基于AT89C51 的智能語音開關設計

王爽，張啟龍，李澤慶，文琴，譚紅珊，邢校悅

（六盤水師范學院 物理與電氣工程學院，貴州六盤水，553000）

0 引言

隨著人口老年化，還有留守兒童的增多，家中只有老人與小孩的家庭不在少數(shù)，安全是伴隨我們一生的，任何事情的前提都是在能保證安全的環(huán)境下進行。在我們?nèi)粘Ｉ钪校秒姲踩俏覀儽容^常見的，雖然現(xiàn)在的電器大多都是比較安全的，但還是存在用電方面的安全隱患，而傳統(tǒng)的按鍵式和拉線式開關，他們都是觸點電子開關，有機械磨損，會產(chǎn)生電離火花，并且它們都離不開手的動作，所以安全性能存在一定程度上的隱患。因此設計一款能語音控制開關的設計，語音識別聲控開關是通過人的語音來遙控開關得以控制電燈或者電器的工作。實現(xiàn)不需要親自用手按動開關，其安全性大可放心，除對燈的智能控制外，還添加了熱水器溫度調(diào)控的功能，實現(xiàn)安全的同時也增加些方便。

1 整體設計

智能語音開關主要由AT89C51 為主控模塊[1]，人體紅外傳感器、水位傳感器、溫度傳感器、通信模塊以及LCD顯示屏組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，通過用戶發(fā)送指令后，單片機，單片機與傳感器進行信息交換后，再通過繼電器對開關或電器的控制。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 智能語音開關的系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

■2.1 最小系統(tǒng)

美國的ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C51 芯片，使用的起來比較簡單，產(chǎn)生的功耗小，并且有著 4K 閃速存儲，是一種優(yōu)秀的8 位微型計算機芯片，其運行后的高穩(wěn)定性、高處理速度，還有高實時性等優(yōu)點都適合設計，系統(tǒng)斷電后，原來的系統(tǒng)狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)都能得以保存，性能與價格也是好于同類的其他產(chǎn)品。

■2.2 語音識別模塊

采用芯片LD3320 進行語音識別模塊[2]的設計。LD3320 是非特定人語音識別芯片，即語音聲控芯片，最多可以識別50 條預先內(nèi)置的指令。使用LD3320 能讓電路簡單化，它不僅帶有語音識別處理器，還兼具一些必要的外設電路，可以省去外掛芯片和輔助芯片，一“芯”多用的同時還具有識別率高，操作簡單，功耗低等優(yōu)點。芯片的原理圖如圖2 所示。

圖2 語音芯片LD3320 原理圖

■2.3 溫度傳感器

可采用Pt100 溫度傳感器[3]。由于Pt 是半導體材料，會隨溫度的變化而呈現(xiàn)出阻值的不同，這種變化能用曲線的形式表現(xiàn)出，反而言之，只要測量出其阻值，也能知道當時所處環(huán)境的溫度，這也就是熱電阻的測溫原理，Pt100 是根據(jù)其特性命名的，它處于0℃的環(huán)境中時，阻值為0。Pt100 溫度傳感器還具有精度高，穩(wěn)定性好，耐壓性強，工作范圍廣等優(yōu)點，能根據(jù)工作電路的不同改變其測溫范圍。

■2.4 水位傳感器

可采用光電式水位傳感器FS-IR02，光電水位傳感器是一款利用光學原理設計的接觸式水位測控裝置，主要由光電傳感器和開關放大器組成。光電水位傳感器結(jié)構比較簡單的同時還具有精度和靈敏度高，不需要進行調(diào)試，在高溫高壓的環(huán)境下也能進行正常工作，是一款測量水位較為理想的傳感器，安裝時也很簡單，只需安裝于容器底部和側(cè)面，這樣就能給出水位過低和水位過高兩種信號，從而控制設備進行加水與停止。

■2.5 人體紅外傳感器

可采用HC-SR501 人體紅外傳感器[4]。HC-SR501 人體紅外傳感器是一種高靈敏探測元件，它的優(yōu)點比較點，如無輻射，小巧方便隱藏安裝，消耗的功率低等。它能非接觸檢測人體散發(fā)的輻射能量檢，在本設計中主要用于對人是否長時間不在場，自動關燈并發(fā)送消息提醒用戶。

■2.6 通信模塊

可采用ESP8266 系列芯片[5]，工作電源為直流電源3.3V，小巧低功耗，價格低廉，支持穿墻模式，同系列的還有ESP8266-02，ESP8266-03 等，除了引腳外使用的核心芯片都是相同的，有些芯片則為了增強安全和信號強度，在其核心芯片上加上金屬屏蔽外殼和外接天線。

3 軟件設計

■3.1 軟件設計總述

系統(tǒng)實現(xiàn)的是以C51 最小系統(tǒng)正常運行后，各個系統(tǒng)模塊進行初始化，通過語音或者按鍵輸入的命令進行相應的功能控制。

■3.2 語音模塊

語音芯片LD3320 語音模塊采用芯片具有三種工作模式：普通模式，按鍵模式，口令模式，其中普通模式可以忽略，通常口令模式和按鍵模式結(jié)合使用，可避免在嘈雜的環(huán)境下誤工作。芯片的工作流程與連接如圖3 所示。

圖3 LD3320 的工作流程與連接

■3.3 溫度傳感器模塊

設計可采用Pt100 作為溫度傳感器，其電路一般搭配前置放大電路以實現(xiàn)不同的測溫范圍，連線較為簡單，系統(tǒng)通過一個電阻連接到Pt100 傳感器的供電端即可，工作電壓為5V。運用的基本電路圖如圖4 所示。

圖4 Pt100 應用電路圖

■3.4 水位傳感器

光電式水位傳感器FS-IR02，將信號輸入MCU 模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，對數(shù)據(jù)進行分析即可實現(xiàn)。

■3.5 人體紅外傳感器模塊

采用高低電平進行感應控制，當在范圍內(nèi)感應到人的時候，進行高電平輸出，此時燈便會自動打開，無人的時候便改為低電平輸出，同時高電平會持續(xù)一小段時間，再進行關閉。

■3.6 通信模塊

ESP8266 官方提供兩種rom，其中一種是使用at 命令進行修改參數(shù)，稱為at 系列rom，這種rom可以使用at 命令進行芯片參數(shù)的設置，此時可以選擇將芯片的穿透模式打開增加墻后的信號強度。另一種是物聯(lián)網(wǎng)的rom，ESP 的一部分GPIO 可以通過此種rom 進行控制，同時傳感器的數(shù)據(jù)能通過ESP8266發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，方便用戶進行隨時查看。可使用Android Studio 開發(fā)APP 對芯片進行配置使用，電路原理圖如圖5 所示。

4 系統(tǒng)整體仿真

由于語音模塊是使用串口直接連接51 單片機，試驗仿真中無法對語音模塊進行模擬，本次主要對傳感器和實現(xiàn)的功能進行模擬。系統(tǒng)通電后，每個模塊進行初始化后，初始狀態(tài)的整體仿真如圖6 所示（T 表示熱水器當前溫度，TW 表示熱水器當前設定的溫度，LE 表示當前水位）。

圖6 系統(tǒng)通電后的初始狀態(tài)

■4.1 信息發(fā)送

本設計會把信息實時發(fā)送到用戶的智能手機上，方便用戶進行監(jiān)控，使用串口助手對通信進行模擬，接收信息如圖7 所示。

圖7 信息接收

■4.2 加水

仿真中通過改變滑動變阻器（圖8）的阻值來模擬水位變化，阻值最大時（圖9）即為加滿水。

圖8 滑動變阻器模擬水位

圖9 加滿水后水位LE 為100%

■4.3 空調(diào)和熱水器的調(diào)控

為方便仿真，熱水器的溫度調(diào)控原理與熱水器的類似，以下只介紹熱水器的仿真原理。按下溫度設置裝置的加減按鈕（圖10），設置用戶想要的溫度。如果設定的溫度是超過熱水器中水的當前溫度值，那么系統(tǒng)便會通過繼電器啟動加熱裝置（圖11），直到達到用戶設定的溫度，若用戶設定的溫度小于或等于當前的溫度，加熱裝置會停止運行。

圖10 溫度設置裝置

圖11 加熱裝置

■4.4 人體紅外照明燈

當感應器感應到人后（按壓模擬有人，松開模擬無人），開關會自動閉合（圖12），相應的照明燈會亮，反之會熄滅，也可進行鎖定，使照明燈處于長亮的狀態(tài)。

圖12 人體紅外感應燈

5 結(jié)語

本設計利用了51 單片機的相關知識，結(jié)合人體紅外傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、語音模塊和通信模塊等構成，并對其中的幾項功能效果進行仿真，實現(xiàn)可對家里常用的電器進行語音控制和監(jiān)控，一“關”多用，提高家庭的日常生活中的安全性與便捷性，也實現(xiàn)一定程度上的節(jié)能，適應時代發(fā)展。