基于AT89C51 的智能语音开关设计

王爽，张启龙，李泽庆，文琴，谭红珊，邢校悦

（六盘水师范学院 物理与电气工程学院，贵州六盘水，553000）

0 引言

随着人口老年化，还有留守儿童的增多，家中只有老人与小孩的家庭不在少数，安全是伴随我们一生的，任何事情的前提都是在能保证安全的环境下进行。在我们日常生活中，用电安全是我们比较常见的，虽然现在的电器大多都是比较安全的，但还是存在用电方面的安全隐患，而传统的按键式和拉线式开关，他们都是触点电子开关，有机械磨损，会产生电离火花，并且它们都离不开手的动作，所以安全性能存在一定程度上的隐患。因此设计一款能语音控制开关的设计，语音识别声控开关是通过人的语音来遥控开关得以控制电灯或者电器的工作。实现不需要亲自用手按动开关，其安全性大可放心，除对灯的智能控制外，还添加了热水器温度调控的功能，实现安全的同时也增加些方便。

1 整体设计

智能语音开关主要由AT89C51 为主控模块[1]，人体红外传感器、水位传感器、温度传感器、通信模块以及LCD显示屏组成的系统。系统工作时，通过用户发送指令后，单片机，单片机与传感器进行信息交换后，再通过继电器对开关或电器的控制。系统框图如图1 所示。

图1 智能语音开关的系统框图

2 硬件设计

■2.1 最小系统

美国的ATMEL 公司生产的AT89C51 芯片，使用的起来比较简单，产生的功耗小，并且有着 4K 闪速存储，是一种优秀的8 位微型计算机芯片，其运行后的高稳定性、高处理速度，还有高实时性等优点都适合设计，系统断电后，原来的系统状态信息和数据都能得以保存，性能与价格也是好于同类的其他产品。

■2.2 语音识别模块

采用芯片LD3320 进行语音识别模块[2]的设计。LD3320 是非特定人语音识别芯片，即语音声控芯片，最多可以识别50 条预先内置的指令。使用LD3320 能让电路简单化，它不仅带有语音识别处理器，还兼具一些必要的外设电路，可以省去外挂芯片和辅助芯片，一“芯”多用的同时还具有识别率高，操作简单，功耗低等优点。芯片的原理图如图2 所示。

图2 语音芯片LD3320 原理图

■2.3 温度传感器

可采用Pt100 温度传感器[3]。由于Pt 是半导体材料，会随温度的变化而呈现出阻值的不同，这种变化能用曲线的形式表现出，反而言之，只要测量出其阻值，也能知道当时所处环境的温度，这也就是热电阻的测温原理，Pt100 是根据其特性命名的，它处于0℃的环境中时，阻值为0。Pt100 温度传感器还具有精度高，稳定性好，耐压性强，工作范围广等优点，能根据工作电路的不同改变其测温范围。

■2.4 水位传感器

可采用光电式水位传感器FS-IR02，光电水位传感器是一款利用光学原理设计的接触式水位测控装置，主要由光电传感器和开关放大器组成。光电水位传感器结构比较简单的同时还具有精度和灵敏度高，不需要进行调试，在高温高压的环境下也能进行正常工作，是一款测量水位较为理想的传感器，安装时也很简单，只需安装于容器底部和侧面，这样就能给出水位过低和水位过高两种信号，从而控制设备进行加水与停止。

■2.5 人体红外传感器

可采用HC-SR501 人体红外传感器[4]。HC-SR501 人体红外传感器是一种高灵敏探测元件，它的优点比较点，如无辐射，小巧方便隐藏安装，消耗的功率低等。它能非接触检测人体散发的辐射能量检，在本设计中主要用于对人是否长时间不在场，自动关灯并发送消息提醒用户。

■2.6 通信模块

可采用ESP8266 系列芯片[5]，工作电源为直流电源3.3V，小巧低功耗，价格低廉，支持穿墙模式，同系列的还有ESP8266-02，ESP8266-03 等，除了引脚外使用的核心芯片都是相同的，有些芯片则为了增强安全和信号强度，在其核心芯片上加上金属屏蔽外壳和外接天线。

3 软件设计

■3.1 软件设计总述

系统实现的是以C51 最小系统正常运行后，各个系统模块进行初始化，通过语音或者按键输入的命令进行相应的功能控制。

■3.2 语音模块

语音芯片LD3320 语音模块采用芯片具有三种工作模式：普通模式，按键模式，口令模式，其中普通模式可以忽略，通常口令模式和按键模式结合使用，可避免在嘈杂的环境下误工作。芯片的工作流程与连接如图3 所示。

图3 LD3320 的工作流程与连接

■3.3 温度传感器模块

设计可采用Pt100 作为温度传感器，其电路一般搭配前置放大电路以实现不同的测温范围，连线较为简单，系统通过一个电阻连接到Pt100 传感器的供电端即可，工作电压为5V。运用的基本电路图如图4 所示。

图4 Pt100 应用电路图

■3.4 水位传感器

光电式水位传感器FS-IR02，将信号输入MCU 模数转换端口，对数据进行分析即可实现。

■3.5 人体红外传感器模块

采用高低电平进行感应控制，当在范围内感应到人的时候，进行高电平输出，此时灯便会自动打开，无人的时候便改为低电平输出，同时高电平会持续一小段时间，再进行关闭。

■3.6 通信模块

ESP8266 官方提供两种rom，其中一种是使用at 命令进行修改参数，称为at 系列rom，这种rom可以使用at 命令进行芯片参数的设置，此时可以选择将芯片的穿透模式打开增加墙后的信号强度。另一种是物联网的rom，ESP 的一部分GPIO 可以通过此种rom 进行控制，同时传感器的数据能通过ESP8266发送到互联网上，方便用户进行随时查看。可使用Android Studio 开发APP 对芯片进行配置使用，电路原理图如图5 所示。

4 系统整体仿真

由于语音模块是使用串口直接连接51 单片机，试验仿真中无法对语音模块进行模拟，本次主要对传感器和实现的功能进行模拟。系统通电后，每个模块进行初始化后，初始状态的整体仿真如图6 所示（T 表示热水器当前温度，TW 表示热水器当前设定的温度，LE 表示当前水位）。

图6 系统通电后的初始状态

■4.1 信息发送

本设计会把信息实时发送到用户的智能手机上，方便用户进行监控，使用串口助手对通信进行模拟，接收信息如图7 所示。

图7 信息接收

■4.2 加水

仿真中通过改变滑动变阻器（图8）的阻值来模拟水位变化，阻值最大时（图9）即为加满水。

图8 滑动变阻器模拟水位

图9 加满水后水位LE 为100%

■4.3 空调和热水器的调控

为方便仿真，热水器的温度调控原理与热水器的类似，以下只介绍热水器的仿真原理。按下温度设置装置的加减按钮（图10），设置用户想要的温度。如果设定的温度是超过热水器中水的当前温度值，那么系统便会通过继电器启动加热装置（图11），直到达到用户设定的温度，若用户设定的温度小于或等于当前的温度，加热装置会停止运行。

图10 温度设置装置

图11 加热装置

■4.4 人体红外照明灯

当感应器感应到人后（按压模拟有人，松开模拟无人），开关会自动闭合（图12），相应的照明灯会亮，反之会熄灭，也可进行锁定，使照明灯处于长亮的状态。

图12 人体红外感应灯

5 结语

本设计利用了51 单片机的相关知识，结合人体红外传感器、温度传感器、水位传感器、语音模块和通信模块等构成，并对其中的几项功能效果进行仿真，实现可对家里常用的电器进行语音控制和监控，一“关”多用，提高家庭的日常生活中的安全性与便捷性，也实现一定程度上的节能，适应时代发展。