王爽，張啟龍，李澤慶，文琴，譚紅珊，邢校悅

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)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(jìn)行。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，用電安全是我們比較常見的，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(guān)，他們都是觸點(diǎn)電子開關(guān)，有機(jī)械磨損，會(huì)產(chǎn)生電離火花，并且它們都離不開手的動(dòng)作，所以安全性能存在一定程度上的隱患。因此設(shè)計(jì)一款能語音控制開關(guān)的設(shè)計(jì)，語音識(shí)別聲控開關(guān)是通過人的語音來遙控開關(guān)得以控制電燈或者電器的工作。實(shí)現(xiàn)不需要親自用手按動(dòng)開關(guān)，其安全性大可放心，除對(duì)燈的智能控制外，還添加了熱水器溫度調(diào)控的功能，實(shí)現(xiàn)安全的同時(shí)也增加些方便。

1 整體設(shè)計(jì)

智能語音開關(guān)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(shí)，通過用戶發(fā)送指令后，單片機(jī)，單片機(jī)與傳感器進(jìn)行信息交換后，再通過繼電器對(duì)開關(guān)或電器的控制。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 智能語音開關(guān)的系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■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(chǔ)，是一種優(yōu)秀的8 位微型計(jì)算機(jī)芯片，其運(yùn)行后的高穩(wěn)定性、高處理速度，還有高實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)都適合設(shè)計(jì)，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(jià)格也是好于同類的其他產(chǎn)品。

■2.2 語音識(shí)別模塊

采用芯片LD3320 進(jìn)行語音識(shí)別模塊[2]的設(shè)計(jì)。LD3320 是非特定人語音識(shí)別芯片，即語音聲控芯片，最多可以識(shí)別50 條預(yù)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(shí)別處理器，還兼具一些必要的外設(shè)電路，可以省去外掛芯片和輔助芯片，一“芯”多用的同時(shí)還具有識(shí)別率高，操作簡單，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。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(dǎo)體材料，會(huì)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(dāng)時(shí)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(shí)，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(qiáng)，工作范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，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(xué)原理設(shè)計(jì)的接觸式水位測控裝置，主要由光電傳感器和開關(guān)放大器組成。光電水位傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單的同時(shí)還具有精度和靈敏度高，不需要進(jìn)行調(diào)試，在高溫高壓的環(huán)境下也能進(jìn)行正常工作，是一款測量水位較為理想的傳感器，安裝時(shí)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(hào)，從而控制設(shè)備進(jìn)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(diǎn)比較點(diǎn)，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(shè)計(jì)中主要用于對(duì)人是否長時(shí)間不在場，自動(dòng)關(guān)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(jià)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(qiáng)安全和信號(hào)強(qiáng)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(shè)計(jì)

■3.1 軟件設(shè)計(jì)總述

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是以C51 最小系統(tǒng)正常運(yùn)行后，各個(gè)系統(tǒng)模塊進(jìn)行初始化，通過語音或者按鍵輸入的命令進(jìn)行相應(yīng)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?？诹钅Ｊ胶桶存I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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不同的測溫范圍，連線較為簡單，系統(tǒng)通過一個(gè)電阻連接到Pt100 傳感器的供電端即可，工作電壓為5V。運(yùn)用的基本電路圖如圖4 所示。

圖4 Pt100 應(yīng)用電路圖

■3.4 水位傳感器

光電式水位傳感器FS-IR02，將信號(hào)輸入MCU 模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可實(shí)現(xiàn)。

■3.5 人體紅外傳感器模塊

采用高低電平進(jìn)行感應(yīng)控制，當(dāng)在范圍內(nèi)感應(yīng)到人的時(shí)候，進(jìn)行高電平輸出，此時(shí)燈便會(huì)自動(dòng)打開，無人的時(shí)候便改為低電平輸出，同時(shí)高電平會(huì)持續(xù)一小段時(shí)間，再進(jìn)行關(guān)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(jìn)行修改參數(shù)，稱為at 系列rom，這種rom可以使用at 命令進(jìn)行芯片參數(shù)的設(shè)置，此時(shí)可以選擇將芯片的穿透模式打開增加墻后的信號(hào)強(qiáng)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(jìn)行控制，同時(shí)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(jìn)行隨時(shí)查看?？墒褂肁ndroid Studio 開發(fā)APP 對(duì)芯片進(jìn)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(jī)，試驗(yàn)仿真中無法對(duì)語音模塊進(jìn)行模擬，本次主要對(duì)傳感器和實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行模擬。系統(tǒng)通電后，每個(gè)模塊進(jìn)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(dāng)前溫度，TW 表示熱水器當(dāng)前設(shè)定的溫度，LE 表示當(dāng)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(shè)計(jì)會(huì)把信息實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶的智能手機(jī)上，方便用戶進(jìn)行監(jiān)控，使用串口助手對(duì)通信進(jìn)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(dòng)變阻器（圖8）的阻值來模擬水位變化，阻值最大時(shí)（圖9）即為加滿水。

圖8 滑動(dòng)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(shè)置裝置的加減按鈕（圖10），設(shè)置用戶想要的溫度。如果設(shè)定的溫度是超過熱水器中水的當(dāng)前溫度值，那么系統(tǒng)便會(huì)通過繼電器啟動(dòng)加熱裝置（圖11），直到達(dá)到用戶設(shè)定的溫度，若用戶設(shè)定的溫度小于或等于當(dāng)前的溫度，加熱裝置會(huì)停止運(yùn)行。

圖10 溫度設(shè)置裝置

圖11 加熱裝置

■4.4 人體紅外照明燈

當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到人后（按壓模擬有人，松開模擬無人），開關(guān)會(huì)自動(dòng)閉合（圖12），相應(yīng)的照明燈會(huì)亮，反之會(huì)熄滅，也可進(jìn)行鎖定，使照明燈處于長亮的狀態(tài)。

圖12 人體紅外感應(yīng)燈

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)利用了51 單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)，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(gòu)成，并對(duì)其中的幾項(xiàng)功能效果進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)可對(duì)家里常用的電器進(jìn)行語音控制和監(jiān)控，一“關(guān)”多用，提高家庭的日常生活中的安全性與便捷性，也實(shí)現(xiàn)一定程度上的節(jié)能，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。