【正文】 隨著電子業(yè)的發(fā)展,智能化家電將是發(fā)展的必然趨勢,語音控制也必將進(jìn)入實(shí)用階段。我在現(xiàn)有市場多功能電風(fēng)扇的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的智能電風(fēng)扇，使電風(fēng)扇更加人性化，其功能設(shè)計(jì)將會大大提高電風(fēng)扇的市場競爭力。本設(shè)計(jì)以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A為核心,設(shè)計(jì)完成了一個(gè)語音控制智能電風(fēng)扇。我追求對事物的方便，她不再需要手動(dòng)的那些機(jī)械方面的操作，而是用那些更加方便，快捷的東西。本人設(shè)計(jì)的語音控制電風(fēng)扇，就能大大方便她的生活，節(jié)約了時(shí)間，特別是易于使用、且只能識別她一個(gè)人的語音。只要站在房間的某個(gè)角落，通過人的語音識別與控制，就能實(shí)現(xiàn)對電風(fēng)扇進(jìn)行控制，這種功能方便了她的生活。人性化設(shè)計(jì),友好智能的人機(jī)交互方式，也值得今后市場的大面積普及。所以研究語音控制電風(fēng)扇具有廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)要具有以下功能： 將特定人的語音的信號經(jīng)過處理、壓縮轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)存入存儲器。操作人發(fā)出語音指令，系統(tǒng)接受后在內(nèi)部進(jìn)行處理、查詢，產(chǎn)生響應(yīng)控制信號來控制單片機(jī)IO口電平高低來觸發(fā)繼電器的開關(guān)，在一般風(fēng)扇調(diào)速的基礎(chǔ)上來控制每個(gè)檔位的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。設(shè)計(jì)完成一個(gè)語音控制的整個(gè)過程。根據(jù)開始錄制的語音命令來控制風(fēng)扇的啟動(dòng)、加快轉(zhuǎn)速,減小轉(zhuǎn)速等功能。3．系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)論證方案論證： 方案一：采用MCS51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，由于有語音識別和語音播放功能，所以需要擴(kuò)展語音識別模塊和語音播放模塊，這樣必然造成端口的資源緊張，所以還必須加入接口擴(kuò)展芯片。該實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示：接口總線MCS51接口擴(kuò)展模塊語音識別模塊塊語音播報(bào)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖1 采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn) 方案二:采用SPCE061A實(shí)現(xiàn)語音控制電風(fēng)扇方案，由于SPCE061A內(nèi)部具有語音識別和語音播放功能，所以只需要比較以上兩個(gè)方案，該實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)如圖2示。MIC輸入模塊SPCE061A電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊語音輸出模塊圖2 采用凌陽SPCE061A實(shí)現(xiàn) 它具有16位控制器，體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。而且處理器運(yùn)行速度高，以及風(fēng)扇的實(shí)時(shí)控制需求，而且該單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)。凌陽SPCE061A與MCS51單片機(jī)性能比較如下表所示：表1　SPCE061A與8051系列性能比較系列類型SPCE061A8051 系列核心GPIO中斷結(jié)構(gòu)存儲器CPU時(shí)鐘16 位μ′nSP?核心32:A(16)、B(16)?？梢园次粏为?dú)定義其狀態(tài)14個(gè)中斷源,2個(gè)優(yōu)先級32K字FLASH ,2K字SRAM32768Hz (可軟件選)8 位8051 核心32:P0(8)/P1(8)/P3(8)。不可以單獨(dú)定義狀態(tài)5個(gè)中斷源,2個(gè)優(yōu)先級4KROM,128 字節(jié)RAM2 8MHz 由于凌陽SPCE061A 有以上特點(diǎn)，而且減少了很多51單片機(jī)所沒有的外圍電路，如聲電轉(zhuǎn)換電路，采樣電路，MIC輸入電路，語音放大及語音播報(bào)電路等。所以在控制系統(tǒng)的選擇上采用了方案2。SPCE061A 的其它特點(diǎn): 2個(gè)16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器；32768 實(shí)時(shí)時(shí)鐘；2 通道10 位DAC；7 通道10 位ADC 和1 通道MIC 輸入；具備觸鍵喚醒。低電壓檢測/ 復(fù)位功能；看門狗計(jì)數(shù)器；低電壓低功耗；自帶PWM 輸出功能；內(nèi)置式帶自動(dòng)增益控制的擴(kuò)音機(jī)輸入通道；大容量的ROM及靜態(tài)RAM；具有通用異步全雙工串行接口URAT；具有RS232 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送/ 接收波形；兩個(gè)數(shù)字式采樣比較端口；具有大量的語音播放函數(shù)，并且語音播放功能強(qiáng)大。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總體框圖如下圖3所示。凌陽SPCE061A單片機(jī)麥克風(fēng)MIC輸入揚(yáng)聲器電風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路電風(fēng)扇語音放大圖3 系統(tǒng)總體框圖 圖中的語音輸入部分MIC_ IN電路、濾波電路、聲音輸出部分的功率放大環(huán)節(jié)等已經(jīng)做到了精簡開發(fā)板——61 板上，聲音輸出直接接揚(yáng)聲器即可，為我們使用提供了很大的方便。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面，通過三個(gè)繼電器的通斷來分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速，減速，停三態(tài)運(yùn)行。 凌陽單片機(jī)硬件組成凌陽SPCE061A單片機(jī)板具有高度集成化的電路，很多電路都集成在61板上， 14個(gè)中斷源，1通道專用音頻AD轉(zhuǎn)換通道，7通道AD轉(zhuǎn)換通道，電源電路，內(nèi)置MIC放大電路和自動(dòng)增益(AGC)放大電路，2路電流輸出型的DA轉(zhuǎn)換通道，2個(gè)16位通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，實(shí)時(shí)實(shí)鐘（RTC），低電壓復(fù)位、低電壓監(jiān)測，內(nèi)置在線仿真接口（ICE），具有保密功能，具有WatchDog等功能。本設(shè)計(jì)只用到電路以下功能：電源電路，時(shí)鐘電路，MIC輸入電路，音頻放大輸出電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是設(shè)計(jì)的電路）。4．各部分硬件電路的設(shè)計(jì) 采用雙電源供電方式，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與控制系統(tǒng)電源分開，分別實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電供電。（由3節(jié)5號干電池即可）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接220V交流電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 凌陽單片機(jī)結(jié)構(gòu)概覽 SPCE061A有兩種封裝：一種為80個(gè)引腳，即LQFP80封裝，排列圖如圖4所示；另一種為84個(gè)引腳，即PLCC84封裝。圖5為SPACE061A的實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖。 圖4 SPCE061A PLCC80封裝圖 圖5 SPACE061A實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖 隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（DSP Digital Signal Processing）等領(lǐng)域。凌陽公司的16位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計(jì)的。它的CPU內(nèi)核采用凌陽最新推出的μ′nSP?（Microcontroller and Signal Processor）16位微處理器芯片（以下簡稱μ′nSP?。該μ′nSP?所形成的16位μ′nSP?系列單片機(jī)采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，以μ′nSP?內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的ROM、RAM以及并行I/O口﹑ADC和DAC﹑PWM﹑Watchdog﹑UART﹑LVD和LVR﹑SIO等功能部件，這給智能風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。μ′nSP?有以下特點(diǎn)：(1) 集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展。 (2) μ′nSP?把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而減少了各功能部件之間的連線，提高了其可靠性和抗干擾能力。另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。有較強(qiáng)的中斷處理和數(shù)字信號處理的能力。 (3)μ′nSP?的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及14個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。 (4) 高性能價(jià)格比。 (5)μ′nSP?片內(nèi)帶有高尋址能力的ROM、靜態(tài)RAM和多功能的I/O口。另外，μ′nSP?的指令系統(tǒng)提供具有較高運(yùn)算速度的16位16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了DSP功能，使得μ′nSP?運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號處理方面既很便利，又比專用的DSP芯片廉價(jià)。 (6)功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng)。 (7)μ′nSP?指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速,并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對高級語言的支持,這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。 (8)低功耗、低電壓。(9)μ′nSP?采用CMOS制造工藝，同時(shí)增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方和掉電方式，極大地降低了其功耗。(10)μ′nSP?的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時(shí)正常工作，且能用電池供電。這對于其在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有特殊的意義。 MIC輸入電路及音頻放大輸出電路本系統(tǒng)接入MIC電路,如圖6所示，MIC為錄制語音辨識命令服務(wù)。MIC采集的語言先通過內(nèi)置自動(dòng)增益控制放大器,再經(jīng)SPCE061A內(nèi)置的八通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)字量信號,硬件ADC最高采樣速率可達(dá)96KHZ。 圖6 MIC輸入電路 圖7 音頻輸出電路凌陽的SPCE061A 16位單片機(jī),具有DSP功能,其中內(nèi)嵌有高速AD轉(zhuǎn)換器, 有很強(qiáng)的信息處理能力,最高時(shí)鐘可達(dá)到49M,具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢,這為語音的播放、錄放、合成及辨識提供了條件。音頻輸出部分的原理圖ADC如圖7所示 從圖7中可以看到兩個(gè)跳線，其作用在于可以測量DAC的輸出波形；另外拔掉跳線，斷開DAC到喇叭放大的通路，使得DAC通道處于開路狀態(tài)。這樣便于用DAC做其他用途，用戶可以用過這個(gè)跳線來加入自己的外圍電路。凌陽音頻壓縮算法根據(jù)不同的壓縮比分為以下幾種：SACMA2000：壓縮比為8:１，8:，8:1；5SACMS480： 壓縮比為80:3，80:；SACMS240： 壓縮比為80:。按音質(zhì)排序：A2000S480S240，本設(shè)計(jì)采用說S2040壓縮方式，先用windows系統(tǒng)自帶的錄音機(jī)事先把所需的語音信號錄制好，然后用凌陽Compress Tool工具將音頻文件進(jìn)行壓縮，最后命名成自己所需要的語音文件。本系統(tǒng)共包括十多個(gè)語音資源，SPCE061A單片機(jī)具有32k閃存，使用內(nèi)部flash即可滿足要求。凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出， DACDAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和AUD2管腳輸出，DAC輸出為電流型輸出，所以DAC輸出經(jīng)過SPY0030音頻放大，以驅(qū)動(dòng)喇叭放音，放大電路（圖7，只列出了DAC1,DAC2類似)，這為單片機(jī)的音頻設(shè)計(jì)提供了極大方便。在它們后面接一個(gè)簡單的音頻放大電路和喇叭即可實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能，音頻的具體功能主要通過程序來實(shí)現(xiàn)。凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出, DAC1,DAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和 AUD2管腳輸出,DAC輸出為電流型輸出,所以DAC輸出經(jīng)過SPY0030音頻放大,以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)總體電路圖如下圖8所示：圖8 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路對該部分電路的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)解決兩個(gè)問題：弱電（凌陽單片機(jī)系統(tǒng)）和強(qiáng)電（AC220V）的控制。再就是電平工作部分，由于電平驅(qū)動(dòng)不夠，在這里我選擇了9012三極管來放大從而來驅(qū)動(dòng)繼電器。對于問題一，我采用了繼電器控制電路，其中AC 5V繼電器是一個(gè)電磁繼電器，它有一個(gè)線圈，在線圈中通入電流時(shí)，在它周圍就產(chǎn)生磁場，也就是說，它變成了一個(gè)電磁鐵，在它的磁極處，有一個(gè)軟鐵做的銜鐵，作為動(dòng)觸點(diǎn)，當(dāng)通電時(shí)，街鐵被吸引過來，就可以實(shí)現(xiàn)與靜觸點(diǎn)的斷開或閉合，從而可以控制電路的通斷，它實(shí)質(zhì)就是一個(gè)能自動(dòng)控制的開關(guān)?？梢詫?shí)現(xiàn)低電壓弱電流控制高電壓強(qiáng)電流。對于驅(qū)動(dòng)力方面，由于8050不能驅(qū)動(dòng)AC 5V的繼電器，所以我改成了9012來作為驅(qū)動(dòng)放大。對于PNP型三極管9012，后面會具體介紹。下面介紹繼電器的工作原理和特性。 繼電器原理及電路符號圖9 繼電器原理及電路符號繼電器線圈在電路中用一個(gè)長方框符號表示，如果繼電器有兩個(gè)線圈，就畫兩個(gè)并列的長方框。同時(shí)在長方框內(nèi)或長方框旁標(biāo)上繼電器的文字符號“J”。繼電器的觸點(diǎn)有兩種表示方法：一種是把它們直接畫在長方框一側(cè)，這種表示法較為直觀。另一種是按照電路連接的需要，把各個(gè)觸點(diǎn)分別畫到各自的控制電路中，通常在同一繼電器的觸點(diǎn)與線圈旁分別標(biāo)注上相同的文字符號，并將觸點(diǎn)組編上號碼，以示區(qū)別。電磁繼電器的工作原理和特性如下 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈