声控系统

声控系统（共7篇）

声控系统 篇1

0 引言

近年来,随着语音识别算法的深入研究和集成电路技术的发展,语音识别技术开始大规模地投入商用。调查结果显示,语音技术在全球的接受程度已经很高,在发达国家,大量的语音识别产品已经进入市场和服务领域,世界上其他国家的语音市场也正在形成。语音识别技术按其应用平台可分为基于PC机的大词汇量连续语音识别系统(如与电话网或者互联网相结合的语音信息查询服务系统),以及使用专门的硬件系统实现的小型化、便携式语音产品(如智能玩具、家电遥控等)。采用专用语音信号处理芯片开发语音产品,因其成本低、周期短且识别效果比较理想,已成为近年来流行的一种产品开发解决方案[1,2]。

本研究主要介绍利用Sensory公司第四代语音信号处理芯片RSC4128开发出语音识别声控车模系统。

1 总体设计

系统设计采用特定人语音识别技术。原因有两点:(1)非特定识别技术开发成本较高,每个模板都需要采集500人左右的语音素材,且对处理器运算速度要求高,更适于在PC机上应用;(2)本研究定位于普通车模,对象主要是普通人,只需对使用者进行特定人识别即可。

1.1 结构与功能设计

无线遥控声控车模系统的结构框图如图1所示。整个系统分为遥控模块和接收模块两大部分。

遥控模块部分包括:

(1)语音识别:首先使用者将各种控制命令(如前进、后退、左转、右转等)通过麦克风输入遥控器内部的RSC4128,并存储在数据存储器内。当使用者对着遥控器说出控制命令时,RSC4128对输入的声音进行识别。

(2)遥控发射:当RSC4128判断使用者说出的语音命令是合法的,则利用无线发射模块将方向和速度数据编码传输给接收模块。

接收模块部分包括:

(1)信号接收:接收发射端送来的方向和速度数据。

(2)电机驱动:当接收端收到方向或速度数据时,CPU对模型中的电动机进行控制,实现对直流电机的方向和速度控制,以及对步进电机的左右旋转角度控制。

1.2 语料库与文本设计

考虑到实际情况,结合语音识别芯片,可以通过定制训练使声控车模只听命于某一具体人,也可以无需训练声控车模而识别多达30句不同的词条,即可听懂30个无论男女老少的声音。所以在设计中还要考虑语料库的设计。

语料文本的设计按照对识别率有无影响分为语音识别语料和提示音语料两部分,其中前者对识别率影响较大。本系统通过对同组内词汇基频、共振峰以及语图谱3项参数的分析比较,降低同组内词汇的相似度,并且控制每组中识别词汇的数目小于30个,以达到提高识别率的目的[3]。

2 硬件设计

2.1 遥控模块的设计

2.1.1 语音识别部分的设计

本研究采用Sensory公司的语音信号处理芯片RSC4128作为主芯片,RSC4128是以8位单片机为核心的CMOS器件,具有128 KB的内部ROM,片上还集成了RAM、A/D、D/A、前端放大器及功率放大器等元件[4]。只需加上很少的外部元件,就可以组成一个语音识别系统。语音识别声控车模语音识别模块硬件原理框图如图2所示。

RSC4128是语音识别模块的主要芯片,具有很高的语音识别能力,语音信号从麦克风输入,经过放大、滤波后输入到RSC4128,先将信号进行A/D变换,再由RSC4128将此信号的数据存入RAM区内的某个特定区域,将此未知信号与RAM区内各模板逐一比较,若最符合其中一个模块,则输出相应的特征信号。

该模块的作用是将识别的结果以电平形式反映在RSC4128的I/O口上,便于控制电路中的CPU对识别结果检测,并执行相应的控制操作。

硬件特征:(1)程序及提示音数据共占有64 KB存储空间,即39LV020的00000~0FFFFH,所以39LV020的A16、A17两地址线应接地;(2)将语言模板数据存储在SST28VF020中;(3)P0.2口用于选择识别结果以电平或脉冲形式反映在RSC4128的I/O口上,本电路需要电平形式,所以P0.2悬空[5]。

2.1.2 遥控发射端的设计

采用89C51单片机对识别结果的电平信号进行检测,识别模块能识别32条指令,所以RSC4128用8个I/O口或电平形式输出识别结果,接到单片机的P1.0~P1.3口上,单片机4个I/O口以10 KB电阻接地,程序以位操作形式对识别信号进行检测[6]。当检测到某一语音指令对应的编码信号后,控制P0、P2口输出相应的电平,利用无线通讯模块TC35i实现单片机的串行通信。如说口令“左转90°”,RSC4128的I/O口上的编码为10101101,当单片机检测到此编码信号后,对应地在P1.0口输出一个高电平脉冲信号,经TC35i发射后被车模上的单片机接收,实现了对步进电机的控制,从而让车模向左转90°。

2.2 接收模块的设计

2.2.1 信号接收部分的设计

接收控制端接收到数据后,按照预先约定的数据格式进行电机类型和电机运转方向数据的处理,以实现遥控车模的速度和方向的控制。

2.2.2 电机驱动部分的设计

(1)直流电机正反转和调速控制。

本研究采用4个中功率三极管组成H型直流电机驱动电路[7,8],通过与门74LS08和反相器4069组成直流电机的正反转控制和调速。P2.6通过高低电平控制电机的正反转,P2.5的PWM脉冲控制直流电机的转速。当P2.6输出高电平时,U1A工作,可将PWM脉冲输出,则Q3和Q4导通,同时P2.6的高电平经U2A反相,使U1B输入端为低电平,U1B不工作,使Q1和Q2截止,从而使接在J1插座的直流电机正转,小车前进。反之,如果P2.6输入一个低电平,则Q1和Q2导通且Q3和Q4截止,电机反转,小车后退。同时,如果改变PWM脉冲的占空比,则可以调节电机的转速,实现遥控小车模型的速度控制。直流电机的正反转和调速控制如图3所示。

(2)步进电机的控制。

本研究采用四相步进电机,其驱动电路如图4所示。步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。本系统的步进电机采用单四拍换相顺序,利用相应的I/O口输出低电平使相应的三极管导通即可使某一相通电,实现步进电机的转动控制。

3 软件设计

3.1 语音识别部分软件设计

RSC4128支持汇编语言编程,但只可以编译,链接64 KB的存储空间,在软件设计时需对数据存储空间采用分段的方式进行访问,每次系统初始化时,默认第1个64 KB的段空间为数据读取空问,然后通过访问第一功能段里的数据实现对其对应功能段的访问和操作。

为了最大限度地减少用户使用语音系统时手部的操作(如按键),系统在程序设计方面大量采用提示音。例如,当系统识别不出用户的命令或者不确定时会发出“您说什么?我没听清。”或“您是不是说…?”这样的提示音,作为又一次语音识别的触发。又或者出现用户说得太快、声音太小、背景噪声过大等情况时也会给出相应的提示,触发新一轮的语音识别。此外,考虑到人们日常对话的习惯以及语句的停顿,在提问与回答之间,句子与句子之间插入了不等的时钟等待周期,以使得人机对话更为自然。

语音系统的主程序流程图如图5所示。当上电或复位后,系统初始化并开始检测删除键状态,如果为低电平,则跳转语音训练子程序,否则,系统进人空闲模式,低功耗的32.768 kHz晶振开始工作,3.58 MHz晶振失效,直到系统检测到有效的触发信号,3.58 MHz晶振开始工作,并判断有效触发的类型,如果是识别键触发,则播放提示音,进入语音识别子程序;如果是I/O口触发,则初始化串口并进入手动操作子程序。

3.2 速度和方向数据处理程序

(1)数据格式的约定。

由于传送的控制数据包括直流电机的正反转和调速(决定汽车模型的前进/后退以及速度),以及步进电机的旋转方向和旋转角度(决定汽车模型的左/右转和转的角度),本研究将8位二进制数据的传送格式定义为如表1所示的格式。

(2)速度数据处理。

本系统将传送的速度数据(保存于30H单元)与中间值(80H)比较,从而得到电机的前进/倒退和具体速度值,并以D7位为0作为直流电机数据标志,D6位作为前进/倒退标志,D0~D5为具体的速度值。

(3)方向数据处理。

本系统采用步进电机以实现方向调节,而步进电机为差值执行部件,采用将本次采样值和上次采样值相减的方法得到本次步进电机的执行步数,并以D7位为1作为步进电机数据标志,D6位作为左/右标志,D0~D5为具体的角度数据。

3.3 接收数据处理

接收控制端接收到数据后,必须按照预先约定的数据格式进行数据的分类处理,区分接收数据的控制对象(即电机类型)、数据符号(电机运转方向)和数据大小,其处理流程图如图6所示。

4 语音识别部分的操作说明

主要操作步骤说明如下:

(1)上电复位:控制模块自动完成。

(2)训练:

(1)按下训练键,将会得到提示“请说命令1”;

(2)指示灯亮后,用户根据需要说一个命令;

(3)训练成功,系统提示“请重复”(若用户说话太大声、太小声或太快等,系统都会给出相应的提示);

(4)用户重复所说命令;

(5)训练成功,系统将重复(1)~(4),提示用户进行下一命令的训练。

(3)识别:本系统中遥控模块会自动重新复位,开识别。

(4)删除:同时按下“训练键”与“识别键”,系统将清除所有用户已训练的命令。

5 车模语音控制实验

语音控制试验的主要目的是验证用户用语音能否实现对车模的运动控制。实验前,系统硬件按键及训练键、识别键指示灯被安置于车模遥控器的表壳,麦克风通过遥控器硬体上的孔巢与外界相通[9]。实验过程如下:当系统上电后,系统处于等待运动控制命令状态,如果说“前进”,车模于约1 s以后执行命令对应的运动,即前进。在车模行进过程中,再次发出语音控制命令,则车模于约1 s以后执行命令对应的运动。经实验验证,所有系统语音控制命令均能有效地执行,几乎没有误识的情况出现(只有极少数因各种主观因素导致识别失败的情况出现)。由于语音运动控制是在车模在行进过程中产生较大的噪声情况下完成的,进一步验证了系统具有较强的抗噪性。但实验过程中较弱的环节是运动控制的实时性,一个命令从发出到执行存在大约1 s的滞后,影响了功能的实现。不过总体来说,语音运动控制效果比较理想,达到了预期的目标。

6 结束语

本设计应用基于专用语音处理芯片RSC4128的特定人语音识别技术,通过构建合理的系统结构、设计完善的硬件电路以及借助丰富的指令功能实现了语音识别声控车模遥控端和接收端的设计,并充分考虑到麦克风的放置,连线的长短、屏蔽,电源设计,产品的安放设计等因素对语音输入信号的影响,使系统的识别率达到75%以上。系统的柔性使得其可以运用到诸如语音密码锁、语音控制器、个人数字助理、家电遥控、语音电话等许多产品中。

参考文献

[1]王士元,彭钢.语言、语音与技术[M].上海:上海教育出版社,2006.

[2]GRANT P M.Speech recognition techniques[J].Electron-ics&Communication Journal,1991,3(1):37-48.

[3]LI Wei-ying,HU Zheng.Hybrid networks based on thecombination of HMM and neural networks applied to speechrecognition[J].Chinese Journal of Electronics,1999,3(3):14-21.

[4]李瑞峰,李麟.基于RSC4128的家用机器人语音人机交互系统的设计[J].制造业自动化,2007,29(10):30-33.

[5]吴智量,陈智昌,陈烘华,等.语音识别控制在音频、视频系统中的应用[J].微计算机信息,2004,20(7):113-114.

[6]徐理英.基于语音辨识的遥控小车的设计[J].微计算机信息,2009,25(4):126-127,253.

[7]任富民.无线遥控汽车模型的研制[J].科技信息,2008(24):431-433.

[8]屈利娟.基于语音识别的无刷直流电机控制系统[J].机电工程,2007,24(5):86-88.

[9]李麟.家用机器人语音识别及人机交互系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学机电工程学院,2007.

声控护理床起降系统的设计 篇2

1系统硬件设计

为实现通过语音控制护理床的升降运动, 按照其所要实现的功能可将系统划分为四个模块:语音模块、主控模块 (STM32) 、驱动模块、电源模块。通过主控模块实现对语音的分辨、识别, 并且将其与存储单元中的指令相匹配, 发送控制命令。

整个系统由STM32单片机协调控制, 其中电源模块为各个模块提供电源。工作时, 首先由语音模块采集得到操作者的语音指令, 采集的指令由外接的语音模块经过内部处理后转换为数字信号, 然后通过STM32单片读取由语音模块所传过来的数字信号, 通过程序对它进行处理, 在经过处理后, 会输出相应的PWM信号到电机的驱动模块, 在电机驱动模块接收到PWM信号后输出对应波形的驱动电压用来驱动电机运行, 驱动模块能够分别控制1, 2号电动机的正反转, 从而实现护理床升降的功能。其系统整体结构框图如图1所示。

1.1电源模块

电源模块由外部USB提供5V电源, 经过LM1117-3.3V稳压芯片稳压到3.3V, 经过稳压过后的3.3V电压为单片机和语音模块供电。而电机驱动模块的所使用的电压为5V输入得到的电压。

1.2语音模块

本设计所使用的语音模块是由LD3320芯片[1]所构成, 此模块很好的解决了非特定人所说的话能被控制部分接受的问题。该模块就是将控制人所说的话形成语音信号并通过数字信号处理后得到一组特征的参数, 然后再将得到的这组特征参数与语音模块中寄存器的数据进行比较, 确定控制者所说的命令是什么, 进而完成相应的动作[2], 不用通过训练便可以实现。

1.3驱动模块

在电机选用方面, 本系统的芯片是由ST公司生产的一种高电压、大电流的电机驱动L298n芯片。L298n是一种内置双H桥电机驱动的芯片, 可以用来驱动两个直流电动机或者一个步进电机。将本设计所使用的L298n驱动电路可以同时驱动两个直流电机, 分别将其设置成为1号和2号。由于在此次设计中设置了电机的速度, 所以可以通过输入PWM脉宽调制信号来实现电机高低速旋转的控制。在实现电机正反转方面, 要想实现1号电机的正转, 需要将高电平给信号输入端IN1, 低电平信号给输入端IN2。如果将低电平给信号输入端IN1, 高电平给信号输入端IN2, 1号电机就可以实现反向旋转。控制另2号电机也是是同样的方法, 分别接入IN3和IN4端[3]。电机驱动连接如图2所示。

2软件总体设计

本设计程序的工作流程为:首先由主程序完成是系统的初始化, 当麦克风检测到语音信号的时候, 就会将语音信号与寄存器中的语音库进行一一比较, 如果语音信号与寄存器中语音关键字匹配, 单片机会驱动蜂鸣器并给驱动模块发出控制信号, 驱动模块根据单片机发出的信号去控制电机做出相应的正反转的动作。系统的主程序流程图如图3所示。

2.1语音模块程序设计

在语音模块程序设计时, 需要操控者自己添加关键词, 将操控者需要的功能词语添加到寄存器中形成语音库。工作时, 要先对内部进行初始化, 完成之后, 需要对操控者所使用的命令字符串进行编号, 并分别将字符串和字符串长度写入相应寄存器中, 每次识别, 可以添加一次字符串, 从而可以实现语音模块对命令的识别。

2.2驱动模块程序设计

单片机控制驱动模块去驱动电机正反转时, 首先把麦克风识别到的语音与语音库中的识别码进行比对, 达到最优的效果时, 单片机会给驱动模块发出控制信号, 驱动模块控制电机执行相应的操作。

3结论

本系统结合手动摇动护理床升降的工作原理, 利用语音控制实现了声控起降护理床的功能。设计了一个基于STM32单片机控制, 由LD3320语音识别芯片和L298n驱动电机所组成的语音控制护理床升降的系统。该系统通过操作人的语音命令可以控制L298n电机驱动, 从而可以实现电机的正转、反转用来控制护理床的升降。

参考文献

[1]盛青.语音自动识别技术 (ASR) 及其软件实时实现[D].西安:西北工业大学, 2001.

[2]田犇, 阙大顺.基于LD3320的语音控制系统设计实现[J].电脑与信息技术, 2011 (6) :6-9.

声控多功能小车设计 篇3

语音遥控技术就是利用语音识别技术来达到控制或者操作的一种技术, 而语音识别技术已经有很大的进步。随着微电子技术、计算机技术、传感器技术的迅速发展, 现今声控技术应用广泛, 这也给严重伤残人的生活带来了极大的方便。伤残病人用声音就可以打开门窗、窗帘、电视机、电灯等。在其他领域里, 声控技术也大有用武之地。本文介绍用凌阳单片机61A设计并制作的一套基于语音识别和传感器技术的多功能小车。

2、系统设计部分

2.1 总体设计

以凌阳SPCE061A单片机为核心, 完成智能控制, 无人驾驶汽车模拟设计。具体实现功能:

(1) 语音或遥控控制小车的前进、倒车、左拐、右拐;

(2) 对障碍物进行自动避障行驶;

(3) 实现对小车所处坏境光线的采集进行补光;

(4) 实现检测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等, 并发出报警, 并显示时间。

(5) 实现通信控制启停功能。由于本设计属于移动性高精度实时控制系统, 因此各模块必须具有精度高、稳定性强、多种传感器综合控制、智能控制等诸多性能要求, 系统具体包括:1) 车体部分。2) 电机驱动单元模块。3) 凌阳单片机, 61板控制系统模块。4) 避障传感器、光敏传感器、烟雾传感器等传感器部分。5) 无线遥控开关单元模块。6) 时间等参数的显示部分。本设计利用大谷劳作的基础车, 用SPCE061A单片机作为小车的检测和控制核心, 使用四节五号电池给整个系统供电, 同时用无线遥控模块控制整个小车的开关。采用PWM控制小车的行驶速度, 通过LM298驱动模块、红外反射避障传感器、烟雾传感器、光敏传感器、无线遥控开关模块组合, 实现了小车遥控开关, 可以实现语音控制小车的前进、倒车、左拐、右拐, 在前进中能够连续躲避障碍物, 并适时地对空气进行检测和光线的采集, 达到报警并显示和补光的作用。

采用SPCE061A实现语音控制小车方案, 由于SPCE061A内部具有语音识别和语音播放功能, 所以只需要扩展基本的MIC和语音功放即可, 该方案结构如图1所示。

系统的结构框图如图2所示。

系统组成主要包括以下部分:SPCE061A精简开发板、语音小车控制电路板以及传感器等。

2.2 系统控制和硬件设计

(1) 小车的运动控制采用语音或遥控控制, 通过语音触发小车动作, 可以通过语音指令改变小车的运动状态。在小车行驶状态下可以通过红外壁障传感器躲避障碍物, 而烟雾传感器和光敏传感器一直处于触发状态, 一旦有信号发生改变, 则会执行相应的功能, 这都是通过凌阳单片机控制的。

(2) SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机, 使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放, 该芯片拥有8路10位精度的ADC, 其中一路为音频转换通道, 并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。“61板”是SPCE061A EMU BOARD的简称, 是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发-仿真-实验板。

(3) 音频输入部分:MICP和MICN将随着MIC产生的波形变化, 并在俩个端口处形成俩路反向信号, 再经过俩级运放放大, 把放大的语音信号交给ADC转换为数字量, 这个时候我们就可以通过单片机编程对这些数据进行处理, 比如说语音数据压缩、语音识别样本处理。

音频输出部分:采用SPY0030凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片。

(4) 车体部分。语音控制小车为四轮结构, 如图3所示。其中左侧两个车轮由左侧电机控制, 在机械结构下左侧俩个轮子实现正反转动, 右侧与左侧一样, 右侧两个车轮由左侧电机驱动, 为小车提供动力。以实现小车的行驶状态。

(5) 系统各控制电路分析。接口电路:接口电路负责将61板的I/O接口信号传送给控制电路板, I/O信号主要为控制电机需要的IOB8～IOB11这四路信号, IOB12, IOB13控制红外避障传感器, IOB2, IOA2控制烟雾传感器, IOB3, IOA7控制光敏传感器。

电源电路:整个小车有4个电源信号:LM298工作电源, 61板工作电源, 红外避障传感器电源, 光敏传感器电源, 气体传感器电源, 无线控制器电源。系统供电由电池提供, 控制板与传感器直接采用电池供电 (VCC) , 然后经二极管D1后产生61板传感器所需电源 (VCC_61) , 61板需通过Vio跳线产生61板的端口电源 (V1) 5V。无线收发控制采用独立的6V电池经过二极管供电, 以免负载太多对其产生影响, 二极管D1作用:降压, 4节电池提供的电压VCC最大可达到6V, D1可有效地降压;保护, D1可以防止电源接反烧坏61板。

烟雾传感器电路:1) 具有信号输出指示。2) 双路信号输出 (模拟量输出及TTL电平输出) 。3) TTL输出有效信号为低电平。 (当输出低电平时信号灯亮, 可直接接单片机) 。4) 模拟量输出0～5V电压, 浓度越高电压越高。5) 对液化气, 天然气, 城市煤气有较好的灵敏度。6) 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。7) 快速的响应恢复特性。

避障传感器电路:采用光电开关。选用光电开关输出为一个开关量, 将光电开关的输出端经过一级光耦就可以送到单片机的一个I/O口, 单片机通过该输入量判断障碍物并做出相应的动作, 本设计中传感器遇到障碍物输出低电平, 常态是高电平, 可以调节距离来感知障碍物。

无线遥控单元模块设计:无线遥控开关采用315MHz无线模块制作而成, 通过遥控器控制继电器的断开与闭合来控制整个系统的供电, 该遥控可以在空旷的地方120m～150m接收遥控, 在有阻碍的地方接收范围为80m～100m。

显示部分电路:采用1602液晶显示屏, 可以显示报警时的年月日和时间, 也可作为其它信息的显示。

(6) 程序说明:本小车采用C语言进行编程, 采用一个主程序和七个子程序控制方法对其进行控制。主要包括训练程序、语音识别程序、动作程序、避障传感器的程序、烟雾传感器程序、光敏传感器的程序、时间显示程序等等。

3、结语

新型声控灯的设计与制作 篇4

声控灯应用较广,但易受环境的噪声干扰而产生误动作。本文介绍一款用通用集成电路CD4013设计制作完成的新型声控灯,其抗干扰能力比常见声控开关要强:受二次冲击声亮,再受二次冲击声暗。而且要求二次声音的时间间隔大于0.3s,小于0.8s,满足条件的声音有效,否则无效。这样的控制才是“智能化”的控制,才是生活中需要的控制。

本声控灯由声波采集、脉冲形成、CD4013为核心组成的单稳态电路、定时延时电路、双稳态电路、可控硅控制电路等电路组成,它们之间巧妙的作用使其只接收具有一定规律的两个冲击声响,例如,适当快慢的两次拍掌声,而对其他无规律的声响(如说话声、雷声)则不响应。本新型声控白炽灯造价便宜,仅8元左右。

1 系统设计思想和结构框图

1.1 新型声控灯的设计要求

抗干扰能力较强的新型声控灯要求如下:1)掌声响两次,灯才亮或灭;2)在2s内的掌声才有效;3)两次掌声的间隔在0.5s以上才有效;4)在5m远处击掌能进行控制。

1.2 声控灯的设计原理

设计思路:1)控制灯的亮暗,用继电器或可控硅。本设计用可控硅,其优点是所需的控制电流小,几mA足矣;体积比继电器要小。2)双稳态电路有分立元件组成的和集成电路的两种。本文采用CMOS集成电路设计:其优点是设计成的控制电路功耗小,电路的一致性好,抗干扰性强。3)声音是模拟信号,需将模拟信号转变成脉冲信号。在CMOS集成电路中,集2)、3)特点应用于一体的可用CD4013集成块来实现。4)驻极体话筒得到的声音信号较弱,要适当放大声音信号,使其有较高的灵敏度。

1.3 声控灯系统结构框图

根据上述内容,可画出本控制电路的结构方框图,如图1所示。可见系统由声音信号传感器电路、信号放大电路、CD4013为核心组成的单稳态电路和双稳态电路、可控硅控制电路、简易电源电路以及一些辅助电路构成。

2 电路设计及原理阐述

2.1 电路设计

电路设计要遵从简洁至上原则,根据系统框图所示添加器件。图2是声控灯的初始电路图,在万能板上焊接实验后,基本能满足系统的要求,但声控灵敏度太低,有效距离仅1m左右。看来需改进电路,以提高声控灵敏度。

在图2的基础上,将Q1放大的声音信号进行检波,由Q2再次放大,设计成如图3所示的声控电路,声控灵敏度大幅度提高,有效距离达到5m,满足了要求。

2.2 声控灯电路组成

2.2.1 声音信号传感器电路

由电阻R1、驻极体话筒BM组成。经实验,电阻R 1取值4.7～2 4 kΩ均能正常工作。当然,当UBM=UR1时,此时的R1值最为恰当,其动态电压范围最大。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低廉等优点,当其接成漏极输出时,其增益较高。故驻极体话筒BM的灵敏度很高。

2.2.2 声音信号放大电路

三极管Q1、电阻R2、R3组成基本放大电路。R2为基极偏置电阻,R3为集电极电阻,当R2>βQ1*R3时,三极管Q1处于放大状态。C1为音频信号耦合电容。

2.2.3 脉冲形成电路

由三极管Q2、二极管D5、电容C6、C7,电阻R11等组成开关电路。当三极管Q1集电极输出的音频信号为负半周时,通过三极管Q2的发射极向C7充电,三极管Q2导通,在R11上形成正向脉冲电压;当音频信号为正半周时,电容C7上的正电荷通过D5快速释放。二极管D5为积存在Q2基极上的正电荷提供通路,不能省略。C6能去除R11上的杂波信号,为取得较为有用纯净的脉冲信号立下了汗马功劳。

2.2.4 脉冲整形电路

由CD4013集成电路D触发器U1A单元、二极管D2、电阻R4及电容C2组成单稳电路,其作用是将不规则的脉冲信号整形为宽度一致的脉冲,其脉冲宽度由R4、C2的时间常数决定。

2.2.5 双稳态电路

由CD4013集成电路D触发器U1B单元、电阻R8及电容C4等组成。R8、C4组成延时电路,使触发器翻转延时,避免在0.8s(t=0.7R8*C4)内多个音频脉冲造成触发器多次翻转,而造成输出状态控制不准。其输出的高、低电平通过电阻R9控制可控硅的通、断,即可实现白炽灯的亮暗控制。

2.2.6 延时开启电路

由三极管Q3、二极管D1、电容C3、电阻R5、R6等组成。当CD4013的第(2)引脚为高电平时,通过二极管D1向C3迅速充电,使三极管Q3饱和导通,电路处于封锁状态,音频脉冲控制无效;当CD4013的第(2)引脚为低电平时,电容C3上的电荷通过电阻R5、R6缓慢放电,放电结束后,三极管Q3截止。此时,电路才处于延时开启状态,音频脉冲才能正常控制双稳态电路翻转。选择R6、C3的值,可确定第一、第二次掌声的有效时间间隔。其时间常数大,有效时间间隔就长些,也就是说拍手的节拍要慢些才能控制灯状态的变化;如果时间常数较小,有效时间间隔就短些,也就是说拍手的速度快些也可控制灯状态的变化。按图3中所示,其有效延时时间间隔约为0.29s(根据C3的放电电压曲线uC=E*e-t/τ其中时间常数τ=R6*C3。取uC3=0.7V、E=11.3V,得t=2.78τ=0.29s,详见图4中UC3波形)。注意:R6、C3的时间常数要远远小于R4、C2的时间常数才行。

2.2.7 简易电源电路

市电经整流堆D3桥式整流电路整流,形成100Hz的脉动直流电。经R10限流降压,电容C5滤波,稳压管DW5稳压,就形成简易12V稳压电源了。由于控制电路的工作电流很小,故电阻R10可取大些,取值范围为100～150kΩ均可正常工作,其功率取值为1W。

2.3 声控灯工作原理

2.3.1 声控开灯过程

加上市电后,三极管Q1处于放大状态,三极管Q2处于截止状态,CD4013的(1)脚、○13脚输出低电平,可控硅D4处于关断状态,灯不亮。(2)脚输出高电平,三极管Q3处于饱和状态,○12脚输出高电平信号,通过延时电阻器R8,延时电容器C4加到数据端D2上,故(9)脚为高电平。当出现第一次掌声时,三极管Q2饱和导通,在R11上形成第一个正向脉冲电压,此信号经D触发器U1A单元组成的单稳电路整形,(1)脚输出高电平脉冲,其脉冲宽度为0.8s(tW=0.7R4*C2≈0.8s),详见图4中U1的波形图。C3经R6放电,三极管Q3延时截止(详见图4中UC3的波形图),为第二个音频脉冲控制双稳态电路做准备。由于第一个正向脉冲电压出现时,三极管Q3还处于饱和状态,故此信号被封锁,不能控制由D触发器U2B单元组成的双稳态电路。在出现第一次掌声后的大于0.29s小于0.8s时间内,当出现第二次掌声时,三极管Q2再次饱和导通,在R11上形成第二个正向脉冲电压,此脉冲对单稳电路无效,却能控制双稳态电路的状态翻转,因为此时三极管Q3已截止。因此,当连续出现两个脉冲时,双稳态电路的状态才翻转一次,○13脚由低电平变为高电平,可控硅D4获得触发电压而导通,灯由暗变为亮,实现了声控开灯的目的(详见图4中U13的波形图)。

2.3.2 声控关灯过程

当灯亮时,三极管Q1处于放大状态,三极管Q2处于截止状态,CD4013的(1)脚输出低电平、○13脚输出高电平,可控硅D4处于导通状态。(2)脚输出高电平,三极管Q3处于饱和状态,○12脚输出低电平信号,通过延时电阻器R8,延时电容器C4加到数据端D2上,故(9)脚为低电平。同理,只有当连续出现两个脉冲时,双稳态电路的状态才翻转一次,○13脚输出低电平,可控硅D4失去触发电压,脉动直流电过零时即关断,灯由亮变为暗,实现了声控关灯的目的。当无声控信号时,电路又进入等待状态。只有再次出现连续的两次掌声时,电路才会重新动作,重复声控开灯的过程。综上所述,本电路不会因为人的说话声或者其他普通声源干扰而受到影响!其抗干扰能力比常见声控开关要强:二次拍手亮,二次拍手暗。而且要求二次拍手的时间间隔大于0.3s小于0.8s,满足条件的拍掌声有效,否则无效。这样的控制才是“智能化”的控制,才是生活中需要的控制。

3 制作步骤

(1)到市场上买一特大型E27螺旋接口节能灯白炽灯,吸顶式平螺口灯座,如图5a、图5b所示。其尺寸如下:外径11.5cm,高度4.8cm,孔距1:55-70mm,孔距2:86mm,有轻微误差。

另买一块规格5×10cm厚1.2mm的2-3-5连孔万能环氧板,如图6a所示。当然,也可买规格5×7cm厚1.2mm的万能洞洞环氧板。如图6b所示。

(2)将连孔万能板按图7所示挖出两个孔,以备连接导线用。

(3)在连孔万能板上焊接好控制电路,控制电路只要按图正确焊接,无须调试即可成功。焊接好的新型声控控制电路板如图8a所示,图8b是控制电路的铜箔焊接面,电路焊接好后,要去掉多余的铜箔,以加强绝缘性能。

图7(参见下页)

图8a新型声控灯控制电路板(参见下页)

图8b新型声控控制电路板反面图(参见下页)

(4)将以上完成的控制电路安装在特大型E27螺口灯座中(如图8a),用热熔胶加以固定。在驻极体话筒接近灯座塑料处用电烙铁头烫出一孔,以接受声音信号用,一盏新型声控灯就制作成功了。图9a是制作完成的新型声控灯整体图,图9b是通电后的效果图。

4 制作后续升级电路-新型遥控灯

将三极管Q1前面的电路去掉不要,用一体化红外线遥控接收头PH1838(引脚排列如图10)的(1)端接Q1C位置,另加一简易5V稳压电路为红外线遥控接收头供电,则就变为新型红外线遥控灯了。取任意一红外线遥控发射器,对准遥控接收头,按遥控发射器任意键二次--灯亮,按任意键二次--灯暗。而且要求二次按键的时间间隔要大于0.3s小于0.8s,满足条件的按键动作有效,否则无效。

摘要：声控灯应用较广,但易受环境的噪声干扰而产生误动作。文章介绍一款用CD4013集成电路设计制作完成的新型声控灯,其抗干扰能力比常见声控开关要强。对新型声控灯系统的结构组成,具体电路作用及工作原理做了详细的阐述,并介绍了制作步骤。

关键词：声控灯,抗干扰,设计,制作,CD4013

参考文献

[1]来清民.高亮度LED照明及驱动电路设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012,3.

[2]杨欣,张延强,张铠麟.实例解读51单片机完全学习与应用[M].北京:电子工业出版社.2011,4.

[3]《无线电》编辑部.《无线电》2011年合订本(上下)2012年2月

自制声控电路的活用与巧用 篇5

一、本电路工作原理

1、本电路由电容降压桥式整流直流稳压电源、信号转换放大电路、双稳态触发电路、功放推动电路等组成。

2、由电容C1、电阻R1、二极管D1~D4、滤波电容C2、稳压管D5组成电容降压桥式整流直流稳压电源, 将220V交流电变为12V直流电, 供电路使用。由驻极体电容传声器MIC、三极管VT1和VT2、电阻R2~R7、电容C3~C5组成信号转换放大电路;由三极管VT3和VT4、电阻R8~R13、二极管D6和D7、电容C6和C7组成双稳态触发电路;由二极管D8、电阻R14和三极管VT5组成功放推动电路。

当拍手 (击掌) 声被驻极体电容传声器MIC转换成电信号, 经VT1、VT2放大后, 这个脉冲信号又通过电容C6、C7耦合到晶体三极管VT3和VT4组成的双稳态触发器的计数输入端 (C P端) , 使触发器翻转。

此时如晶体三极管VT4截止, 其集电极电位升高, 促使晶体二极管D3正向导通, 给晶体三极管VT5加了正向偏置, 于是VT5饱和导通, 则继电器K得电吸合, 常开触点K闭合, 接通交流接触器J的线圈电源, 再由交流接触器J的常开触头去控制各种电器设备, 以实现声控。本示教装置控制220V的灯泡, 使之发亮。

二、声控电路在电子实习中的应用

多年来, 我们的电工专业、应用电子专业、家电维修与制冷专业、数控机床维修专业的学生, 都会进行一些电子基本功的实习, 课题不外是常用电子仪器仪表的使用, 稳压电源的制作, 室内照明线路安装, ..音乐门铃制作等等;都未能对学生提要足够的学习兴趣, 没兴趣就没有动力, 所以收效不佳。而开发声控电路后, 通过三天的演示、讲解、分发元件、安装与制作;这个集声、光、电于一体的装置, 电路并不复杂, 却极大地提高了学生的学习兴趣, 以前, 单纯制作一个稳压电源电路, 学生是任务式完成, 但对这个声控电路, 布置后上课玩手机的少了, 睡觉的少了, 以前还没到放学就吵着下课的学生, 现在放学了还在安装调试, 直到老师催促“快, 饭堂关闭啦!”才走。

特别提示学生实习制作过程中应注意:

1、元件选择

VT1~VT2选用9014高增益三极管, 其穿透电流要小, β>150, 晶体三极管VT3~VT4选用9011, β≥100, 要求VT3和VT4配对使用, 其β值误差不超过5%, VT5选用8050, β≥80, 其他元件按电路图选择。

2、选择出元件后在电子万能板上焊接好, 经仔细检查即可进行调试。

第一步:测量电容降压桥式整流直流稳压电流, 用万用表直流电压挡测量稳压管D5二端电压为1 2 V, 电源电路正常。

由于本电路使用220V交流, 因此在测量调试时必须注意安全, 为了安全起见, 以下步骤可以断开电容降压电源, 在调试时用12V直流电源代替。

第二步:调试双稳态触发电路。用万用表直流电压挡, 分别测量VT3和VT4管的集电极对地电压, 饱的时应为0.3伏左右, 截止时应为9伏左右。然后用小起子快速碰触C P端, 这时电路应翻转。

第三步:调试信号转换放大电路。断开VT2的负载, 用万用表直流电压挡测量VT2的集电极电压为12V, 当MIC接收到声控信号, 电压很快下降到6V左右, 并又回复到原来12V即为正常。调整R3的阻值可以改变VT1、VT2的工作点, 一般选在200~500KO范围内, 阻值太大电路对声頻信号反应迟钝。

第四步:末级调试调节R14, 使吸合电流达到继电器K的额定值。

三、声控电路在理论课堂上的应用

劳动保障出版社的《电工学》、《电子技术基础》、《电子电路基础》, 许多章节的内容都涉及直流电源、放大和振荡电路、晶闸管电路、门电路、触发电路等, 而这些都是逻辑思维较严密的理论知识, 不像机械那样摸得着看得见, 而该项声控电路为理论知识提供了一个很好的翻译。因为这些都可以在声控电路中体现出来, 通过演示与分解, 能使学生从模糊的理性认识到感性认识, 再由感性认识上升到书本的理性认识, 从而达到事半功倍的效果。比如《电子技术基础》第二章放大和振荡电路, 书本上的图2-1~2-17只是理论上的示意图, 真正的信号放大、电流放大学生是摸不着, 看不见的, 而通过声控电路在课堂上的练习和演示, 深入浅出, 既活跃课堂气氛, 又提高了学生学习的兴趣。

四、声控电路在专业推介上的应用

每年的招生宣传, 送教下乡, 专业介绍是电工电子专业的必备内容。以往都是简单的说教, 再加些多媒体演示, 但学生的反应都很平淡。今年, 本人试带上声控电路示教, 学生特别感兴趣, 许多同学都要试一下声控是否有效, 还有许多同学要求赠送一个带回家。

诚然, 教无定法, 贵在得法, 新、奇、特对于我们的学生是很有吸引力的, 本文旨在通过声控电路起到抛砖引玉的作用, 以便对当前职业技能教育探索更多更有效方法。

参考文献

[1]刘宏, 刘小梅.电工电子技术实验[M].广东:华南理工大学出版社.2007

声控系统 篇6

20世纪20年代,语音识别技术就开始得到研究[1]。随后,各类语音识别系统相继诞生,语音识别技术也逐渐得到完善[2]。最近几年,语音识别技术作为一门相对成熟且与人联系密切的技术,被广泛应用于各行各业中,本课题研究的声控小汽车,是希望语音识别技术能运用到汽车中,让汽车变得更加智能化。本课题研究设计的声控小汽车是对语音识别功能运用到汽车控制上的初步探讨和简单设计,设计出小汽车的整体模型,实现声音控制小汽车行驶。

2. 总体方案设计

声控小汽车采用了凌阳SPCE061A作为整个小汽车系统的数据处理中心,该单片机具有语音识别和语音播放的功能[3],主要负责声音指令获取和识别的工作,声音信号从MIC麦克风处传入,经过一系列的语音处理步骤,将模拟信号转化为控制电机的数字信号,并把处理后的数据通过I/O口输出。该设计的基本架构如图1所示。

3. 硬件设计

声控小汽车在硬件层上的设计分为语音识别层设计、驱动层设计和车体设计三部分。语音识别层设计由SPCE061A单片机构成,主要负者将接收的声音信号转换为数字信号,并通过自身强大的计算能力和较多的I/O接口把处理完的信息传递给驱动部分。驱动部分的构成有驱动板和电机,驱动板的作用是控制小汽车的工作方式,分别有前进、后退、左转和右转四种方式。选用直流型电机负者驱动小汽车,降低了小汽车控制的难度。车体部分采用了较为实用性的托盘式三轮车,这样做可以直接将前两个部分的硬件固定在托盘上,简化了整体硬件设计的难度。

4. 软件设计

声控小汽车的软件设计主要包括训练子程序、识别子程序和驱动控制子程序。训练的目的是为了获取声音模板,这些模板会被存储到模板库中。到了识别阶段,最新获取到的模板会和之前训练的模板进行匹配,最接近的一组将作为识别结果输出对应的信息,这些信息将会通过I/O口输出到驱动模块中。控制子程序的功能是让电机正向转动或反向转动,从而改变小汽车的运动状态和方向。具体流程如图2所示。

5. 测试

首先将声控小汽车的硬件连接,包括SPCE061A单片机与电源的连接、SPCE061A单片机与驱动板的连接、SPCE061A单片机与喇叭的连接、驱动板与电机的连接四个部分,连接后的实物图如图3所示。然后按照代码设计的顺序,根据提示音对声控小汽车进行训练,训练顺序为前进、倒车、左转、右转四个指令。每个指令会训练两次,如果每个训练都成功,车上的喇叭会播放训练成功的提示音。等成功完成训练环节,小汽车就可以开始语音识别环节了。声控小汽车在接收到“前进”指令时,会往前移动一段距离;声控小汽车在接收到“倒车”指令时,会向后移动一段距离;声控小汽车在接收到“左转”指令时,会向左前方移动;声控小汽车在接收到“右转”指令时,会向右前方行驶。

6.总结

本设计的声控小汽车经过多次测试,基本达到了预期目标,小汽车能实现前进、后退、左转、右转的功能,同时,小汽车的语音识别功能运行比较稳定,不会出现经常不识别或识别错误的现象,当然也存在着许多不足的地方,比如在功能设计方面较为单一。在后期的维护中,会适当地增加一些功能,比如增加小汽车蔽障功能,采用PWM波控制小汽车驱动,进而控制电机的转速,完善声控小汽车的设计。

参考文献

[1]陈磊.带噪环境下的汉语连续语音识别研究[D].合肥:安徽大学,2010年.

[2]景新幸.基于DSP的语音识别系统的研究与应用[D].桂林:桂林电子科技大学,2011年.

[3]薛强强.新型导游机服务系统设计[D].太原:中北大学,2013年.

声控系统 篇7

合理取舍, 还原真实的课堂

本课在教学认识“音量值”时, 最初设计的“听话的小猫”依次有三个小练习, 一是小猫随“音量值”的大小变化而变化, 二是“音量值”乘上一个固定值来放大, 让效果更明显, 三是用“音量值”控制其他的外观特效。完成三个练习后再设计“声控灯”, 从知识呈现上是层层递进的, 但实践下来, 学生没有更多的时间去设计“声控灯”。教学中设计往往是理想化的, 但课堂是真实且有效的, 最后笔者仔细分析了后两个小练习, 音量值在“声控灯”的实现中并不需要放大, 特效的应用在“声控灯”的场景设计时会重复应用, 所以毅然舍去了后两个练习。这样一来, 虽然知识的容量变少了, 但在“声控灯”的设计时留给了学生更多思考的时间、尝试探究的机会、交流互动的空间, 让学生体验到努力带来的成功喜悦。笔者通过对教学内容的合理取舍, 还原了一个真实可行的课堂。

授之以渔, 经营有效的课堂

1.学会比较, 引导前后知识的融会贯通

通过前后知识的比较, 可以串联相关知识, 构成知识的有机体, 将知识内化, 形成自己的知识网络。本课在教学导入时, 教师就提出问题:“我们在Scratch中玩过打地鼠, 走过迷宫, 体验过用鼠标、键盘这两种输入设备来控制角色的动作, 那么麦克风也是电脑的一种输入设备, 能用它来控制角色的动作吗?”让学生猜想。这样从学生熟悉的鼠标、键盘这两种输入设备联想到麦克风, 在知识体系上由此及彼, 触类旁通, 拓展思维, 激发学生的学习兴趣与探究欲望, 从而在学生头脑中建立一个通过输入设备对角色进行控制的概念, 实现知识前后的融会贯通。在教学“舞台脚本”时, 因为它与“灯的脚本”触发的条件是一样的, 程序搭建的脚本是不是也一样呢?让学生自主尝试完成, 在比较应用中学会知识的迁移和吸收。教师对课堂知识的正确把握与引导, 有效地帮助了学生学会对前后知识的比较, 从而促成知识的建构。

2.应用“流程图”, 掌握解决问题的有效方法

如何将现实的事件转化为程序指令来实现, 是程序设计的关键。实现“声控灯”的脚本自然成为本课教学中的重点。笔者在教学“灯的脚本”分析过程中采用了语言描述与流程图相结合的方法。

教学片断:

师:你能用“如果有声音, 声控灯就亮, 否则就灭”来描述这个灯的功能吗? (学生描述)

师:这个功能用什么指令来实现? (生:“如果……否则……”的条件指令) (PPT出示流程图)

师:怎样判断是否有声音这个条件呢? (生:“声音响亮”、“‘音量值’>某数值”)

师:如果有, 用“切换到造型”指令切换到亮的造型, 否则灭的造型。在程序执行过程, 这个判断需要重复执行。在开始时, 你认为灯在什么状态比较好? (生:灭)

在这个教学环节中, 先是引导学生用“如果……否则……”填空的形式来描述灯的功能, 让学生学会将事件的需求用程序化的语言来描述, 同时, 在描述的过程中用流程图来呈现, 最后, 让学生根据流程图完成脚本的搭建。在整个脚本分析的过程中, 教师并没有将指令拖到脚本区直接示范, 而是用流程图来呈现程序设计思想。流程图不仅帮助教师对事件需求进行分析, 而且也让学生在搭建脚本时, 做到不随意拼凑, 思路清晰、有目的地搭建, 学生将事件转化为程序指令来实现的思维得到进一步的锻炼。在程序设计中, 流程图是一种用图形来描述解决问题的方法、思路或算法的工具, 借助流程图能很清晰地分析程序设计的思路。表面看来, Scratch可视化、积木式的指令搭建再用流程图来分析有点多余, 但在实践中如果没有这个工具, 面对稍复杂的问题描述就会遇到思维与表达的障碍, 不能把自己的设计思想用自然语言很好地描述出来, 不利于相互的交流。教师帮助学生学会看懂流程图, 到慢慢运用它来分析描述程序设计的思路, 实现思维的有效表达, 是有效地分析、解决问题的方法。

授之以鱼, 不如授之以渔。启迪学生的思维, 教会学生学习的方法, 教是为了不教, 这样的课堂才是有效的, 有益于学生的终身发展的。

尝试探究, 开放自主的课堂

在认识“音量值”按钮与麦克风输入声音的大小关系时, 教师并未直接讲授, 而是让学生在尝试中自己发现规律, 这样的发现才是印象最深刻的。在发现的基础上思考如何用“音量值”大小变化来控制小猫的大小变化, 在教师的一些提示下, 让学生自己去完成脚本的搭建, 让学生在尝试探究中体验声音图形化的效果, 声音“看”起来是什么样子的, 体会程序控制的神奇。

在分析“灯的脚本”的“是否有声音”这个条件判断时, 先让学生猜测可能用到的指令 (“声音响亮”、“‘音量值’>某数值” ) , 让学生在尝试中验证自己的不同想法, 再反馈比较用哪个更合理, 指令的区别也就一目了然。在搭建“舞台脚本”时, 没有规定一定使用什么样的场景, 也没有规定一定使用“亮度”的特效, 让学生自己选择他认为合适的方式。最后在舞台效果的处理上, 有的在温馨的房间, 有的在大楼的走廊, 有的在喧闹的大街……又复制了多个灯, 在没有提示的前提下不少学生又运用到了其他外观特效, 同一内容的作品呈现出不同的创意。

“请不要告诉我, 让我先试一试!”不需要教师的直接示范, 也不需要一些强制的规定, 而是开放课堂, 让学生自主尝试, 去发现、去经历并享受美妙的学习过程, 真正把课堂还给学生。学生智慧的源泉在不断的尝试探究中迸发, 无限的精彩也在开放的课堂上尽情绽放。

生活视野, 创新有价值的课程