具有语音识别功能的加湿器的设计与实现

2020-12-15沈周锋

黄冈师范学院学报 2020年6期

沈周锋

(漳州职业技术学院电子工程学院，福建漳州 363000)

空调调节室内温度的同时降低室内湿度使得室内空气过于干燥，刺激人体咽喉和鼻粘膜，极大降低了舒适度，刺激了加湿器行业的发展。加湿器能将液态水快速转化为水汽，弥补空气过度干燥的不足。洪鹤庭[1]设计了一种具有净水功能的加湿器，自动化程度不高，人机交互接口采用按键，且未对具体电路进行深入阐述。郭玮等人[2]设计了一种小型花卉培养室专用的加湿器，未涉及到换能片追频技术，老化后雾化效率降低严重。于鸿飞[3]采用模拟式的振荡采用三点式振荡电路驱动换能片，雾化功率无法调节，且数字化和智能化不足，不利于控制室内湿度。本研究设计了一种加湿器，能够智能检测空气湿度，适时开启或关闭加湿功能。采用水位检测技术和语音识别技术，用户只需采用简单语音口令，即可控制机器的运行，查询剩余水量情况。自动追频技术的引入，也大大克服了雾化片固有频率的变化，提高雾化效率。

1 基本原理

传统的模拟式空气加湿器，采用干簧管或者电极检测是否缺水，人工成本和物料成本较高。振荡电路采用功率三极管和外围的电感电容组成三点式振荡电路，功率三极管工作于放大状态，发热严重，需要安装体积较大的散热片，降低效率的同时，进一步提高了物料的成本。模拟式的空气加湿器，功能单一，使用不便，无法扩展额外的功能[4]。针对上述问题，本文设计了一种新型的空气加湿器，电路原理框图如图1所示。电源电路3.3 V和12 V，为整机各电路单元供电。整机以单片机为控制核心，检测外围电路信号和用户指令，控制雾化片驱动电路运行。采用LD3320语音识别方案，从麦克风采集用户口令，并通过喇叭播放响应语音，组成语音式的用户交互接口。温湿度传感器采用广州奥松的DHT11。DHT11是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件。提供单线双向的数字通信接口，与单片机通信[5-6]。当湿度低于阈值且水量充足时，打开雾化片驱动电路，雾化片产生高频振荡，将液态的水分子结构打散，使其变成自由飘散的水雾，内置小风扇推动水雾从出气口吹出。由于振荡频率一般为MHz级别，超出了人类的听觉范围，对人体无任何伤害。水位过低时，雾化片能量无法及时传递出去，损坏雾化片。因此采用水位检测单元，实时检测水位，避免雾化片干烧。电容式传感器，具有水位定量检测的功能，且稳定可靠，被广泛应用于加湿器。

图1 电路原理框图

整机结构示意图如图2所示，主要分为储水桶和底座两部分。储水桶和底座对准后叠在一起时，出水口的弹簧被底座的柱子顶开形成细微的出水孔。底座的水位高于出水口时，由于气压的原因，储水桶的水不再流入底座。当底座的水位低于出水口时，水从储水桶流入底座。储水桶截面为圆环状，中央设有圆柱形的风道，供水雾流出。底座设有雾化片，将水转化为水雾。风道1的下方设有小型风扇，使空气从底座的底部流入，经过风道1，推送水雾从风道2流出。当储水桶和底盘的水耗尽时，若雾化片继续工作(称为“干烧”)，则寿命大大缩短甚至立刻损坏。因此在底座上安装一块金属片，连接电容检测电路，根据电容值推算水量判断雾化片是否干烧。储水桶和底座叠在一起时，水位检测极片2通过水位检测极片1与电容检测单元连接，用于检测储水桶剩余水量。线路板、喇叭、麦克风和温湿度传感器安装于底座腔体内部。

图2 结构示意图

2 硬件电路设计

2.1 湿度监测和雾化片驱动电路

雾化片驱动电路采用模拟电路振荡、数字化追频的方式驱动[7]，详细电路如图3所示。单片机产生1.7 MHz左右的PWM信号，通过R1和R2分压后，送入N沟道场管Q1的栅极，控制场管在导通和截止状态之间切换。当PWM为高电平时，电流从+12 V流出，经过L1、Q1和R5流入地线，电感储能。当PWM为低电平时，Q1截止。由于L1的储能效应，Q1的漏极产生高于12 V的电压，电流经过C3、Y1和R5流入地线。L1起到升压电感的作用，应当选择uH级别的线绕功率电感。D1、C2、R3组成RCD吸收电路，合理选择参数，当D1的阳极电压高于一定值时，尖峰会被电路吸收，起到保护场管Q1的目的。R5作为振荡电流的采样电阻，一般选取0.5 Ω以下的功率电阻。R5采集到的交流电压，经过R4和C1低通滤波，得到正比于电流平均值的直流电压，送入单片机做AD转换。单片机根据CrtAd电压值，合理控制Pwm信号的占空比，可以将振荡的功率稳定在一定值，使雾化速度受单片机控制。同时当功率超过上限值时，可判定雾化片干烧，避免烧毁。L1升压后产生的高于12 V的交流电压，经过R6和R7的分压后，送入D2做半桥整流，VolAd节点电压正比于雾化片振荡电压。R8、C6起滤波的作用，使电压值更加平稳。R9起限流作用，保护单片机的AD转换引脚。单片机对VolAd节点进行AD转换，可以判断雾化片是否达到谐振点。以1.7 MHz雾化片为例，单片机从Pwm节点注入扫频信号，扫频范围限制在1.85 MHz至1.55 MHz之间。扫频频率由大到小变化，Pwm处于负半周期时检测VolAd节点电压，找到振荡幅度最大的频率点，即为雾化片固有频率F0。此举克服了雾化片量产时的公差，减少了加湿器出厂标定的人工成本。同时，雾化片固有频率随着自身老化缓慢变化，自动追频功能大大增加了加湿器寿命。

图3 雾化片驱动电路

液态水经过换能片雾化后在风扇推动下，从风道2吹出。风扇一般采用直流电机带动，单片机引脚直接驱动风扇，引脚电流过大，因此采用三极管共射电路驱动，如图4所示。Q2采用8050三极管，单片机IO口连接Fan节点为高电平时，经过R10的限流，将Q2的基极电位拉高，三极管导通。12 V电源为J1供电，风扇转动。反之，当Fan节点为低电平时，Q2截止，风扇供电回路断开，风扇停转。D3与风扇J1并联，用于吸收回路断开瞬间的反向电动势，保护Q2不被击穿。R11作为基极下拉电阻，吸收外界工频干扰，避免误导通。DHT11温湿度传感器安装于底座的进风口，用于监测外界空气湿度。外界空气湿度低于阈值，单片机开启加湿功能，反之则关闭加湿功能，实现智能调节环境湿度的目的。

图4 风扇和湿度检测电路

2.2 LD3320语音识别电路

语音识别模块，采用LD3320解决方案。LD3320芯片是一种基于非特定人语音识别技术的声控芯片，不需要用户进行录音训练，非常适合集成到家电中。该芯片从麦克风采集声音进行频谱分析，提取语音特征。当语音特征与关键词列表中的关键词达到一定匹配度时，从数字端口输出关键词序号。单片机还可以从数字端口发送音频码流，存入特定的FIFO存储器中，通过芯片搭载的喇叭播放出来。芯片数字端口具有SPI串口和并口两种模式，可根据语音码流传输速度的需求，设置数字端口模式[8-9]。电路图如图5所示。加湿器具有播报温湿度、播报水储量，接收用户口令并播报语音应答的功能，语音量较大，使用串口通信将占用大量的CPU时间片，影响自动追频和干烧保护等功能。因此，将MD引脚接地，使芯片进入并口通信模式。P0至P7为数据传输线，指令和数据从低位到高位分别在8个引脚传输。WRB为低电平写使能，RDB为低电平读使能，CSB为片选引脚。AD引脚高电平时写入地址，为低电平时传输数据。识别到关键词时，INTB引脚变为低电平通知单片机接收。C7～C10，R12，R13和MK1组成麦克风采集电路，MBS引脚为麦克风提供偏置电压，MICP和MICN引脚接收音频信号。SPOP和SPON引脚内部集成了音频放大功能，可直接驱动喇叭播放语音。R14，R15，C11，C12与PIN20至PIN22引脚连接，组成喇叭音量控制电路。C13和C14电容连接VREF引脚，用于稳定芯片内部声音信号参考电压。

图5 语音识别电路

2.3 水位检测和干烧检测电路

雾化片安装于底座中，当底座液态水耗尽时，若雾化片继续震荡，将引起雾化片干烧并烧毁。采用雾化片驱动电路能一定程度上避免干烧，但是稳定性不足。最稳定可靠的方式是加装水量检测装置，检测底盘水量是否充足。因此，在底座安装干烧检测极片，应用电容式检水技术，防止干烧。另外，安装水位检测极片，采用电容式水位检测技术，检查剩余水量，方便用户语音口令查询。FDC2212是一种低功耗、低成本且高分辨率的非接触式感测芯片，非常适用于液位感测领域，具体电路图如图6所示[10]。芯片具有两个电容测量通道，以通道1为例，L2和C15并联，连接IN1A和IN1B引脚，与芯片内部单元形成振荡电路。振荡频率由L2和C15决定：

当液位升高时，J3对地电容增加，使振荡频率降低，芯片内部的数字单元通过检测振荡频率的变化，即可换算为液位。出厂标定时，储水桶空的频率值f1，储水桶满的频率值f2。当前频率值表示为f3。根据电容原理和公式(1)可求得剩余水比例为：

图6 水位检测和干烧检测电路

3 软件流程设计

软件流程图如图7所示。单片机上电时，首先进行内部单元初始化，主要配置I2C接口、AD转换单元以及外围硬件的控制引脚。然后单片机初始化LD3320芯片，并将口令列表传入LD3320芯片内部，开启语音识别功能，单片机进入死循环。口令分为一级口令和二级口令。一级口令主要用于激活加湿器的口令接收状态，选择日常交谈较少涉及到的关键词，避免加湿器误开启。二级口令用于控制和查询加湿器，例如“打开智能加湿”“停止加湿”“报告湿度”“报告温度”“报告剩余水量”等等。由于语音应答信号较多，单片机内部程序存储器难以满足语音应答码流的存储需求。根据语音占用容量大小，选择在单片机外部扩展flash存储器，例如W25Q32。单片机可从存储器中读取所需码流段，转发至LD3320芯片。

单片机进入死循环后，循环检测温湿度、水位、用户口令。接收到用户口令时，将相应的语音应答信号传送至LD3320，通过喇叭播放出来。若处于停止模式的加湿器接收到加湿口令，则发送PWM扫频信号，检测雾化片最佳频点，然后设置标志位进入自动模式，跳转进入下一次循环。下一次循环中程序进入自动模式，判断湿度低于阈值且底座水量充足时，打开风扇和雾化功能，定期调整PWM信号占空比，达到调整雾化功率的目的。当湿度高于阈值时，关闭雾化功能。当底座水量不充足，有干烧的危险时，切换到停止模式，保证雾化片安全。

图7 软件流程图

4 整机测试

在距离麦克风2 m的位置，环境噪声30 dB以下，发送语音口令，对识别成功率进行测试。每句口令重复50次，统计正确播放应答语音的概率，如表1所示。打开智能加湿后，加湿器风扇能顺利开启，换能片正常开启加湿功能。当加湿器水耗尽时，加湿器能及时停止加湿，停机等待。

表1 口令识别成功率测试

在初始湿度值74%房间中，开启空调制冷和加湿器智能加湿功能。房间中设置湿度计，每半小时自动记录湿度数据，如图8所示。横轴表示湿度数据序号，纵轴表示湿度。当湿度低于50%时，加湿器能自动开启；湿度高于65%时，加湿器能够进入暂停加湿的状态。对加湿器自动加湿功能进行长达48小时测试，除了湿度初始值以外，环境湿度基本控制在49%～66%范围内。