摘 要

本设计并实现了一个基于单片机的语音识别智能家居系统。该系统以STM32单片机为核心，结合语音识别技术，利用语音指令控制家电设备（如灯光、风扇、窗帘等）的开关。系统包含语音识别模块、WiFi模块、OLED显示屏、步进电机和继电器等组成部分。通过语音识别模块SU-03T，用户可以通过自然语言指令控制家居设备，同时通过WiFi远程控制，实现设备的实时监控和管理。系统能够通过Web服务器与物联网平台通信，进一步提高家居设备的智能化和便捷性。本文重点讨论了硬件电路的设计、系统程序的开发及实物测试，验证了系统在语音识别和设备控制方面的有效性。

关键词:语音识别；单片机；STM32；WiFi模块；OLED显示

Abstract

This paper presents the design and implementation of a voice recognition smart home system based on a microcontroller. The system uses an STM32 microcontroller as the core and integrates voice recognition technology to control household appliances such as lights, fans, and curtains via voice commands. It consists of components including a voice recognition module (SU-03T), WiFi module, OLED display, stepper motor, and relays. With the voice recognition module, users can interact with home devices using natural language, while the WiFi module enables remote monitoring and control. The system communicates with an IoT platform via a web server, enhancing the intelligence and convenience of home automation. This paper focuses on the design of hardware circuits, software development, and physical testing, confirming the system’s effectiveness in voice recognition and device control.

Key words: voice recognition, microcontroller, STM32, WiFi module, OLED display

目  录

摘 要​I

Abstract​II

第一章 绪论​1

1.1 研究背景及实际意义​1

1.2 智能家居研究现状​2

1.3语音识别研究现状​3

1.4研究目标​4

第二章 系统方案设计​6

2.1 主要元器件选择​6

2.1.1 主控模块方案选择​6

2.1.2无线传输方案选择​6

2.1.3显示模块方案选择​6

2.2 整体方案设计​7

第三章 硬件电路​9

3.1单片机最小系统​9

3.1.1 主控模块电路​9

3.1.2 晶振电路​11

3.1.3 复位电路​12

3.1.4 电源电路​13

3.1.5 下载电路​15

3.2语音识别模块​16

3.3音乐播报模块​17

3.4步进电机模块电路​19

3.5继电器控制模块​21

3.6 OLED显示模块电路​22

3.7 WIFI无线传输模块电路​24

第4章 系统程序设计​25

4.1 编程软件介绍​25

4.2 系统主流程设计​25

4.3步进电机子流程​26

4.4 OLED显示流程设计​27

4.5WiFi模块子流程设计​28

第五章 实物测试​30

5.1 整体实物测试图​30

5.2 上电运行实物测试​30

5.3 语音控制模块实物测试​31

5.4 WiFi远程测控实物测试​33

总结​34

参考文献​35

致谢​37

附录​38

附录一：原理图​38

附录二：PCB​1

附录三：主程序​1

第一章 绪论

1.1 研究背景及实际意义

近些年来，在计算机，人工智能(AI)，大数据，云计算，物联网等领域取得的突破，使得人们充分体验到现代科技带来的便利，对科技的依赖程度也越来越高。人们对生活居住条件的要求逐渐由满足基本需求向智能化，技术性以及人性化等方面发展。

人们对居住条件的需求不断提升催化了智能家居的产生，智能家居以家庭作为载体，通过物联网技术，无线通信技术，自动控制技术，云计算等技术相结合，实现家中各智能设备的互联互通，将各设备在云上进行注册，通过移动终端实现远程控制的一种实现方案。从技术方面来看，从发展到现在，智能家居经历了三个阶段。最开始时通过家庭总线技术将设备接入到一个智能家居系统上完成控制，有线的接入方式使得智能家居的安装以及维护变得繁琐而没有得到发展:之后是通过对物联网以及家庭局域网的进一步研究，在室内环境里部署价格低廉，构造小巧以及功能强大的传感器芯片不再是问题，将设备接入到云端完成家居设备的控制。该方式较于前者变的更加成熟且使用更加方便，但还是处于“弱智能”阶段,达不到智能化以及人性化的需求; 最后是语音识别与智能家居的结合，近年来由于人工智能技术及相关技术取得巨大的突破，使得语音识别的准确度迅速提升。将语音识别技术用于智能家居之中，人们可以与设备进行自然语言交流以及控制，极大的提升体验性以及符合人们的消费需求，从这方面看，将语音识别用于智能家居具有非常广阔的前景。

虽然将语音识别技术用于智能家居之中可以给用户带来更高的体验和便利性，但是目前由于利益及一些其他原因，这种方案现在并没有普及开来。首先是智能家居厂商众多，都有自己的一套协议，难以互相接入并控制。其次是语音开发商与智能家居厂商是两个并行的轨道，双方采用不同的数据通信格式，指标不能统一，不方便直接接入，开发过程也比较复杂。针对这些情况，本课题拟将开发一个位于智能家居管理平台之上的服务器中间件，通过配置用于打通语音识别与智能家居的通道，一头与智能家居平台通信，完成将不同智能家居产品整合到一起。另外一头与语音云平台通信，实现一个服务器中间件完成不同云平台的数据交互。通过本课题的设计可以解决不同智能家居产品需要不同智能家居平台进行控制以及解决语音识别接入智能家居难的问题。本系统最终通过 Web 服务器可以完成语音控制不同智能家居产品的目标。

1.2 智能家居研究现状

智能家居指又称智慧家居/智能住宅，其以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等物联网技术，将家居生活有关的设备集成以构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。智能家居首次在 1984 美国的康涅迪格州出现，当时通过计算机系统对敷栋大楼进行控制。将照明系统，空调系统，防火系统，电梯系统等接入到计算机，由后台进行控制并监控，打开了智能家居发展的序幕。

当前智能家居厂商众多，尚没有形成完整的产业标准，在许多的方面都是多种标准共同存在。主要体现在家庭网络标准，综合布线和总线技术标准以及通信技术标准三个方面(5).在家庭网络标准方面，在国际上用于智能家居和家庭网络中占据主导地位的有 HomePlug、HAVi、HomePNA、DLNA、ECHONET、PLC 等协议。其中 HomePlug 由松下，英特尔，惠普等十三家公司定义的电线通讯标准接口之一。该标准主要致力于各种信息家电产品建立开放的电力线互联网接入规范，同时该标准也包含了 PLC 技术规范并由此建立了完整 PLC 技术标准体系，使得电力线通信可以向智能家居的方向发展。之外的 DLNA 数字生活网络联盟由索尼，英特尔，微软等公司联合成立。基于现有的成熟标准，如IP，Wi-Fi等，旨在让不同的品牌，类型的电器，PC 以及移动设备等可以实现互相沟通，协同互联，建立一个基于开放的工业标准的互操作平台。总线是智能家居的重要部分，用于将家中各电气与通信设备连接在一起，形成一个完整的家庭网络，是一种全分布式智能控制网络技术。现在主流的总线标准有 LonWorks、EIB、BACNET、CAN、PROFIBUS、CEBuS、APBus 等。LonWorks 协议由美国 Echelon 公司提出，并经过美国国家标准学会认可，成为控制网络的标准。现被广泛用于楼字自动化，工业控制等。最后是通信技术标准的定义，现在主要的是无线通信方式，有IEEE 制定的 802.11 系列标准、802.15.1 标准以及 802.15.4 标准，其中基于 802.15.4 标准是 ZigBee 等规范的基础，另外 HomeRF、M2M 标准也在得到了较多的应用。

目前全球智能家居发展态势良好，美国引领行业发展风向标。市场研究咨询公司 Markesand Markes 近期发布的报告显示,全球智能家居市场规模将在 2022 年达到 1220 亿美元,2016到 2022 年年均增长率预计为 14%。伴随着 5G 灯芯一代移动通讯技术的发展，语音识别、深度学习等人工智能的技术，在新技术与智能家居融合之下，产品类别增多，系统生态逐步成熟，用户市场普及率提高将会是大势所趋。在这之中具有代表性的是苹果公司的 HomeKit 全球智能家居生态平台，亚马逊公司的 Echo 智能音箱，谷歌的 Google Assistant 语音助手以及三星的 SmartThings 智能家居生态。通过各大厂的推动，现在的智能家居生态日益成熟，智能家居产品实现多样化。

相对于国外智能家居的蓬勃发展，国内的智能家居起步较晚，但是发展迅速。近些年来我国为使得智能家居行业有个良好的发展环境，通过联合企业，科研院，生产基地等多方力量促进智能家居行业标准的形成与统一。在电子、通信、建筑、家电等多个领域制定了一系列的标准。工业和信息化部先后组建了“信息产业部家庭网络标准工作组”和“资源共享、协同服务标准工作组，并成立了以海尔集团为首的“数字电视接收设备与家庭网络平台接口标准”的工作组，用于制定家庭网络系统平台标准，共同开发拥有自主知识产权的相关标准规范。在 2017 年十二月份工业和信息化部发布《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020)》中指出重点发展智能家居产品为占据下一代市场，各大互联网公司，电器厂商争相布局,发展各自的家居产品。小米从智能家居发展时就致力于打造自己的生态链，从 2013年布局到现在，经过 10 年的发展，小米物连已经成为最大的物联网平台间。比如现在常见的智能产品有小米电视，小米窗帘，小米网关等。同时也推出了小米音箱将语音控制能力接入到智能家居生态之中。

未来的智能家居应当以实用，易用为主。对于智能家居而言，将语音识别技术大规模化的应用于智能家居之中将成为未来市场发展的趋势之一。

1.3语音识别研究现状

语音识别发展至今，已有超过六十年的质程。在上个世纪的中期开始，贝尔实验室就开始了语音识别的研究。第一次完成了十个特定英文单词的识别，拉开了语音识别的大幕。在这之后，许多的研究机构投入大量的科研力量，使得语音识别逐渐变得成熟。

在语音识别的发展过程中，出现了一系列的算法。在上世纪的六十年代针对说话时语音时长不一致问题，来自 RCA 实验室的 Martin 提出时间规整机制和前苏联的 Vintsyuk 提出的动态规划算法门以及卡耐基梅隆大学的 Reddv 提出的音素动态跟踪算法使得语音识别的发展进入到一个更高的阶梯，并为后续几十年里的语音识别发展起到了关键的作用。从上世纪十十年代开始，语音识别得到快速发展，出现了许多的杰出成果。出现了以梅尔倒谱系数图(MFCC)，相对频谱变换-感知线性预测(RASTA-PLP)作为特征向量，采用混合高斯模型隐马尔可夫模型(GMM-HMM)作为声学模型的语音识别模型，该模型一度成为语音识别领域的宠儿，被称为 GMM-HMM 时代。到了九十年代，提出了最大似然法则[(ML)用来训练GMM-HMM 模型。在 21 世纪之后，出现了序列鉴别性训练算法。比较具有代表性的有最小分类错误准则(MCE)，最小音素错误(MPE)准则。这些准则的提出，进一步提高了语音识别的准确率。在近些年中，由于分层鉴别性模型的提出，比如深度神经网络(DNN)依靠现有的强大计算能力和大数据的数据处理能力以及易于理解的模型本身，使得模型变得可行与传统的使用序列鉴别性准则训练的GMM-HMM 系统相比，使用深度神经网络-隐马尔科夫模型(CD-DNN-HMM)的识别准确性提高了三分之一。随着语音识别的准确性的提高，出现了许多优秀的语音识别产品。苹果公司的 Sini，微软的 Cortana，谷歌的 Google Now 等。相对国外语音识别技术的蓬勃发展，国内的起步就比较晚了。在上个世纪八十年代，由于国内计算机技术的普及，具备了研究语音技术的条件，许多的科研单位开始研究语音识别技术。随着“863”计划的展开，语音识别被列为专门研究课题得到迅速发展。具有代表性的有科大讯飞，百度语音，阿里。讯飞使用独创的深度全序列卷积神经网络(DFCNN)算法进行语音识别模型训练，使得识别的准确性达到 98%以上，在国际的语音识别大赛中多次取得冠军以及百度采用流式多级的截断注意力模型 SMLTA 以及阿里使用 LFR-DFSMN 模型，呈现百花齐放的场景。现阶段国内在语音识别领域后来居上，具有很大的影响力。

1.4研究目标

本文主要研究的是语音识别技术在智能家居系统中的应用，解决的问题主要集中在三个方面。第一个问题是将家具设备接入到物联网云平台进行统一的设备管理；第二个问题是开发一个 Web 服务，解决语音云平台与物联网云平台数据格式不一致所带来的数据交互难题，可以方便快速的实现不同云的交互；第三个问题是搭建对话系统，实现语音交互。论文主要的开发工作主要集中在五个部分，分别是以 ESP8266 作为控制及通信的智能家居端。物联网平台，Web 服务器，语音云平台以及语音接收端，包含软硬件的开发和实物的制作，该设计可以实现以下功能：

1、通过SU-03T语音识别模块可控制各类电器

2、通过一个继电器控制灯的开关（语音指令：开灯、关灯）、通过一个继电器控制风扇的开关（语音指令：打开风扇、关闭风扇）、通过一个继电器控制电视的开关（OLED显示屏模拟）（语音指令：打开电视、关闭电视）、通过步进电机正反转模拟窗帘的开关（语音指令：打开窗帘、关闭窗帘）

3、通过MP3音乐播放模块，可播放音乐（语音指令：播放音乐、停止播放、上一首、下一首、音量加、音量减）

4、通过WIFI模块，手机端APP可远程控制各继电器、音乐

第二章 系统方案设计

2.1 主要元器件选择

2.1.1 主控模块方案选择

方案一：STM32单片机，STM32F103MCU是一块集成度很高与开发简单的芯片，使用该芯片具有很多的优点：由于该芯片内部具有ADC模数转换，使得不需要外接模数转换芯片，性能较为稳定，功能损耗超低等特点，其属于ARM内核的一个版本。

方案二：STC89C52单片机，是目前市场上较为简单的一款单片机，该单片机主要运用在一些简单的电子产品或者一些简单的电子设备之中，但是这款芯片的处理速度较慢，而且只有一个串口供用户进行使用，存储内存只有8K。使得在很多设计之中都被摈弃。

考虑到此次设计，对单片机对数据的处理要求较高，而且需要使用的串口较多，51只有一个串口，并且价格上比STC89C52单片机相差无几。用STC89C52为主控芯，虽然价格较为便宜，但是使用串口较少，运行速度较慢，基于本系统的功能要求，STM32F103C8T6芯片均满足，且成本低，性能优异，所以最后选择采用STM32这款单片机作为此次设计主控芯片。

2.1.2无线传输方案选择

方案一：采用蓝牙作为此次设计的无线传输模块，手机通过下载蓝牙调试器和设备进行连接，采用蓝牙作为无线传输方式，该模块的成本较低，且该模块的使用较为简单，通过串口和单片机进行连接，该模块的操作软件可以在运用商店进行下载。

方案二：采用WIFI作为此次设计的无线传输方案，采用该方案可以进行远距离进行控制，不受地域远近的影响，当前，被广泛运用在很多的场合之中，用户通过下载APP，然后实现远程控制。

采用方案一的成本比方案二便宜，但是采用方案一进行近距离进行控制，但是采用方案二可以实现远距离进行控制，而此次设计需要实现远距离进行控制，因此，此次设计采用方案二作为此次设计的无线传输模块。

2.1.3显示模块方案选择

方案一：使用LCD1602液晶屏作为此次设计的显示，虽然这款显示屏可以实现此次设计的数据的显示，该显示屏可以显示两行数据，这种显示屏的价格较为便宜，显示较为清楚，代码的撰写也较为简单，但是这款显示屏只能显示数子字母和部分字符，不能显示显示，使得设备后期进行功能的拓展空间受到限制。

方案二：使用OLED液晶屏显示作为此次设计的显示屏，该显示屏本身就是一种发光器件。并且这种器件制作生产及其简单，而且成本也很低。现在OLED应用也越加广泛，OLED与其他技术相比拥有更加宽的视角，而且显示的画面还不会失真，其响应速度也快，能够实现高分辨率的显示，质量比较轻还能实现软屏还有就是功能损耗很低，能满足消费者对显示技术的新需求。

虽然使用LCD1602会使得产品的价格较低，但是采用OLED显示屏后期用户进行功能拓展，如需要显示汉字的需求时，能够满足用户的需求，且这款显示屏可以显示的数据更多，且其显示屏的面积更小，显示也更为清楚，因此此次设计采用OLED作为此次设计的显示模块方案选择。

2.2 整体方案设计

本设计以单片机为核心控制器，加上其他模块一起组成此次设计的整个系统，其中包括中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用了单片机控制器，其主要作用是获取输入部分的数据，经过内部处理，逻辑判断，最终控制输出部分。输入由两部分组成，第一部分是语音识别检测模块，该模块通过SU-03T语音识别模块可控制各类电器；第二部分是供电模块，通过该模块可给整个系统进行供电。输出由四部分组成，第一部分是显示模块，通过该模块可以显示监测的数据以及设置的阈值；第二部分是继电器模块，通过三个继电器分别控制照明灯、风扇、电视的开关；第三部分是步进电机模块，通过步进电机控制窗帘的开关；第四部分是音乐播放模块，通过该模块可以播放音乐。除此之外WIFI模块既作为输入又作为输出，WIFI模块和手机进行连接，通过WIFI模块，可将所有监测数据发送到手机端，手机端APP可远程控制各继电器、音乐。具体系统框图如图2.1所示。

图2.1 系统框图

第三章 硬件电路

3.1单片机最小系统

STM32单片机最小系统主要由STM32单片机、时钟电路、电源管理电路、JTAG电路和复位电路组成，单片机最小系统如图3-1所示，STM32时钟可以由内部晶振提供，也可以外接时钟电路产生时钟，时钟电路SYSCLK可以选择HSI、HSE或者PLL作为时钟源

图3-1单片机最小系统原理图

3.1.1 主控模块电路

1.STM32F103C8T6的具体性能如表3-1所示。

表3-1　STM32F103C8T6具体性能

名称	介绍
处理器	ARM32位的CortexTM-M3内核，工作频率最高达72MHz，数字信号处理速度极快
存储器	自带64Kb的程序存储器Flash和20KB的数据存储器SRAM，可避免扩展内存和外存的不便
电源管理	供电范围为2.0~3.6V，3路数字电源，1路模拟电源
模数转换	自带有两个12位的ADC，每个ADC有16个外部数据通道和2个内部通道
低功耗	支持睡眠、停止和待机三种模式，待机电流2uA，72MHz开启全部外设时工作电流为36mA
DAM	7通道DAM控制器，支持ADC、SPI、IIC、USART等外设
通信接口	3个UART、2个SPI、2个IIC、1个USB便于连接不同通信方式的传感器，扩展必要的外围电路
调试模式	支持SWD和JTAG接口

2、启动配置电路

STM32F103启动配置方式由BOOT0和BOOT1管脚状态决定。

管脚的电平状态决定了复位后开始执行程序的区域。STM32F103启动配置方式如表3-2。

表3-2STM32F103C8T6启动配置方式

选择引脚		启动方式	简介	选择引脚
BOOT0	BOOT1			BOOT0	BOOT1
0	x	FLASH	正常工作模式	0	x
1		0	ISP	启动程序功能由厂家设置
1		1	SRAP	用于调试模式

主控模块实物图如图3-2所示，主控模块原理图如图3-3所示。

图3-2主控模块实物图

图3-3 主控模块电路原理图

3.1.2 晶振电路

芯片的时钟系统，分为两种：

（1）低频时钟源为外接32768Hz的时钟晶体；

（2）高频时钟源为外接8MHz的时钟晶体[12]。

低频时钟源一般可以使主控芯片实现准确定时的功能，而高频时钟源能够提供高效准确的工作时序为主控芯片服务。所以此次设计采用8MHz的时钟晶体。晶振电路原理图如图3-4。

图3-4晶振电路原理图

(3)20PF电容选用的是国巨的CC1210KKX7R8BB226，其技术参数如表3-3所示。

表3-3　电容技术参数

技术参数	数值
容差 精度 工作温度 工作电压(DC)	±10% ±10% -55℃~125℃ 2.0~3.6VV

(4)8MHz的晶振选用的是KDS大真空的1ZNY12000AB0C，其参数如表3-4所示。

表3-4　晶振技术参数

技术参数	数值
工作温度 频率公差	-20℃~70℃ ±10ppm

(5)1M的电阻选用的是村田的PRF15BB102RB6RC，其技术参数如表3-5所示。

表3-5　电阻技术参数

技术参数	数值
功率 精度 温度系数	3.3W ±1% ±100ppm/℃

3.1.3 复位电路

此次设计采用按键复位和上电复位配合进行使用，在单片机的内部还有看门狗计数复位等。

上电复位：在系统没有上电时，开始给0.1μF的电容充电，在1K的电阻上出现高电位电压，这时单片机最小系统复位；在数毫秒之后，电容充满，流经10K电阻上的电流变为0，电压也变为0，这时单片机最小系统就进入到工作状态。电源给电容进行充电，电容C2的作用为消抖的作用，电阻和电容构成RC电路，在电容中的电压越高时，复位引脚处于低电平，使得单片机进行复位，C2的采用的电容为0.1uF，电阻为10K，电容的充电时间计算[13]：

(3-1)

给单片机上电1.1ms内单片机进行复位一次。

按键复位：在单片机运行过程之中，按键SW1按下，按键和电容构成回路，电容进行放电，当电容的电压消耗时，电阻两端的电压增加，使得单片机处于高电平，当使得单片机保持两个周期的高电平时，使得单片机复位一次。晶振电路原理图如图3-5。

图3-5复位电路原理图

复位电路中采用的电阻选用的是国巨的RC0603FR-0710KL，这个具体参数如表3-6所示。

表3-6　电阻的技术参数

技术参数	数值
功率 阻值 精度	1/32W 10KΩ ±1%

复位电路电容选用的是德尔创的CC1H104MC1FD3F6C10MF，具体参数如表3-7所示。

表3-7　电容的技术参数

参数名称	数值
温度系数	Y5V
额定电压	50V
精度	-20℃--+80℃
容值	100nF
脚间距	2.54mm

3.1.4 电源电路

主控芯片的正常工作电压为3.3V，外接电源的电压为5V，所以采用AMS1117-3.3芯片把5V降到3.3V，给芯片供电。将5V的直流电源通过多个滤波电容C5、C7(在电源电路图部分)滤波，然后经由Vin引脚输入。另外设计旁路电容C6和C8起稳压的功能，使输出电压稳定在3.3V。电源电路原理图如图3-6。同时在输出的3.3V电源处设置发光二极管来检测电源电压能否正常供电，在正常供电的情况下二极管处于红灯常亮状态。

图3-6电源电路原理图

表3-8　变压器技术参数

技术参数	数值
输入电压	5VAC
输出电压	3.3V
输出电流	25mA
功率	2.325W

1.稳压电容C8，其技术参数如表3-9所示。

表3-9　104电容技术参数

技术参数	数值
精度 温度系数 工作温度 额定电压 工作电压	±10% ±15% -55℃~125℃ 50.0V 50V

2.滤波电容C5，其技术参数如表3-10所示。

表3-10滤波电容的技术参数

技术参数	数值
工作温度	-55℃~125℃
额定电压	16V
精度	±20%
额定电流	600mA

此次设计利用AMS1117线性降压器将直流5V变为直流3.3V，以此满足电压要求。AMS1117-3.3是一个正向线性低压降稳压器。在本设计中用于把5V电压将为3.3V。

3、AMS1117内部原理框图见图3-7所示。

图3-7　ASM1117内部原理框图

4、电压转换效率计算：

(3-2)

其引脚如表1-11所示。

表3-11　AMS117-3.3引脚

管脚号	管脚名称	I/O	功能
1	GND	--/O	地
2	OUT	O	输出电压
3	IN	I	输入工作电压
4	OUT	O	输出电压

5、AMS1117-3.3参数如表3-12所示。

　　表3-12　AMS1117-3.3参数

参数名称	数值
精度 输入电压	1% 4.75~12V
输出电流	1A
输出电压	3.3V
负载调节（最大） 线荷载调节（最大）	0.4% 0.2%

3.1.5 下载电路

STM32F103类单片机的下载方式有三种：

1.J-Flash下载（需要用到J-link+J-Flash）

2.MDK配置下载（需要用到J-link/ST-link+keil）

3.ISP下载（需要用到FlyMcu+串口线）

此次设计采用MDK下载系统通过J-link/ST-link+keil硬件设备将编写好的程序烧写到STM32单片机来进行处理，同时对程序进行调试，确保系统能够正常工作，JTAG下载电路如图3-8所示所示。

图3-8下载电路原理图

3.2语音识别模块

本设计采用语音识别模块SU-03T作为语音家居系统的语音识别模块，进行语音控制照明灯、窗帘、播放器电视剧和风扇。语音识别模块通过串口和单片机进行连接，将用户发送的指令传输到单片机进行处理，然后控制设备，此次设计采用的电压为5V给语音模块进行供电，该模块，只需要接入电脑USB电路，即可实现程序更新，该模块可以实现10m以外远距离识别，其识别率高达97%以上，该模块支持160条以上指令，其对当前环境自然噪声的抑制效果较好，语音识别模块实物如图3-9所示。

图3-9 语音识别模块实物图

根据实物绘制原理图，该模块的原理图为3-10所示：

图3-10 语音识别模块原理图

语音识别检测模块的引脚功能如表3-13所示：

表3-13 声音检测模块引脚功能

引脚标号	符号	功能
1	VCC	5V电源输入
2	GND	电源地
3	TXD	通信串口
4	RXD	通信串口

该模块的参数指标如表3-14所示：

表3-14 语音识别模块技术指标

电气参数	语音识别模块
工作电压	5V
待机电流	50mA
扬声器	1瓦4欧
模块规格	28*40mm
功放输出	DAC(1W)
语音指令数	语音指令数160（最大）
通讯方式	UART/IO
音频时长	240秒（16K采样）

3.3音乐播报模块

此次设计采用MP3进行音乐播放，音乐播放器通过音乐播放模块的，该模块通过串口和单片机进行连接，串口进行控制，支持MP3、WAV等解码方式，可以通过USB数据线连接电脑更新音频文件，通过串口控制播放、暂停、选曲，音量加减等功能，最多可以选择65535首曲子，其波特率为9600bps，音乐播放实物如图3-11所示。

图3-11 语音播放模块实物图

根据实物绘制原理图，该模块的原理图为3-12所示：

图3-12音乐播放模块引脚图图

音乐播放模块的引脚功能如表3-15所示：

表3-15 语音输出模块引脚功能

引脚标号	符号	功能
1	CON1	模式配置引脚1
2	CON2	模式配置引脚2
3	CON3/BURY	上电30mS内作为模式配置引脚3/ 30mS后作为BUSY信号输出，播放曲目时输出低电平（0V），播放结束输出高电平（3.3V）
4	5V	5V电源正极输入
5	3.3V	3.3V电源输出，最大80mA
6	DACR	右声道音频输出
7	DACL	左声道音频输出
8	SRK-	5W功放输出负，接喇叭负极
9	SPK+	5W功放输出正，接喇叭正极
10	GND	参考地端
11	IO7	IO触发模式输入引脚IO7
12	IO6	IO触发模式输入引脚IO6
13	IO5	IO触发模式输入引脚IO5
14	IO4/ONE_LINE	IO触发模式输入引脚IO4；One_Line一线串口控制模式数据接收引脚
15	IO3	IO触发模式输入引脚IO3
16	IO2	IO触发模式输入引脚IO2
17	RXD/IO1	IO触发模式下为输入引脚IO1;UART控制模式下为RX引脚，连接控制端（MCU）的TX
18	TXD/IO0	IO触发模式下为输入引脚IO0；UART控制模式下为TX引脚，连接控制端（MCU）的RX

该模块的参数指标如表3-16所示：

表3-16 音乐播报模块技术指标

解码格式	支持MP3、WAV解码格式
采样频率	8/11.025/12/16/22.05/24/32/44.1/48(KHz)
DAC输出	24位DAC输出，动态范围支持90dB
信噪比	信噪比支持85dB

3.4步进电机模块电路

ULN2003是用来驱动步进电机的，该驱动芯片主要是通过采用七个NPN型的复合管进行组成的，而且输入和输出的电平相反，该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿管都需要串联一个2.7K的基极的电阻，而且它的工作电压为5V,该驱动芯片具有很多的优点：可以再较高的电压下工作，而且其工作的电压也较大，在使用的时候，它的电流可以高达500mA。

因为本文中的单片机带负载能力较弱，不能直接驱动直流电机，所以需要选择合适的电机驱动器。本文选用L298N，L298N驱动电机的原理是：OUT1端和OUT2端是L298N的输出端，接直流电机，IN1、IN2和ENA三个端子接智能小车单片机，IN1端和IN2端用来控制电机的正反转，如果将IN1端子接高电平（5V），IN2端子接低电平（0V），此时直流电机正转；如果将IN1端子接低电平（0V），IN2端子接高电平（5V），此时直流电机反转；单片机将PWM信号接至L298N驱动器的ENA端，利用PWM信号来调节电机的转速，即提高PWM的占空比则电机转速快，反之电机转速减小，若将直接将ENA直接接电源5V能得到电机的最大转速。同理，L298N可以通过ENB、IN3、IN4、OUT3、OUT4五个端子对另一电机调速。1、直流电机的驱动：该驱动板可驱动2路直流电机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如表3-17所：

表3-17 ULN2003直流电机状态表

ENA	INI	IN2	直流电机状态
0	X	X	停止
1	0	0	制动
1	0	1	正传
1	1	0	反转
1	1	1	制动

若要对直流电机进行PWM调速，需设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速，ULN2003的实物图如图3-13所示：

图3-13 ULN2003实物图

本设计采用步进电机模拟窗帘的开关。控制窗帘的单片机通过PB15、PB14、PB13、PB12分别和步进电机的IN1、IN2、IN3、IN4进行连接，将脉冲通过这4个引脚传输到步进电机，该驱动模块的原理图如图3-14所示。

图3-14 ULN2003原理图

3.5继电器控制模块

本系统设计中，使用3个电磁式继电器，分别控制电视剧、风扇和照明灯工作，实现系统控制家电的作用；该继电器主要由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等构成，采用电流流过线圈产生电磁效应的原理。衔铁在磁力的作用下克服弹簧的拉力与常开触点吸合，当电流断开的时候磁力消失，衔铁在弹簧的作用力下返回原位与常闭触点吸合，由此实现了电路的导通与断开。电磁继电器工作电压为3.3V或5V，输入端有3个管脚分别为VCC、GND、IN，同样输出端由3个管脚构成分别为公共端、常开端、常闭端，可接交流最大250V/10A，直流30V/10A。如图3-6所示，当IN端收到高电平时，三极管Q1的基极产生基极电流，Q1导通，基极电流通过三极管Q1的放大，达到继电器工作电流65mA时，电磁线圈产生电磁效应，常开端与公共端吸合。当IN端收到低电平时，Q1截止，电磁线圈断电电磁效应消失，常闭端与公共端吸合。其中与继电器的并联的续流二极管D1起到保护三极管Q1的作用，电磁线圈在通电到断电的过程中会产生较大的反向电动势，会导致击穿三极管，此时二极管D1可起到放电作用，继电器的实物图如图3-15所示。

图3-15继电器实物图

表3-18继电器电气参数表

根据上述继电器的电路特性及继电器的电气特性，本系统设计中继电器的VCC端与公共端，可由开发板直接5V直流供电，继电器的触发电压为0~3.5V，STC89C52的输入输出口高电平为5V，低电平为0V，所以IN端与STC89C52的输入输出口可以直接连接，电视剧、风扇和照明灯的正极与常开端连接，负极直接接地，其中电视剧、风扇和照明灯的工作电压为5V，接通电源就可以工作。由此可知当STC89C52通过输入输出口发出高电平时，常开端与公共端吸合，电视剧、风扇和照明灯进行工作，当STM32通过输入输出口发出高电平时，常闭端与公共端吸合，电视剧、风扇和照明灯停止工作，从而自动控制电视剧、风扇和照明灯的目的。继电器原理图如图3-16所示。

图3-16继电器控制电路原理图

3.6 OLED显示模块电路

本系统主机上的显示模块选用的是0.96寸128*64OLED显示模块，该屏幕内部集成了SSD1306驱动芯片，通过SPI接口与ARM主控芯片相连，该模块具有体积小、功耗低、开发方便等优点，特别适用于小型嵌入式设备中。OLED显示模块实物如图3-17所示。

图3-17显示模块实物图

本设计采用OLED显示模块作为语音智能家居监测系统的显示模块，将检测的具体数据在液晶屏上进行显示。显示模块的工作原理：该显示模块的1引脚接到电源地；该显示模块的2引脚接到电源VCC，给该显示模块进行供电；该显示模块的3引脚为时钟模块，在上升沿时允许将需要显示的数据传输到显示模块，该显示模块的4引脚为SDA，将需要显示的数据传输到显示屏进行显示，显示模块原理图如图3-18所示：

图3-18 显示模块电路原理图

OLED引脚介绍见表3-19。

3-19 LED显示模块的引脚见表

符号	功能
GND	接电源地
VCC	接电源VCC（3~5.5V）
SCL	OLED的D0脚，在IIC通信中为时钟管脚
SDA	OLED的D1脚，在IIC通信中为数据管脚

OLED显示模块的技术参数：参数介绍见表3-20。

3-20 OLED显示模块技术参数表

参数	数值
尺寸	0.96寸
显示颜色	有黄蓝、白、蓝三种颜色可选
分辨率	128*64
接口方式	IIC接口
内存	高达128K字节，用于存放程序和数据
片内BOOT0	实现串口下载程序
温度范围	温度范围-40℃到105℃
工作电压	2.0~3.6V

3.7 WIFI无线传输模块电路

本设计采用WIFI模块进行语音智能家居相关数据的传输，采用的模块型号为ESP8266，Esp8266无线传输模块作为STM32与云平台通信的唯一模块，负责连接物联网云平台并上传传感器数据，同时传输物联网云平台下发的用户命令。Esp8266是一款串口转WiFi芯片模块，内部自带固件，用户操作简单，无需编写时序信号，功耗低、射频性能稳定、通用性及可靠性好，支持无线802.11b/g/n标准，能够通过SocketAT指令可快速配置模块并连接网络，内置TCP/IP协议栈，支持TCPClient端多路连接，支持板载PCB天线，同时具有丰富的接口如：UART、I2C、PWM、GPIO等，作为从机只需通过串口USART与主机进行数据通信，Esp8266支持三种工作模式：STA、AP、STA+AP，比较适合家居环境使用，该模块的实物图如图3-19所示。

图3-19 WIFI模块实物图

根据该模块绘制原理图，该模块的原理图如图3-20所示，此次设计采用5V的电源进行供电，但是该模块的工作电压为3.3V，因此此次设计先使用降压芯片AMS117，将5V的电压转换为3.3V给该无线传输模块进行供电。

图3-20 WIFI模块原理图

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