单片机可实现对电梯运转的精确控制。图3.4智能电梯语音系统工作流程图3.5语音播放模块的电路设计MP3-TF-16P是一个提供串口的语音模块，此款产品的最大特点就是使用方便，稳定可靠。可以通过串口发送指令完成播放指定的音乐，无需繁琐的底层操作。当语音识别模块识别到语音指令后可以对IO口做一系列的操作，然后输出高低电平或者从串口发送数据到播放模块，MP3接收到指令后播放相应语音信息，这样就实现了语音交互。MP3-TF-16P模块一共有16个引脚，VCC是模块的电源输入引脚，该模块的输入电压范围是3.3-5V，所以该模块接5V电源供电。RX、TX引脚分别是UART串行数据输入、输出。RT引脚接单片机TX引脚，TX引脚接单片机RX引脚，交叉相接就实现了单片机输出信号时MP3准确接收。SPK1、SPK2引脚分别是接喇叭负极和正极，该模块可以驱动小于3W的喇叭，所以这里接0.5W8Ω喇叭进行语音播报。GND引脚接电源负极。BUSY引脚是播放指示，有音频播放时是输出低电平，没有音频播放时是输出高电平。图3.5智能电梯语音系统工作流程图3.6本章小结 本章展示了该系统硬件总体设计原理图，分别对系统中各模块电路设计进行了详细的描述。

四、智能电梯语音系统的软件设计在之前的章节中，已经介绍了系统的整体架构，所需语音识别芯片、主控芯片以及驱动芯片的选择，完成了系统的整体框架。在这个基础上，本章将研究设计智能电梯语音系统的软件功能模块。4.1智能电梯语音系统工作流程根据对智能电梯语音系统的功能分析，可以得到本系统的工作流程为：主程序系初始化，之后当Mic检测到一级语音信号后，系统会进行应答。当检测到二级指令后进行语音识别并分析，通过后就会将语音信号与芯片的存储器进行匹配，若是语音信号与芯片中关键词比较后相似度高，主控芯片就发信号给MP3并向驱动模块下达控制信号，驱动模块根据主控芯片的指令去控制电机进行顺时针、逆时针运转，完成指令后MP3进行语音播报。图4.1智能电梯语音系统工作流程图4.2语音识别模块程序设计语音识别模块软件程序设计中会让使用人员提前添加识别关键词到芯片寄存器的语音库中。当语音识别芯片开始工作后，要对内部进行初始化，再此之后需要对使用人员的指令字符串进行号码编排，并分别将指令字符串和指令字符串的长度一起存储到存储器中，在每次识别的过程中能够进行一次字符串的添加，所以才能实现语音识别芯片对语音指令的识别。语音识驱动程序的工作流程为通用初始化、LD3320初始化，写入寄存器语音库，进行语音识别，响应识别中断。图4.2语音识别模块程序设计图4.3微控制器程序设计主控在芯片的作用是接收语音识别芯片识别后的信号，在接收到一级口令信号（唤醒）后，单片机控制MP3进行应答。当单片机接收到二级口令（楼层指令）信号后，分析判断信号并发送给驱动模块相应的指令。图4.3微控制器程序设计图4.4驱动模块程序设计单片机接收到来自语音识别芯片的信号后，把相应指令发送给驱动芯片，驱动芯片去驱动电机正反转，执行来自乘客的指令，实现了语音操控功能。图4.4驱动模块程序流程图4.5本章小结 本章主要对智能电梯语音系统的软件设计进行了模块化划分，并对每个模块进行了详细的介绍。整个系统的软件设计流程就很清晰了。

五、智能电梯语音系统的仿真5.1程序的加载与导入绘制好系统接线图之后，进行程序的加载与导入。在这里我选用了Keil软件。Keil是一款兼容单片机C语言的软件开发系统。首先安装Keil程序并打开，新建项目，并在项目中添加源文件与头文件，然后按照设计要求进行软件程序的编写。软件程序编写完成后，点击PROJECT，在其中找到并点击BUILDTARGET，对编写的程序进行编译。当BUILDOUTPUT栏中提示0ERROR时，编译完成。最后生成可执行的文件（文件的后缀为.hex）。接下来打开PROTEUS，双击已经放置好的STC89C52单片机，将123.hex文件导入到STC89C52单片机中。如下图5.1所示。图5.1导入hex文件图5.2系统仿真 在智能电梯语音系统设计中为实现语音控制电梯，加入了LD3320语音识别芯片，但是在Proteus仿真软件中没有该模块，因此语音识别模块在仿真中用串口发送指令来代替。在PC端手动输入程序中写好的16进制的楼层去向代码，点击手动发送来模拟代替语音识别的过程。PC端输入指令通过串口将指令传给单片机，相当于给单片机一个通讯方式。在设计中为了实现到站后语音播报楼层信息而引入了MP3模块，但是在Proteus中也没有MP3模块，因此在仿真过程中该模块用LCD显示器和蜂鸣器来代替。LCD显示器会在仿真过程中动态展示当前所在楼层和目的楼层。当到达指定楼层后，蜂鸣器会相应的响几次，LCD显示器也会显示当前在几楼。在仿真图中用步进电机的顺时针、逆时针转动来形象的模拟电梯上下行运动。仿真图如下所示：图5.2智能电梯语音系统仿真图在PC端串口助手中写入16进制指令，例如1楼上4楼。输入指令界面如下图所示。图5.3串口助手发送指令执行1楼上4楼指令后电机开始顺时针转动，LCD显示器的目的楼层显示4，当前楼层动态由1逐渐显示为4。当到站后电机停止转动，蜂鸣器响4下代表4楼到了。LCD显示器当前楼层显示4，不发生变化了。LCD显示情况如下图所示。图5.4LCD显示楼层信息接下来执行4楼下2楼指令，输入指令界面如下图所示。图5.5串口助手发送指令执行4楼下2楼指令后电机开始逆时针转动，LCD显示器的目的楼层显示2，当前楼层动态由4逐渐显示为2。当到站后电机停止转动，蜂鸣器响2下代表2楼到了。LCD显示器当前楼层显示2，不发生变化了。LCD显示情况如下图所示。图5.6LCD显示楼层信息由于电机顺时针、逆时针运转无法用截图展示，故在操作过程中没有电机部分图示。结论与展望科学技术的发展，给人们的生活带来了日新月异的变化，智能语音电梯的出现更是打破传统电梯给人们的固有印象。智能语音识别技术的飞速发展使得语音互动也慢慢的被大众所熟知和应用，人们可以通过语音就可以轻松的跟电梯沟通互动，给人们提供了更便捷的生活方式。本文的智能电梯语音系统是基于非特定人语音识别技术和STC89C52单片机的，实现了对电梯的语音控制。本文完成的主要工作：1.通过查阅大量的国内外文献，了解了目前智能语音技术的现状以及未来的发展方向，为开展智能电梯语音系统的研究工作提供了基础，也使自己对所选的课题的研究意义有了更深刻的认知。2.对智能语音电梯中所涉及到的各芯片进行了分析与对比，着重对语音识别技术、微控芯片进行了详细的介绍，对目前在智能语音电梯领域主流的技术进行了全面的了解，确定了最终技术方案。3.对智能电梯语音系统的硬件进行了设计，主要包括微控芯片、语音模块以及驱动芯片的电路设计。4.对智能电梯语音系统的软件进行了设计，主要包括智能电梯语音系统流程设计、软件的主程序设计。5.了解了仿真软件Proteus并对智能电梯语音系统进行了仿真。未来的智能语音电梯一定是面向的全世界人民的，智能语音电梯会出现在每一个居民的身边，因此需要一个更强大、更稳定的后台和控制系统。本次设计的遗憾就是没有将乘客在电梯外想要语音呼叫的情况涵盖，以及在仿真中没有实现先通过以及口令唤醒电梯，之后在下达二级指令等这些情况。自己还需要潜心研究，在之后的学习生活中多多查阅资料学习新知识，将这些情况全部加入，将该智能电梯语音系统设计做完整。我心目中智能电梯未来的样子应该是有着丰富的应用场景。真正的汇聚大量技术的一个生活的载体它应该有三个核心要素：第一，要有科技的内核；第二，它有优雅的展示方式；第三，能解决生活当中遇到的现实问题。未来电梯最关键的的核心是让科技去服务生活，让科技不是冰冷突兀的存在，而是围绕着居民的需求而存在，让每一位用户智能、便捷、安全的生活。参考文献[1]隗东平,古丽米拉·克孜尔别克,吾拉木·麦麦提肉孜,阿布都海比尔·艾尔肯,再吐尼木·卡斯木,地阿热·阿布都沙拉木,艾热帕提·多力坤.智能电梯管理系统[J].国外电子测量技术,2020,39(09):110-114.[2]赵晓磊,齐秋菊,郭春超,霍旭阳.声控护理床起降系统的设计[J].科技传播,2015,7(19):158+155.[3]卫静婷,陈利伟,黎斌,谭露雯,钟佳胜.基于STC89C52的语音控制和自动避障智能小车的设计[J].电子测试,2019(15):24-25+20.[4]李勇,蔡利强,谭国炎,陈豪,寸超.基于STC89C52单片机的家居设备语音控制系统设计[J].科技与创新,2018(05):130-131.[5]张代旗,陈浩楠,郑琳.基于STC89C52的无线自动到站提醒系统的设计与实现[J].卫星电视与宽带多媒体,2019(05):1-2.[6]李洋博,赵泽林,李圆,丁聪,康哲,索依娜.基于32单片机控制的智能语音刷卡系统[J].电脑编程技巧与维护,2019(03):125-127.[7]张林,常远成,赵贝雨.以STC89C52单片机为基础制作的智能垃圾桶[J].福建电脑,2021,37(02):114-115.[8]陈熙达.基于STC89C52的智能语音沐浴控制系统[J].科技风,2020(20):18.[9]杨瑞萍,陈博.基于STC89C52的智能语音药箱控制系统的设计[J].电子制作,2021(01):25-27.[10]黄志伟．STC89C52f32位ARM微控制器应用设计与实践[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2012．[11]郭稳涛,何怡刚,廖学坤.基于单片机控制的新型智能电梯语音系统设计[J].电子设计应用,2007(12):108-110.[12]陈军,罗维平.基于姿态传感器和ARM板的电梯智能语音系统[J].传感器与微系统,2020,39(02):88-90.[13]靖大同,吴向前,司志泽.基于ISD4004芯片的电梯智能语音系统的设计[J].电子世界,2012(21):35-36.[14]高翔.基于LD3320的语音智能加热杯系统设计[J].软件,2020,41(12):129-133.[15]刘琼.基于嵌入式微处理器的人机语音交互系统的设计与研究[D].南京邮电大学,2020.[16]沈周锋.具有语音识别功能的加湿器的设计与实现[J].黄冈师范学院学报,2020,40(06):51-55.[17]宋朝霞,舒瑞康.基于LD3320的语音识别智能家居控制