具有語音識別功能的加濕器的設(shè)計與實現(xiàn)

沈周鋒

(漳州職業(yè)技術(shù)學院 電子工程學院，福建 漳州 363000)

空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的同時降低室內(nèi)濕度使得室內(nèi)空氣過于干燥，刺激人體咽喉和鼻粘膜，極大降低了舒適度，刺激了加濕器行業(yè)的發(fā)展。加濕器能將液態(tài)水快速轉(zhuǎn)化為水汽，彌補空氣過度干燥的不足。洪鶴庭[1]設(shè)計了一種具有凈水功能的加濕器，自動化程度不高，人機交互接口采用按鍵，且未對具體電路進行深入闡述。郭瑋等人[2]設(shè)計了一種小型花卉培養(yǎng)室專用的加濕器，未涉及到換能片追頻技術(shù)，老化后霧化效率降低嚴重。于鴻飛[3]采用模擬式的振蕩采用三點式振蕩電路驅(qū)動換能片，霧化功率無法調(diào)節(jié)，且數(shù)字化和智能化不足，不利于控制室內(nèi)濕度。本研究設(shè)計了一種加濕器，能夠智能檢測空氣濕度，適時開啟或關(guān)閉加濕功能。采用水位檢測技術(shù)和語音識別技術(shù)，用戶只需采用簡單語音口令，即可控制機器的運行，查詢剩余水量情況。自動追頻技術(shù)的引入，也大大克服了霧化片固有頻率的變化，提高霧化效率。

1 基本原理

傳統(tǒng)的模擬式空氣加濕器，采用干簧管或者電極檢測是否缺水，人工成本和物料成本較高。振蕩電路采用功率三極管和外圍的電感電容組成三點式振蕩電路，功率三極管工作于放大狀態(tài)，發(fā)熱嚴重，需要安裝體積較大的散熱片，降低效率的同時，進一步提高了物料的成本。模擬式的空氣加濕器，功能單一，使用不便，無法擴展額外的功能[4]。針對上述問題，本文設(shè)計了一種新型的空氣加濕器，電路原理框圖如圖1所示。電源電路3.3 V和12 V，為整機各電路單元供電。整機以單片機為控制核心，檢測外圍電路信號和用戶指令，控制霧化片驅(qū)動電路運行。采用LD3320語音識別方案，從麥克風采集用戶口令，并通過喇叭播放響應(yīng)語音，組成語音式的用戶交互接口。溫濕度傳感器采用廣州奧松的DHT11。DHT11是一種含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包含一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件。提供單線雙向的數(shù)字通信接口，與單片機通信[5-6]。當濕度低于閾值且水量充足時，打開霧化片驅(qū)動電路，霧化片產(chǎn)生高頻振蕩，將液態(tài)的水分子結(jié)構(gòu)打散，使其變成自由飄散的水霧，內(nèi)置小風扇推動水霧從出氣口吹出。由于振蕩頻率一般為MHz級別，超出了人類的聽覺范圍，對人體無任何傷害。水位過低時，霧化片能量無法及時傳遞出去，損壞霧化片。因此采用水位檢測單元，實時檢測水位，避免霧化片干燒。電容式傳感器，具有水位定量檢測的功能，且穩(wěn)定可靠，被廣泛應(yīng)用于加濕器。

圖1 電路原理框圖

整機結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要分為儲水桶和底座兩部分。儲水桶和底座對準后疊在一起時，出水口的彈簧被底座的柱子頂開形成細微的出水孔。底座的水位高于出水口時，由于氣壓的原因，儲水桶的水不再流入底座。當?shù)鬃乃坏陀诔鏊跁r，水從儲水桶流入底座。儲水桶截面為圓環(huán)狀，中央設(shè)有圓柱形的風道，供水霧流出。底座設(shè)有霧化片，將水轉(zhuǎn)化為水霧。風道1的下方設(shè)有小型風扇，使空氣從底座的底部流入，經(jīng)過風道1，推送水霧從風道2流出。當儲水桶和底盤的水耗盡時，若霧化片繼續(xù)工作(稱為“干燒”)，則壽命大大縮短甚至立刻損壞。因此在底座上安裝一塊金屬片，連接電容檢測電路，根據(jù)電容值推算水量判斷霧化片是否干燒。儲水桶和底座疊在一起時，水位檢測極片2通過水位檢測極片1與電容檢測單元連接，用于檢測儲水桶剩余水量。線路板、喇叭、麥克風和溫濕度傳感器安裝于底座腔體內(nèi)部。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 濕度監(jiān)測和霧化片驅(qū)動電路

霧化片驅(qū)動電路采用模擬電路振蕩、數(shù)字化追頻的方式驅(qū)動[7]，詳細電路如圖3所示。單片機產(chǎn)生1.7 MHz左右的PWM信號，通過R1和R2分壓后，送入N溝道場管Q1的柵極，控制場管在導(dǎo)通和截止狀態(tài)之間切換。當PWM為高電平時，電流從+12 V流出，經(jīng)過L1、Q1和R5流入地線，電感儲能。當PWM為低電平時，Q1截止。由于L1的儲能效應(yīng)，Q1的漏極產(chǎn)生高于12 V的電壓，電流經(jīng)過C3、Y1和R5流入地線。L1起到升壓電感的作用，應(yīng)當選擇uH級別的線繞功率電感。D1、C2、R3組成RCD吸收電路，合理選擇參數(shù)，當D1的陽極電壓高于一定值時，尖峰會被電路吸收，起到保護場管Q1的目的。R5作為振蕩電流的采樣電阻，一般選取0.5 Ω以下的功率電阻。R5采集到的交流電壓，經(jīng)過R4和C1低通濾波，得到正比于電流平均值的直流電壓，送入單片機做AD轉(zhuǎn)換。單片機根據(jù)CrtAd電壓值，合理控制Pwm信號的占空比，可以將振蕩的功率穩(wěn)定在一定值，使霧化速度受單片機控制。同時當功率超過上限值時，可判定霧化片干燒，避免燒毀。L1升壓后產(chǎn)生的高于12 V的交流電壓，經(jīng)過R6和R7的分壓后，送入D2做半橋整流，VolAd節(jié)點電壓正比于霧化片振蕩電壓。R8、C6起濾波的作用，使電壓值更加平穩(wěn)。R9起限流作用，保護單片機的AD轉(zhuǎn)換引腳。單片機對VolAd節(jié)點進行AD轉(zhuǎn)換，可以判斷霧化片是否達到諧振點。以1.7 MHz霧化片為例，單片機從Pwm節(jié)點注入掃頻信號，掃頻范圍限制在1.85 MHz至1.55 MHz之間。掃頻頻率由大到小變化，Pwm處于負半周期時檢測VolAd節(jié)點電壓，找到振蕩幅度最大的頻率點，即為霧化片固有頻率F0。此舉克服了霧化片量產(chǎn)時的公差，減少了加濕器出廠標定的人工成本。同時，霧化片固有頻率隨著自身老化緩慢變化，自動追頻功能大大增加了加濕器壽命。

圖3 霧化片驅(qū)動電路

液態(tài)水經(jīng)過換能片霧化后在風扇推動下，從風道2吹出。風扇一般采用直流電機帶動，單片機引腳直接驅(qū)動風扇，引腳電流過大，因此采用三極管共射電路驅(qū)動，如圖4所示。Q2采用8050三極管，單片機IO口連接Fan節(jié)點為高電平時，經(jīng)過R10的限流，將Q2的基極電位拉高，三極管導(dǎo)通。12 V電源為J1供電，風扇轉(zhuǎn)動。反之，當Fan節(jié)點為低電平時，Q2截止，風扇供電回路斷開，風扇停轉(zhuǎn)。D3與風扇J1并聯(lián)，用于吸收回路斷開瞬間的反向電動勢，保護Q2不被擊穿。R11作為基極下拉電阻，吸收外界工頻干擾，避免誤導(dǎo)通。DHT11溫濕度傳感器安裝于底座的進風口，用于監(jiān)測外界空氣濕度。外界空氣濕度低于閾值，單片機開啟加濕功能，反之則關(guān)閉加濕功能，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的目的。

圖4 風扇和濕度檢測電路

2.2 LD3320語音識別電路

語音識別模塊，采用LD3320解決方案。LD3320芯片是一種基于非特定人語音識別技術(shù)的聲控芯片，不需要用戶進行錄音訓練，非常適合集成到家電中。該芯片從麥克風采集聲音進行頻譜分析，提取語音特征。當語音特征與關(guān)鍵詞列表中的關(guān)鍵詞達到一定匹配度時，從數(shù)字端口輸出關(guān)鍵詞序號。單片機還可以從數(shù)字端口發(fā)送音頻碼流，存入特定的FIFO存儲器中，通過芯片搭載的喇叭播放出來。芯片數(shù)字端口具有SPI串口和并口兩種模式，可根據(jù)語音碼流傳輸速度的需求，設(shè)置數(shù)字端口模式[8-9]。電路圖如圖5所示。加濕器具有播報溫濕度、播報水儲量，接收用戶口令并播報語音應(yīng)答的功能，語音量較大，使用串口通信將占用大量的CPU時間片，影響自動追頻和干燒保護等功能。因此，將MD引腳接地，使芯片進入并口通信模式。P0至P7為數(shù)據(jù)傳輸線，指令和數(shù)據(jù)從低位到高位分別在8個引腳傳輸。WRB為低電平寫使能，RDB為低電平讀使能，CSB為片選引腳。AD引腳高電平時寫入地址，為低電平時傳輸數(shù)據(jù)。識別到關(guān)鍵詞時，INTB引腳變?yōu)榈碗娖酵ㄖ獑纹瑱C接收。C7～C10，R12，R13和MK1組成麥克風采集電路，MBS引腳為麥克風提供偏置電壓，MICP和MICN引腳接收音頻信號。SPOP和SPON引腳內(nèi)部集成了音頻放大功能，可直接驅(qū)動喇叭播放語音。R14，R15，C11，C12與PIN20至PIN22引腳連接，組成喇叭音量控制電路。C13和C14電容連接VREF引腳，用于穩(wěn)定芯片內(nèi)部聲音信號參考電壓。

圖5 語音識別電路

2.3 水位檢測和干燒檢測電路

霧化片安裝于底座中，當?shù)鬃簯B(tài)水耗盡時，若霧化片繼續(xù)震蕩，將引起霧化片干燒并燒毀。采用霧化片驅(qū)動電路能一定程度上避免干燒，但是穩(wěn)定性不足。最穩(wěn)定可靠的方式是加裝水量檢測裝置，檢測底盤水量是否充足。因此，在底座安裝干燒檢測極片，應(yīng)用電容式檢水技術(shù)，防止干燒。另外，安裝水位檢測極片，采用電容式水位檢測技術(shù)，檢查剩余水量，方便用戶語音口令查詢。FDC2212是一種低功耗、低成本且高分辨率的非接觸式感測芯片，非常適用于液位感測領(lǐng)域，具體電路圖如圖6所示[10]。芯片具有兩個電容測量通道，以通道1為例，L2和C15并聯(lián)，連接IN1A和IN1B引腳，與芯片內(nèi)部單元形成振蕩電路。振蕩頻率由L2和C15決定：

當液位升高時，J3對地電容增加，使振蕩頻率降低，芯片內(nèi)部的數(shù)字單元通過檢測振蕩頻率的變化，即可換算為液位。出廠標定時，儲水桶空的頻率值f1，儲水桶滿的頻率值f2。當前頻率值表示為f3。根據(jù)電容原理和公式(1)可求得剩余水比例為：

圖6 水位檢測和干燒檢測電路

3 軟件流程設(shè)計

軟件流程圖如圖7所示。單片機上電時，首先進行內(nèi)部單元初始化，主要配置I2C接口、AD轉(zhuǎn)換單元以及外圍硬件的控制引腳。然后單片機初始化LD3320芯片，并將口令列表傳入LD3320芯片內(nèi)部，開啟語音識別功能，單片機進入死循環(huán)?？诹罘譃橐患壙诹詈投壙诹睢Ｒ患壙诹钪饕糜诩せ罴訚衿鞯目诹罱邮諣顟B(tài)，選擇日常交談較少涉及到的關(guān)鍵詞，避免加濕器誤開啟。二級口令用于控制和查詢加濕器，例如“打開智能加濕”“停止加濕”“報告濕度”“報告溫度”“報告剩余水量”等等。由于語音應(yīng)答信號較多，單片機內(nèi)部程序存儲器難以滿足語音應(yīng)答碼流的存儲需求。根據(jù)語音占用容量大小，選擇在單片機外部擴展flash存儲器，例如W25Q32。單片機可從存儲器中讀取所需碼流段，轉(zhuǎn)發(fā)至LD3320芯片。

單片機進入死循環(huán)后，循環(huán)檢測溫濕度、水位、用戶口令。接收到用戶口令時，將相應(yīng)的語音應(yīng)答信號傳送至LD3320，通過喇叭播放出來。若處于停止模式的加濕器接收到加濕口令，則發(fā)送PWM掃頻信號，檢測霧化片最佳頻點，然后設(shè)置標志位進入自動模式，跳轉(zhuǎn)進入下一次循環(huán)。下一次循環(huán)中程序進入自動模式，判斷濕度低于閾值且底座水量充足時，打開風扇和霧化功能，定期調(diào)整PWM信號占空比，達到調(diào)整霧化功率的目的。當濕度高于閾值時，關(guān)閉霧化功能。當?shù)鬃坎怀渥?，有干燒的危險時，切換到停止模式，保證霧化片安全。

圖7 軟件流程圖

4 整機測試

在距離麥克風2 m的位置，環(huán)境噪聲30 dB以下，發(fā)送語音口令，對識別成功率進行測試。每句口令重復(fù)50次，統(tǒng)計正確播放應(yīng)答語音的概率，如表1所示。打開智能加濕后，加濕器風扇能順利開啟，換能片正常開啟加濕功能。當加濕器水耗盡時，加濕器能及時停止加濕，停機等待。

表1 口令識別成功率測試

在初始濕度值74%房間中，開啟空調(diào)制冷和加濕器智能加濕功能。房間中設(shè)置濕度計，每半小時自動記錄濕度數(shù)據(jù)，如圖8所示。橫軸表示濕度數(shù)據(jù)序號，縱軸表示濕度。當濕度低于50%時，加濕器能自動開啟；濕度高于65%時，加濕器能夠進入暫停加濕的狀態(tài)。對加濕器自動加濕功能進行長達48小時測試，除了濕度初始值以外，環(huán)境濕度基本控制在49%～66%范圍內(nèi)。

圖8 濕度變化曲線

利用單片機和LD3320芯片，設(shè)計了一種采用語音控制的加濕器。采用自動追頻技術(shù)、溫濕度檢測技術(shù)、電容式水位探測和干燒檢測技術(shù)，使加濕器自動的開啟或關(guān)閉，智能的調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境濕度。測試表明：加濕器語音控制方便快捷，能夠長時間穩(wěn)定運行，保證空調(diào)房等應(yīng)用場景濕度在人體適宜的范圍內(nèi)。