【正文】 音識別芯片和相關(guān)控制電路，設(shè)計實現(xiàn)了微波爐的語音控制系統(tǒng)。由于 LD3320 芯片集成了語音識別處理器和外部電路，包括 AD 和 DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風、聲音輸出等 接口，且不需要外接任何的輔助芯片如 Flash、 RAM 等。在現(xiàn)有的產(chǎn)品中直接集成即可實現(xiàn)語音識別／聲控，人機對話功能，識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的，因而滿足了小體積、低功耗和可通用的要求，因而本聲控系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。 本課題把語音識別模塊內(nèi)嵌到微波爐中，設(shè)計出一種語音識別控制微波爐。用戶只需用簡單 , 人性化的語音指令告訴微波爐 它要執(zhí)行的任務(wù)之后它就愉快地幫主人完成系統(tǒng)操作。 語音控制微波爐系統(tǒng) 3 二、設(shè)計任務(wù)與要求 本項目詳細分析微波爐控制器的原理和組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計一個語音識別控制的具有定時和信息 顯示功能的微波爐控制器。微波控制器系統(tǒng)可由以下五個電路模塊組成：語音識別控制模塊：其功能是識別微波爐工作過程中語音指令并執(zhí)行操作；顯示模塊：其功能是顯示各種工作模式、微波爐火力檔的設(shè)定、預約時間和工作時間等等圖文復雜的信息；語音電路模塊，其功能是在按鍵模式工作時，芯片可以通過 LED 管腳給出信號來提示芯片的工作狀態(tài)，并且伴隨有提示音，用戶也可自定 4 種提示音效； 計時電路，其功能是對時鐘進行減法計數(shù)，提供烹調(diào)完成時的狀態(tài)信號；顯示譯碼電路，其功能是顯示微波爐控制器的各狀態(tài)信息。 設(shè) 計一個語音識別控制的具備定時和信息顯示功能的微波爐控制器。 要求： （ 1） 該微波爐控制器能夠在任意時刻取消當前工作，復位為初始狀態(tài)。 （ 2）可以根據(jù)需要設(shè)置烹調(diào)時間的長短，系統(tǒng)最長的烹調(diào)時間為 59 分 59 秒；開始烹調(diào)后能 夠顯示剩余時間的多少。 （ 3） 顯示微波爐控制器的烹調(diào)狀態(tài)。 （ 4） 語音通過語音識別芯片和單片機的結(jié)合，實現(xiàn)輸出控制，實現(xiàn)語音控制微波爐各種操作。 （ 5） 設(shè)計適當?shù)耐鈬娐?，實現(xiàn)微波爐系統(tǒng)功能。 廣東技術(shù)師范學院天河學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 （ 1） 語音識別菜單功能： 識別微波爐工作過程中語音指令并執(zhí) 行操作。例如：語音輸入命令：“上”、“下”、“左”、“右”、“確定”、“返回”可語音識別控制液晶顯示屏選擇對應(yīng)的模式，確定烹飪模式和火力大小，調(diào)節(jié)定時并開始微波。 （ 2） 烹飪功能： 烹飪模式有幾種可選：有燒烤、解凍、湯類、蒸菜模式，同時人性化的增加了自定義模式，可自行選擇適合的模式進行微波?？赏ㄟ^語音識別或加、減按鍵和確定鍵來對時間進行設(shè)置或預約，首先是對時間的設(shè)置，按確定鍵再對分進行設(shè)置，接著對秒進行設(shè)置，每次設(shè)置完就要按一次確定鍵，以完成對時間的設(shè)置。時間設(shè)置完畢返回等待系統(tǒng)開始烹飪。 （ 3） 火力調(diào)節(jié) 功能： 火力模式有對應(yīng)的烹飪模式中有固定的火力大小，也可自定義選擇火力大小。固定的烹飪模式的火力大小有：燒烤模式 6 檔火力、解凍模式 3 檔火力、湯類模式 7 檔火力、蒸菜模式 5 檔火力?？赏ㄟ^語音識別或加、減鍵來設(shè)置烹飪時間，最高是 8 檔，最低是 1 檔，流程同預約時間的設(shè)置相同，時間設(shè)置完畢就直接開始烹飪 （ 4） 液晶顯示功能： 液晶顯示屏使用 12864 顯示屏，液晶顯示子程序顯示各模式的工作狀態(tài)，如顯示火力模式、烹飪模式、預約時間和烹飪時間、也可顯示“作者名”和“歡迎使用 語音控制微波爐系統(tǒng)”。液晶顯示器采用的是并行通訊的工 作方式。 （ 5） 定時服務(wù)功能： 程序檢測系統(tǒng)是否開始烹飪，當系統(tǒng)已經(jīng)進入烹飪狀態(tài)，定時服務(wù)子程序開始工作，首先通過按鍵掃描判斷預約時間標志按鍵是否被按下，當有按鍵按下進入預約時間的定時服務(wù)，如果沒有按鍵按下，直接進入烹飪時間的定時服務(wù)。各固定烹飪模式的定時時間為燒烤模式定時十分鐘、解凍模式定時五分鐘、湯類模式定時一分三十秒、蒸菜模式定時八分鐘。 語音控制微波爐系統(tǒng) 5 三、總體方案論證與比較 方案一 ：采用數(shù)字邏輯芯片 本系統(tǒng)有功能設(shè)置、數(shù)據(jù)裝入、定時、顯示、音響控制多個功能模塊。各個狀態(tài)保持或轉(zhuǎn)移的條件依賴于鍵盤 控制信號。由于鍵盤控制信號繁多，系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)以及相互轉(zhuǎn)移更是復雜，用純粹的數(shù)字電路或小規(guī)模的可編程邏輯電路實現(xiàn)該系統(tǒng)有一定的困難，需要用中大規(guī)模的可編程邏輯電路。這樣，系統(tǒng)的成本就會急劇上升〔相對于方案二〕。因此，本設(shè)計并未采用這種方案。 方案二：采用單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心 鑒于市場上常見的 51 系列 8 位單片機的售價比較低廉，我們的設(shè)計采用了P89V51RB2FN 單片機作為主控制器， AT89C52 是一款微控制器，包含 16kB Flash 和256 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM ， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 8 個中斷源， 4 個中斷優(yōu)先級， 2 個DPTR 寄存器 [3]；主要負責系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)工作。具體方案如下：首先，利用單片機檢測各種模擬信號，通過接收鍵盤送來的命令，確認功能設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)裝入和實時監(jiān)控，其次，根據(jù) CPU 發(fā)出的信號控制語音播報、顯示等功能，用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)定時功能，節(jié)省了硬件成本的開銷。這樣的設(shè)計使安裝和調(diào)試工作可以并行進行，極大地縮短了總體設(shè)計和制造的時間，綜合考慮以上因素。 我們采用了方案二，本方案的基本原理如圖 1 所示，控制系統(tǒng)的原理圖見附錄。 廣東技術(shù)師范學院天河學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 語音識別模塊選擇 語音識別模塊選用 LD3320 語音識別模塊 （圖 2），該模塊有 16 個單片機 IO 口，其中有一組 8 位 IO 擴展接口、 1 個定時器、 1 個外部中斷，可做為單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能， 可 配套其他單片機 也可 獨自完成工作 。 LD3320 芯片（圖 3）是一款“語音識別”專用芯片，由 ICRoute 公司設(shè)計生產(chǎn)。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括 AD、 DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片在設(shè)計上注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片如 Flash、 RAM 等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實現(xiàn)語音識別／聲控／人機對話功能。并且，識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。 單片機及外圍電路 交流輸入 整流慮波 輸出 調(diào)整 單元 液 晶顯 示模 塊 圖 1 系統(tǒng)原理框圖 掉 電 存 儲 模 塊 鍵盤模塊 語音模塊 語音控制微波爐系統(tǒng) 7 圖 2 語音識別模塊 圖 3 語音識別芯片 功能介紹 （ 1）通過 ICRoute 公司特有的快速而穩(wěn)定的優(yōu)化算法，完成非特定人語音識別。不需要用戶事先訓練和錄音，識別準確率 95%。 （ 2）不需要外接任何輔助的 Flash 芯片， RAM 芯片和 AD 芯片，就可以完成語音識別功能。真正提供了單芯片語音識別解決方案。 （ 3）每次識別最多可以設(shè)置 50 項候選識別句，每個識別句可以是單字，詞組或短句，廣東技術(shù)師范學院天河學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 長度為不超過 10 個漢字或者 79 個字節(jié)的拼音串。另一方面，識別句內(nèi)容可以動態(tài)編輯修改，因此可由一個系統(tǒng)支持多種場景。 （ 4）芯片內(nèi)部已經(jīng)準備了 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 16 位 D/A 轉(zhuǎn)換器和功放電路，麥克風、立體聲耳 機和單聲道喇叭可以很方便地和芯片管腳連接。立體聲耳機接口的輸幽功率為20mW，而喇叭接口的輸出功率為 550mW，能產(chǎn)生清晰響亮的聲音。 （ 5）支持并行和串行接口，串行方式可以簡化與其他模塊的連接。 （ 6）支持 MP3 播放功能，無需外圍輔助器件，主控 MCU 將 MP3 數(shù)據(jù)依次送入 LD3320芯片內(nèi)部就可以從芯片的相應(yīng) PIN 輸出聲音。產(chǎn)品設(shè)計可以選擇從立體聲的耳機或者單聲道喇叭來獲得聲音輸出。支持 MPEGI(ISO/IEC111723), MPEG2(ISO/IEC138183)和MPEG layer 3 等格式。 （ 7）工作供電為 3. 3V，如果用于便攜式系統(tǒng)，使用 3 節(jié) AA 電池就可以滿足供電需 要。 電路說明 圖 4 內(nèi)部電路的簡單邏輯圖 語音控制微波爐系統(tǒng) 9 （ 1）電壓要求： VDD 數(shù)字電路用電源輸入 3. 0 V 3. 3 V VDDIO 數(shù)字 1/0 電路用電源輸入 1. 65 V VDD VDDA 模擬電路用電源輸入 3. 0 V 4. 0 V 芯片管 腳輸入電壓范圍：高電壓（邏輯“ 1”）： 0. 7； lcVDDIO39。VDDIO 低電壓（邏輯“ 0”）： 039。0. 3~VDDIO （ 2）時鐘 (Clock) 芯片必須連接外部時鐘，可接受的頻率范圍是 448MHz；而芯片內(nèi)部還有 PLL 頻率合成器，可產(chǎn)生特定的頻率供內(nèi)部模塊使用。 （ 3）復位 對芯片的復位信號（ RSTB： 1： ）必須在 VDD/VDDA/VDDIO 都穩(wěn)定后進行。無論芯片正在進行何種運算，復位信號都可以使它恢復初始狀態(tài)，并使各寄存器復位。如果沒有后續(xù)的指令（對寄存 器的設(shè)置），復位后芯片將進入休眠狀態(tài)。此后，一個 CSB： 1：信號就可以重新激活芯片進入工作狀態(tài)。 （ 4）并行接口 本芯片可通過并行方式和外部主 CPU 連接，此時使用 8 根數(shù)據(jù)線（ POP7）， 4 個控制信號（ WRB， RDB， CS 冰， AO），以及一個中斷返回信號（ INTB） 。 （ 5）串行接口 串行接口通過 SPI 協(xié)議和外部主 CPU 連接，首先要將 MD 接高電平，而將（ SPIS：1： ）接地。此時只使用 4 個管腳：片選（ SCS 冰）、 SPI 時鐘 (SDCK)、 SPI 輸入 (SDI)和SPI 輸出 (SDO)。 （ 6）寄存器 對芯片 的設(shè)置和命令，包括傳送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)，都是通過對寄存器的操作來完成的。例如進行語音識別時，設(shè)置識別的關(guān)鍵詞語列表，設(shè)定芯片的識別模式，諛別完成后獲得識別結(jié)果都是通過讀／寫寄存器來完成。播放聲音時，就是將 MP3 格式的數(shù)據(jù)循環(huán)放入 FIFO 對應(yīng)的寄存器。（識別結(jié)果是通過寄存器返回識別出的關(guān)鍵詞語在關(guān)鍵詞語列表中的排列序號 Index 數(shù)值，該 Index 數(shù)值是在設(shè)置關(guān)鍵詞語列表時指定）。 廣東技術(shù)師范學院天河學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 （ 7）喇叭音量的外部控制 除了特定寄存器來控制音量以外，芯片外部的電路可以控制喇叭的音量增益。使用的是 EPI、 EP EP3 對應(yīng)的 管腳。 管腳分布圖 圖 5 管腳分布圖 顯示模塊方案選擇 單片機應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示器是 LED（發(fā)光二極管顯示器）和 LCD（液晶顯示器）[2]。這兩種顯示器可顯示數(shù)字、字符及系統(tǒng)的狀態(tài)。它們的驅(qū)動電路簡單、易于實現(xiàn)且價格低廉，因此得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在就這兩種顯示模塊進行分析，選擇符合微波爐控制器的模塊。 語音控制微波爐系統(tǒng) 11 方案一：數(shù)碼管 LED 顯示模塊 常用的 LED顯示器有 LED狀態(tài)顯示器（俗稱發(fā)光二極管）、 LED七段顯示器（俗稱數(shù)碼管）和 LED十六段顯示器。發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示；數(shù)碼 管用于數(shù)字顯示； LED十六段顯示器用于字符顯示。無論是單個 LED（發(fā)光二極管）還是 LED七段碼顯示器（數(shù)碼管），都不能顯示字符（含漢字）及更為復雜的圖形信息，這主要是因為它們沒有足夠的信息顯示單位。所以，在一些要求顯示圖文的系統(tǒng)中，不適宜用LED顯示模塊。 方案二：液晶顯示器 LCD 模塊 LCD 是一種被動顯示器，具有功耗低，顯示信息大，壽命長和搞干擾能力強等優(yōu)點，它不僅省電，而且能顯示大量的信息如文字、曲線、圖形等，其顯示界面較之數(shù)碼管有了質(zhì)的提高，在低功耗的單片機系統(tǒng)中得到大量使用。 [4]隨著液晶顯示技術(shù)的 發(fā)展， LCD顯示器的規(guī)格眾多，其專用驅(qū)動芯片也相互配套，使 LCD 在控制和儀表系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用提供了極大的方便。 本微波爐控制器系統(tǒng)要顯示各種工作模式、微波爐火力檔的設(shè)定、預約時間和工作時間等等圖文復雜的信息，故選擇液晶顯示器作為顯示模塊。本系統(tǒng)采用的是FYD128640402B[17]型號的液晶顯示器。 FYD128640402B 液晶顯示器是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64, 內(nèi)置 8192 個 16*16 點 漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示 8 4 行 16 16 點陣的漢字，也可完成圖形顯示；低電壓低功耗是其又一顯著特點。 [6]由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 本系統(tǒng)中，液晶顯示的工作方式是采用并行的工作方式。 廣東技術(shù)師范學院天河學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12