基于STM32单片机的语音控温水龙头设计

摘要

每个人对水温的感知都不同。考虑到当今人们的生活需求，能够智能调节水温的水龙头具有良好的研究价值。与传统产品不同，本文设计的语音温控水龙头不仅能自动调节温度，还能保持恒温。当热水供应不足时，可提前报警，提醒用户尽快完成用水。本设计利用现有的语音信号模块，可将语音信号转换为单片机输入信号，再通过单片机控制电机转动，从而很好地控制冷热水的开启程度。通过温度传感技术、语音识别算法与单片机的有效结合，实现智能温控的目标。

1. 引言

智能水龙头，也称为智能感应水龙头，诞生于20世纪70年代。起初，它仅出现在日本、欧洲和美国等经济发达国家，用于公共场所，以防止洗手后的二次污染。当时感应水龙头的技术尚不成熟，因此在发展与普及过程中并非一帆风顺。随着科学技术的发展，感应水龙头的功能已得到改进和完善。然而，在实现智能化阶段的智能水龙头仅仅是智能功能的叠加，未能将智能技术与功能体验良好结合，忽视了智能水龙头的便利性，产品用户友好性不足。这也是国内智能水龙头不适合家庭使用的一个重要原因[1]。因此，本文设计了一款更适合家庭使用的智能水龙头。

2. 硬件设计

本项目设计的水龙头硬件模块包括[2]：（1）两个水泵，用于实现冷热水的交换及冷热水的混合；（2）步进电机模块L298N，可在接收到语音控制信号后控制电磁水阀旋转一定角度，从而实现温度调节；（3）蜂鸣器，当热水消耗逐渐增加，手柄旋转角度达到热水管最大开度时，及时发出语音提示，提醒用户尽快停止用水，或当用户所需温度过高或过低时，自动发出报警；（4）显示模块LCD12864：显示实时水温和用户的控制指令；（5）温度传感模块DS18B20：用于温度检测；（6）语音识别模块LD3320：接收到语音识别信号后，将其转换为计算机信号，并由单片机识别控制命令；（7）电源模块，用于为各个模块提供电力；（8）控制模块STM32单片机，用于实现对各模块的集中控制。

2.1. STM32微控制器

STM32 MCU is a series高性价比单片机，专为需要高性能、低成本和低功耗的嵌入式应用设计了ARM Cortex‐M内核。同时，它具有一流的外设，1μs双12位ADC，4 Mb/s UART等。在功耗和集成度方面也表现出色，价格经济，功能优异。因此，本设计选用该单片机。

2.2. 语音识别模块

本设计所采用的LD3320是ICRoute公司生产的一款语音识别模块。该芯片集成了语音识别处理器及部分外围电路，包括AD/DA转换器、麦克风接口、语音输出接口等，因此无需任何辅助芯片即可直接集成到现有产品中，实现语音识别、语音控制和人机对话功能。该芯片的优点在于可自行设置唤醒词，在嘈杂和干扰环境中识别率仍可达95%。

2.3. 电机驱动模块

This design selects the stepping motor模块L298N，是由ST公司生产的电机驱动芯片。它包含两个全桥驱动器，可以同时驱动两个直流电机或一个两相四线步进电机。逻辑输入部分设计了光电隔离模块以保护控制器。该模块的最大输入电压为40V，单通道峰值电流为3A，最大功率不超过25W。逻辑输入端采用标准TTL电平控制，默认连接到VCC。

2.4. 温度传感模块

在本设计中，温度传感模块DS18B20用于自动检测温度，以便单片机控制电磁水阀的恒温或自动调节相应温度。DS18B20是一种常用的数字温度传感器[3]。其输出为数字信号，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强和精度高等特点。DS18B20数字温度传感器易于连接，封装后可用于多种场合。它耐磨、抗冲击、体积小、使用方便，因此适用于各种在狭小空间内工作的数字温度测量与控制设备。

2.5. 安全报警模块

蜂鸣器是一种电带有集成结构的蜂鸣器[4]。它由直流电压供电，广泛应用于各种电子产品中作为发声装置。可分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，具有体积小、价格经济、耐用性好等优点。在本设计中，随着用户使用热水量的增加，当手柄旋转角度达到热水管最大开度时，蜂鸣器能够及时发出提示，提醒用户尽快停止用水；或在用户所需温度过高或过低时发出报警信号。

2.6. 电源模块

The design of the电源模块选用锂电池，体积小、重量轻，能大幅降低水龙头的重量。同时，能够满足各个模块的运行需求，且容量大锂电池可延长供电时间。此外，锂电池的重金属含量远低于其他类型的电源，更环保。

3. 软件设计方案

本文设计的水龙头以STM32单片机为核心，功能代码采用Keil软件编写，最终烧录到单片机中。

3.1. 温度传感器识别温度

1. The hot water and cold water in this design a通过两个水泵分别将热水和冷水串联连接。温度传感器DS18B20通过温度探头检测水温，并将其转换为电信号发送给单片机，然后通过单片机将温度由LCD12864显示。编码流程图如图1所示。

2. 当温度传感器DS18B20检测到水温低于25°C或高于60°C时，微控制器控制步进电机的旋转角度，从而控制电磁水阀的转动以达到恒温，并在LCD12864上显示实时温度。其编码流程图如图2所示。

3.2. 语音识别模块控制水温

所设计的产品接收用户的语音信号，语音识别模块将语音信号转换为单片机可识别的电平信号，从而使单片机控制步进电机的旋转角度，进而控制电磁水阀达到用户所需的目标温度。语音识别芯片的工作原理如下：对麦克风输入的语音进行频谱分析—提取语音特征—匹配关键词列表中的关键词—输出关键词列表中得分最高的关键词作为语音识别的最终结果。其编码流程图如图3所示。

3.3. 安全报警提示

The user’s voice is process由内部微处理器处理并转换为控制信号。一方面，水龙头开关通过电磁水阀进行控制；另一方面，手柄角度通过电动控制阀进行调节，从而调节冷热水管出水量，最终实现控制水温的目的。随着热水消耗的增加，当手柄旋转角度达到热水管最大开度时，将及时发出提示，提醒用户尽快停止用水。编码流程图如图4所示。

4. 实验和结论

Finally, the system designed in本文通过仿真实验进行验证。使用Proteus构建硬件模型，使用Keil进行系统调试[5]。实验中，单片机可通过温度传感器DS18B20接收外部温度信号，从而控制电机转动，实现恒温[6]（当温度高于45°C时，正向转动加速；当温度低于10°C时，反向转动加速；当温度达到75°C时，正向转动达到全速；当温度为0°C时，反向转动达到全速；当温度在10°C至45°C之间时，逐渐停止）。实验结果表明，本文设计的系统能够控制电磁水阀的旋转角度，实现出水口的恒温。