江蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫機(jī)電分院的研究人員張超敏、王雪嬌，在2019年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文（論文標(biāo)題為“基于單片機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別智能窗簾控制器的設(shè)計(jì)”），系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52芯片作為主控模塊，可以對(duì)窗簾實(shí)現(xiàn)光照度檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、按鍵手動(dòng)等智能控制功能。

光照度模塊采集室外光照度數(shù)據(jù)上傳至單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送控制指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)開合，LCD顯示屏顯示實(shí)時(shí)的溫度和時(shí)間。同時(shí)，系統(tǒng)還具備手動(dòng)控制功能，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊或按鍵控制窗簾的開合。通過(guò)仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉、能夠滿足智能家居的需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，智能化建筑悄然興起，傳統(tǒng)窗簾操作不方便，智能窗簾為人們提供了一個(gè)舒適的家居環(huán)境。在智能家居領(lǐng)域，電動(dòng)智能窗簾克服了傳統(tǒng)窗簾操作不便的缺點(diǎn)，可以在設(shè)定的光線和溫度下，自動(dòng)開啟窗簾和關(guān)閉窗簾，為人們提供了更方便、舒適的居住環(huán)境。因此，研究與設(shè)計(jì)智能窗簾控制系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

一些學(xué)者在智能窗簾的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，比如孫勇等通過(guò)紅外遙控控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)開合；孫勤設(shè)計(jì)窗簾光控智能控制系統(tǒng)；揚(yáng)亞讓通過(guò)主從式多機(jī)通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)窗簾控制信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。陳曉燕等通過(guò)串口多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)了窗簾開合的遠(yuǎn)程控制。市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能窗簾控制器價(jià)格較昂貴且尚不具備語(yǔ)音功能，而基于單片機(jī)的語(yǔ)音智能窗簾控制器具有更好的穩(wěn)定性、更適中的價(jià)格、功耗更低、更實(shí)用，就這也為智能窗簾系統(tǒng)的研發(fā)提供了市場(chǎng)價(jià)值。

單片機(jī)STC89C52作為系統(tǒng)的核心芯片，由光控模塊、按鍵模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、和LCD顯示模塊等組成。光控模塊就是利用光照度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室外光照度的變化，從而控制窗簾自動(dòng)開合，使室內(nèi)保持恒照度控制。

當(dāng)單片機(jī)接收到手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制信號(hào)后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的開合。語(yǔ)音識(shí)別模塊具有語(yǔ)言記憶功能，把語(yǔ)音“開關(guān)窗”的指令預(yù)先寫入程序中，程序植入語(yǔ)音識(shí)別模塊中，當(dāng)有人發(fā)出相應(yīng)語(yǔ)音指令時(shí)，通過(guò)與程序中原有指令比較，相符即控制窗簾開關(guān)。

1 系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件為模塊化設(shè)計(jì)，包括語(yǔ)音識(shí)別模塊、光控模塊、按鍵模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LCD液晶顯示模塊。整個(gè)系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。溫度檢測(cè)模塊和光照度檢測(cè)模塊主要完成溫度和光照度數(shù)據(jù)的采集，并且通過(guò)液晶LCD顯示屏顯示； 按鍵模塊主要完成人工手動(dòng)控制功能；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)模擬窗簾的開合；采用單片機(jī)STC89C52作為主控芯片，完成對(duì)接收到的光照度、語(yǔ)音、按鍵輸入等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)窗簾的開合。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊核心芯片采用LD3320芯片，是一種非特定人“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片。語(yǔ)音信號(hào)為模擬量信號(hào)，需嵌入在芯片內(nèi)部A/D和D/A接口將語(yǔ)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，操作者無(wú)需提前經(jīng)過(guò)語(yǔ)音訓(xùn)練，識(shí)別的關(guān)鍵語(yǔ)句如“開窗”指令以字符串的形式存入芯片中，識(shí)別的過(guò)程就是將操作者的語(yǔ)音與關(guān)鍵語(yǔ)句進(jìn)行比較，若匹配，則執(zhí)行相應(yīng)控制功能。LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊硬件電路如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音識(shí)別模塊電路

2.2 光控模塊

利用光控模塊，用戶可以根據(jù)日常需求自行設(shè)定室內(nèi)光照度，通過(guò)光敏電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室外光照度，單片機(jī)控制窗簾開合實(shí)現(xiàn)室內(nèi)恒照度控制。窗簾實(shí)現(xiàn)光照度自動(dòng)控制，天亮窗簾自動(dòng)打開，室外光照度超過(guò)3000lx自動(dòng)關(guān)閉，天黑窗簾自動(dòng)關(guān)閉。光敏電阻監(jiān)測(cè)到的光照度數(shù)據(jù)為4～20mA電流模擬量信號(hào)，需經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字量信號(hào)給單片機(jī)。

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把LD3320語(yǔ)音芯片接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出至ST89C52。為確保A/D轉(zhuǎn)換的精度和速度，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)與整個(gè)智能窗簾控制系統(tǒng)測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)。本系統(tǒng)中采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832芯片。整個(gè)光控模塊硬件電路如圖3所示。

圖3 光控模塊電路

2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)采用28BYJ-48型四相八拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制窗簾的開合，力矩較大、帶負(fù)載能力強(qiáng)、控制精度高。單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊給電動(dòng)機(jī)輸入一系列脈沖信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)窗簾在軌道上移動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于輸入脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，單片機(jī)控制發(fā)送一系列脈沖至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)“步距角”0.62°，通過(guò)輸出連續(xù)脈沖信號(hào)控制窗簾的連續(xù)移動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作峰值電流大范圍為2.6～7A，若通過(guò)下拉電阻或三極管驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小難以帶動(dòng)窗簾開合，通常需要專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)才能正常工作，本系統(tǒng)采用ULN2003專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件電路如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.4 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用LCD1602芯片，該模塊用來(lái)實(shí)時(shí)顯示室外光照度數(shù)據(jù)及窗簾工作狀態(tài)。由于STC89C52單片機(jī)P0口帶負(fù)載能力較差，故需先接10K上拉電阻排，再連接芯片LCD1602的DB1—DB7口作為數(shù)據(jù)輸入輸出端，傳輸光照度數(shù)據(jù)及窗簾開合狀態(tài)指令。單片機(jī)P2.7數(shù)據(jù)端口接顯示屏芯片LCD1602的使能端EN，P2.5口接液晶顯示的RS數(shù)據(jù)指令選通端，LCD1602的5腳R/W讀寫選通接單片機(jī)P2.6。并用電位器RV2用來(lái)調(diào)節(jié)LCD1602的亮度，LCD顯示模塊硬件電路如圖5所示。

圖5 LCD顯示模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊流程設(shè)計(jì)

軟件程序采用C語(yǔ)言編寫，為了便于修改和調(diào)試，采用模塊化設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言的開發(fā)工具用Keil C編程軟件。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)首先上電復(fù)位完成對(duì)單片機(jī)、傳感器、各端口模塊初始化和Y值及Y值優(yōu)先級(jí)設(shè)置，其中Y=3的優(yōu)先級(jí)小于Y=1或Y=2。然后單片機(jī)根據(jù)接收到的外界信息的類型，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理后，通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制器控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成對(duì)窗簾的控制。

圖6 主程序流程圖

若Y=2有開合窗簾語(yǔ)音信號(hào)輸入，則子程序驅(qū)動(dòng)LD3320非特定人“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片，執(zhí)行語(yǔ)音識(shí)別子程序，等待控制窗簾開合的語(yǔ)的輸入。當(dāng)LD3320接收到“開關(guān)窗”語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析提取語(yǔ)音特征值，并與芯片中預(yù)存的開關(guān)窗控制關(guān)鍵字符比較，若匹配，則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制窗簾的開合。

若Y=3需執(zhí)行光控子程序，則光敏電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室外光照強(qiáng)度是否大于3000lx，若條件符合，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，控制窗簾開起，直至碰到限位開關(guān)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在條件要求不符合時(shí)，返回到子程序入口重新初始化。檢測(cè)窗簾開合狀態(tài)，在打開狀態(tài)下，光敏電阻檢測(cè)到室外光照強(qiáng)度小于500lx時(shí)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)窗簾閉合。

顯示子程序，當(dāng)LCD1602芯片的讀寫選通端RW為低電平時(shí)，執(zhí)行寫操作；當(dāng)數(shù)據(jù)指令選通端RS端工作狀態(tài)為高電平時(shí)，選擇指令寄存器；使能端EN為下降沿信號(hào)，顯示數(shù)據(jù)被送到ST89C52單片機(jī)P2.0-P2.7口，LCD執(zhí)行數(shù)據(jù)指令，判斷數(shù)據(jù)指令是否執(zhí)行完畢，若完畢，則在液晶屏顯示光照度數(shù)據(jù)及窗簾開合狀態(tài)，子程序退出。否則，返回到數(shù)據(jù)指令選擇寄存器繼續(xù)循環(huán)重復(fù)執(zhí)行之前步驟。

3.2 系統(tǒng)仿真

利用Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，根據(jù)智能窗簾控制系統(tǒng)的原理圖，把相應(yīng)的元件在庫(kù)編輯器中找出來(lái)，然后進(jìn)行繪制。電路圖畫好后再選擇KEIL中已經(jīng)編譯好的*.hex文件，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真圖

結(jié)論

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，光控模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)室外光照度數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，STC89C52作為主控芯片通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)窗簾的開合，并通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示光照度和溫度。在實(shí)現(xiàn)光照度自動(dòng)控制基礎(chǔ)上，同時(shí)又添加了語(yǔ)音控制和按鍵控制功能，使智能窗簾的控制更加完善，更加人性化。