語音控制家用電器系統(tǒng)電路設(shè)計 —電路圖天天讀（67）

　　智能電子技術(shù)在現(xiàn)實生活中的智能家居電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。特別是計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。智能家電通過處理電子技術(shù)， 來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家電相比， 智能家電不僅具有傳統(tǒng)的家電功能， 還能根據(jù)人們的語音指揮， 由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄鲃幼R別語音執(zhí)行的智慧工具， 優(yōu)化人們的生活方式， 幫助人們有效安排時間， 增強(qiáng)家居生活的安全性、舒適性。本文通過對傳統(tǒng)的家庭照明系統(tǒng)、電扇和電視機(jī)進(jìn)行改造， 使其成為具語音識別功能的智能家電，由于條件限制此次設(shè)計的智能控制系統(tǒng)由驅(qū)動LED顯示來進(jìn)行仿真實現(xiàn)。

　　語音模塊

　　語音輸出電路如圖所示，其中VDDH為參考電壓，VSS是系統(tǒng)的模擬地。音頻信號由SPCE061A 的DAC引腳輸出送到電路的J4端，通過音量電位器R9的調(diào)節(jié)端送到集成音頻功率放大器SPY0030，經(jīng)音頻放大后，音頻信號從SPY0030輸出經(jīng)J2 端口外接揚(yáng)聲器播放聲音。 SPCE061A內(nèi)置2路10位精度的DAC，只需要外接功放電路即可完成語音的播放。圖中的SPY0030是凌陽的一款音頻放大芯片，可以工作在2.4~6V范圍內(nèi)，最大輸出功率可達(dá)700mW。 J5 都是語音輸出接口，；是兩針的插針外接喇叭，由DAC 輸出引腳經(jīng)語音集成。

　　放大器SPY0030 放大，然后輸出。SPY0030 是音頻功率放大器。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象稱為三極管的放大作用。經(jīng)過電流與電壓的共同放大，就完成了功率放大。R14為可調(diào)電阻，當(dāng)調(diào)節(jié)阻值大小事，即調(diào)節(jié)了基極的輸入信號，最終影響的就是輸出信號即語音輸出音量的大小。SPY0030的放大倍數(shù)固定為20倍。

　　語音輸入電路如圖所示，其中VMC提供傳聲器的電源，AVSS1是系統(tǒng)的模擬地，VCM為參考電壓，1腳和2腳分別是傳聲器X1的正極、負(fù)極的輸入引腳，連接SPCE061A的MICP、NICN管腳上。當(dāng)對著傳聲器講話時，1腳和2腳將隨著傳聲器輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形，并在SPCE061A的兩個端口處形成兩路反相的波形，送到SPCE061A控制器內(nèi)部的運(yùn)算放大器進(jìn)行音頻放大，經(jīng)過放大的音頻信號，通過ADC轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，保存到相應(yīng)的寄存器中。 SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換器有8個通道，其中有1個通道是MIC-NI輸入，它專門用于對語音信號進(jìn)行采樣。語音信號經(jīng)過MCI轉(zhuǎn)換成電信號，然后輸入至SPCE061A內(nèi)部前置放大器。由于人們說話時，麥克風(fēng)距離嘴邊的距離不同，語音信號的能量將會有很大的差異，此時，如果芯片的的輸入信號太大或是太小都將影響識別的精度。而SPCE06lA內(nèi)部就帶有自動增益控制電路AGC能隨時跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號電平，當(dāng)輸入信號增大時AGC電路自動減小放大器的增益；當(dāng)輸入信號減小時，AGC電路自動增大放大器的增益，從而以補(bǔ)償太小或是太大的信號，以便使進(jìn)入戶A/D的信號保持在最佳電平，又可使削波減至最小。 SPCE061A芯片中已經(jīng)集成了音頻輸入專用ADC以及AGC放大電路，因為此芯片外部的電路比較簡單。

　　MICP和MICN將隨著MIC產(chǎn)生的波形變化，并在兩個端口處形成兩路反相波形，在經(jīng)過兩級運(yùn)放放大，把放大的語音信號交給ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這時就可以通過單片機(jī)編程對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行語音處理識別等功能。 正如我們在前面介紹的61 板具有強(qiáng)大的語音處理功能，如圖3-8所示，X1 是語音的MIC 輸入端，帶自動增益（AGC）控制。

　　SPR4096外擴(kuò)Flash模塊

　　在本系統(tǒng)中，當(dāng)我們對系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練、識別、操作時，有一些語音提示，由于SPCE061A內(nèi)部只有32k字的flash空間，除了一部分空間作為程序的存儲之后，剩下的用來存儲語音數(shù)據(jù)時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，于是系統(tǒng)外擴(kuò)了flash。SPR4096與SPCE061A的連接方式為：SCK與SPCE061A的IOB0接，SDA與SPCE061A的IOB1口接。SPR4096按串行接口模式工作，要把CF2~CF0均接高電平。CF7為低電平時選中FLASH，高電平時選中SRAM。 SPR4096是一個高性能的4M-bit（512&TImes;8-bit）FLASH，分為256個扇區(qū)。每個扇區(qū)2Kbyte。SPR4096還內(nèi)置了以個4K&TImes;8bit的SRAM。在進(jìn)行FLASH的編程/擦除時，可以并發(fā)執(zhí)行SRAM的讀/寫。SPR4096內(nèi)置了一個總線存儲器接口和一個串行接口，它允許單片機(jī)通過8-bit并行模式或者1-bit的串行模式訪問FLASH/SRAM存儲區(qū)。 SPR4096串行接口的工作頻率可達(dá)到5MHz。SPR4096有兩個電源輸入端VDDI和VDDQ。VDDI是給內(nèi)部FLASH和控制邏輯供電的；VDDQ是專門為I/O供電的。

　　供電電壓VDDQ:2.25V~3.6V。SPR4096最大讀電流為2mA，最大編程/擦除電流為6 mA 。SPR4096模塊包括總線存儲接口，串行接口，SRAM，編程與擦除控制器和一個4M的FLASH。選擇串行接口時，SCLK作為時鐘信號線，SDA作為1-bit的數(shù)據(jù)線。如果接收到FLASH的讀指令或者SRAM的讀/寫指令，串口會把這些指令傳給編程和擦除控制器，讓編程和擦除控制器去完成相應(yīng)操作。 串行接口模式的選中是通過CF2~CF0來實現(xiàn)的。當(dāng)CF2~CF0均接高電平時，選中的就是串行接口模式，在串行接口模式下，CF7為低電平時選中FLASH，高電平時選中SRAM。該芯片有SIF（Serial Interface）和BMI（Busmenory Interface）兩種工作方式，但DIP24只支持SIF方式。
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　　系統(tǒng)電源電路設(shè)計

　　SPCE061A采用低電壓供電方式，這可以大大降低芯片的功率損耗。其中，SPCE06lA的電源分兩種，即內(nèi)核電源（VDD）和I/O口電源（VDDH）。I/O口電源采用5V電壓，而內(nèi)核電源則為3.3V或者更低。降低芯片內(nèi)核電壓的目的主要還是降低芯片的功耗，同時也可以降低芯片的工作溫度，延長芯片使用壽命。盡管這種語音芯片的工作電壓范圍很大，但是為了使芯片內(nèi)核運(yùn)行更加穩(wěn)定，同時又保證I/O口及外部擴(kuò)展部件的工作電壓要求，電源電路采用芯片7805和SPY0029分別提供5V和3.3V電壓完成對整個系統(tǒng)供電。 7805芯片電路中正常工作是，輸入、輸出電壓差為2～3V。電路中靠近引腳處接入電容C40、C41用來實現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C39是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。

　　6是保護(hù)二級管，當(dāng)輸入端短路時，給輸出電容器C39一個放電通路，防止C39兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。

　　控制與結(jié)果顯示電路

　　鍵盤模組可直接用排線與61單片機(jī)I/O口相連。1*8KEY 的8 列分別定義為COL1~COL8，1 行定義為ROW1。如圖3-11所示。 按鍵分別和SPCE061A的IOA0~IOA7相連，他們的作用分別為1個系統(tǒng)開關(guān)鍵，1個系統(tǒng)復(fù)位鍵，1個單個命令訓(xùn)練按鍵，1個所有語句循環(huán)訓(xùn)練按鍵，剩余4個初步設(shè)定為LCD功能控制按鍵。每個按鍵的按下與抬起都會送給IOA口一個電壓值，當(dāng)按鍵按下使相應(yīng)的IOA口得到一個高電壓。相反，則為低電壓。單片機(jī)則根據(jù)IO口的電壓值進(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　LED模組

　　利用LED顯示來測試是否達(dá)到控制電器目標(biāo)。利用數(shù)碼管顯示數(shù)字的不同來模擬驗證是否能達(dá)到對家用電器的控制。 LED和LCD電路作為系統(tǒng)的顯示部分，以顯示當(dāng)前的系統(tǒng)狀況及識別結(jié)果以便檢驗實驗結(jié)果和提示用戶進(jìn)行下一步操作。LCD部分在實驗階段可不接入。 計劃采用內(nèi)置SPLC0501點陣式圖形液晶顯示模塊由液晶驅(qū)動控制器SPLC501、LCD顯示器和外部設(shè)備的接口等幾部分組成，液晶驅(qū)動控制器SPLC501集行、列驅(qū)動器、顯示數(shù)據(jù)存儲器（DDRAM，Display Data RAM）和控制器與一體，廣泛用于小規(guī)模液晶顯示模塊。內(nèi)置SPLC501點陣式圖形液晶顯示模塊的管腳排列和SPEC061A接線方法如圖所示。

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點評分析：

　　雖然實現(xiàn)了語音控制家用電器，但是總的來說系統(tǒng)界面不是很友好。為此，我們可以充分利用計算機(jī)和通信技術(shù)，并用VB等軟件開發(fā)友好的管理界面，將數(shù)據(jù)和其他信息通過計算機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行管理和控制。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們物質(zhì)文化需求日益增長，智能家居系統(tǒng)必將受到人們的青睞。它能大大提高人們的生活品質(zhì)，為人們帶來高度智能化的生活。相信這種界面友好功能強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)會有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。
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