金國華 賈澤宇 熊浩淼 楊光裕 趙宇凱

（大連海事大學國家級電工電子教學示范中心 遼寧·大連 116026）

1 系統(tǒng)功能和結構

1.1 系統(tǒng)功能

（1）離線語音識別：當語音信號強度達到閾值，認為是接收到語音信號，并開始進行智能語音識別（ASR），當檢測到喚醒詞“垃圾桶”，系統(tǒng)被喚醒，等待用戶說出垃圾名稱。當再次接收到大于閾值的語音信號，再次進行ASR，判斷出用戶說的垃圾名稱。

（2）垃圾分類處理和桶蓋自動打開：檢測到用戶說出的垃圾名稱后，通過關鍵詞進行垃圾分類。分出垃圾所屬類型后，STMSTM32控制舵機打開對應桶蓋控制舵機打開對應桶蓋。6s后自動關閉桶蓋后自動關閉桶蓋。

（3）語音播報：當stm32端檢測到用戶說出喚醒詞，發(fā)送指令給語音播報模塊，外放喇叭便會播報“我在”的音頻，若判斷到相應的垃圾種類，便會播報音頻。

（4）OLED屏幕顯示：OLED屏幕顯示出作品名、作者等信息，當檢測到喚醒詞時會顯示“我在”，當分類完成后，顯示垃圾所屬類型。

1.2 系統(tǒng)結構

本設計利用STM32單片機作為系統(tǒng)控制核心，采用非特定語音識別芯片LD3320，利用非特定語音識別算法（SI-ASR）實現(xiàn)垃圾桶的智能化聲音識別和語音控制，完成語音控制垃圾桶各方向運動、非接觸式智能開閉等功能。通過JQ8400集成語音播報芯片配合OLED屏幕，設計UI界面，實現(xiàn)人機交互功能。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示：

圖1：系統(tǒng)結構框圖

2 硬件設計

系統(tǒng)采用的模塊有：STM32F103RCT6核心板、LD3320語音識別模塊、JQ8400語音播報模塊、OLED屏幕、舵機等。系統(tǒng)原理圖如圖2如圖2。

圖2：系統(tǒng)原理圖

2.1 STM32F103RCT6核心板

STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路，采用Cortex-M3內(nèi)核。Cortex-M3是一個32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，指令總線和數(shù)據(jù)總線共享同一個存儲器空間。硬件資源包括：48KB SRAM、256KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口及51個通用IO口。

2.2 LD3320語音識別模塊

LD3320是一顆基于非特定人語音識別技術的語音識/聲控芯片。提供了真正的單芯片語音識解決方案。LD3320芯片上集成了高精度的芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外輔助的 Flash和RAM，即可以實現(xiàn)語音識，即可以實現(xiàn)語音識/聲控/人機對話功能。并且，識別的關鍵詞語列表是可以動態(tài)編輯的。

該模塊是由LD3320芯片和STC11L08X單片機組成，可獨立進行編程。模塊可實現(xiàn)所有普通話的識別。LD3320芯片集成了語音信號采集、識別算法。使用時只需STC單片機與其進行SPI通信，即可實現(xiàn)語音識別功能，無需配套其他單片機即可完成工作。在本系統(tǒng)中，STC單片機通過串口與STM32芯片進行通信，只需將識別結果輸出到STM32單片機即可，同時也可在STM32端讀取語音識別芯片當前狀態(tài)。

2.3 JQ 8400語音播報模塊

JQ8400語音模塊選用的是SOC方案，集成了一個16位的MCU，以及一個專門針對音頻解碼的ADSP，采用硬解碼的方式更加保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性和音質(zhì)。小巧尺寸更加滿足嵌入其它產(chǎn)品的需求這個模塊價格低廉、上手容易支持串口控制，使用前只需將錄好的音頻文件正確命名，通過microUSB線拷貝到模塊內(nèi)存中即可。

2.4 OLED屏幕

選用0.96寸OLED屏幕，該模塊具有以下特點：三色可選，模塊有兩種單色和黃藍雙色兩種顏色可選，單色為純白色和存藍色，雙色為黃藍雙色；超小尺寸，顯示為0.96寸；高分辨率，為128*64；接口模式，接口模式，4線串行SPI接口模式；帶字庫，可顯示標準的國簡體（GB2312）漢字、8*16點ASCII粗體字庫、7*8點ASCII字庫、5*7點ASCII字庫。系統(tǒng)中采用藍色單色顯示，通過字庫顯示16*16的GB231格式漢字。

3 軟件設計

3.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖3所示：

圖3：主程序流程圖

3.2 語音識別程序

語音識別（ASR）技術，是基于關鍵詞語列表識的。只需要設定好別的關鍵詞語列表，并把這些以字符形式傳送到LD3320內(nèi)部，就可以對用戶說出的關鍵詞語進行識別，不需要做任何的錄音訓練。每次識別的過程，就是把用戶說出語音內(nèi)容通頻譜轉換為語音特征，和這個關鍵詞語列表中的條目進行逐一匹配，最優(yōu)作為識別結果。語音識別程序流程圖如圖4所示。

圖4：語音識別程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

在硬件連接上選擇采用面包板作為線主體，核心板和各模塊通過面包進行電氣連接；系統(tǒng)電源由腦USB口輸出，各個模塊的供電壓都為5V，可直接由USB口提供；添加OLED屏幕驅動程序并修改，進行UI界面設計；移植LD 3320語音識別模塊驅動程序，按照需求進行設置，并進行串口通信測試；移植JQ 8400語音播報模塊驅動程序，生成播報內(nèi)容及相關設置；舵機控制模塊調(diào)試。系統(tǒng)實物圖如圖5所示：

圖5：實物圖

測試過程：打開電源；等待一段時間，保證硬件初始化完成；說出指令“垃圾桶”；等待系統(tǒng)回應“我在”，同時OLED屏幕顯示；若無回應則重新說指令，多次無反應可能為語音識別芯片卡死，需重啟系統(tǒng)；說出垃圾名稱，此時系統(tǒng)播報垃圾所屬類型，打開對應垃圾桶，6s后關閉。

5 結束語

本實驗項目要求學生綜合運用所學知識完成智能分類垃圾桶的系統(tǒng)設計和制作，體現(xiàn)了一個完整的系統(tǒng)設計過程，需要經(jīng)歷學習研究、方案論證、系統(tǒng)軟硬件設計、仿真調(diào)試、實物制作與測試、設計總結等過程。使學生能深入了解模擬電子線路、數(shù)字電路與系統(tǒng)、EDA技術、傳感器原理與應用、單片機原理及其相關接口的綜合應用技術，掌握單片機應用系統(tǒng)設計的基本方法和步驟。通過本次設計，學生全程參與單片機應用系統(tǒng)的整個設計開發(fā)過程，進一步掌握了STM32單片機的應用，對SPI、串口通信的工作方式和配置有了進一步的理解和掌握，學生的自學能力、分析問題和解決問題的能力、軟硬件設計能力、實踐創(chuàng)新能力、系統(tǒng)工程設計、團隊合作意識等方面得到了很好的鍛煉和提升。