陈将毕业设计初稿.docx
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陈将毕业设计初稿
2016届
本科毕业设计（论文）资料
第一部分毕业论文
（2016届）
本科毕业设计（论文）
学院（部）：
电气与信息工程学院
专业：
电气自动化
学生姓名：
陈将
班级：
电气信息1211
学号10401600199
指导教师姓名：
刘颍慧
职称副教授
最终评定成绩
2016年5月
摘要
语音控制与识别技术的应用愈来愈广泛并逐渐深入到人们的日常生活中[1].随着经济的快速发展,汽车已逐渐成为人们的代步工具.许多单位和家庭都拥有汽车和车库,目前,车库门的开、关方式有2种方式,一是手动方式,该方法繁琐并且很不方便.二是自动方式,该方式又有2种方法,红外遥控和无线遥控,但都需要携带一个控制器,通过手触按健实现门的开启或关闭,当遥控器电量不足、忘带或损坏时将无法对车库门进行操作而带来极大的不便.应用语音识别技术,并采取相应可靠的保密措施,利用语音命令信号实现对车库门的开启与关闭,将会给人们的生活带来极大的方便。
本课题设计语音信号系统是建立特定人的语音数据库。
采用LabVIEW编写程序,利用计算机上的声卡，从麦克风获取语音信号，分析语音信号的特点，识别出特定人的声音，并给出识别结果。
该系统界面友好，维护费用低，为说话人识别和语音系统的构建提供了一个有效的框架。
关键词：
语音识别、单片机、LabVIEW
ABSTRACT
VoicecontrolandidentificationtechnologybecomesmoreandmorewidelyusedandgraduallyintothePeople'sDailylife.[1]withtherapiddevelopmentofeconomy,thecarhasgraduallybecomepeople.Manyunitsandhouseholdshaveacarandthegarage,atpresent,thegaragedoorstyle,therearetwoways,oneisthemanualway,thismethodiscomplicatedandveryinconvenient.Second,automaticway,therearetwokindsofthewayandmethod,infraredremotecontrolandwirelessremotecontrol,buttheyallneedtocarryacontroller,byhandtouchedthehealthyopenorclosethedoor,whenthedeficiencyoftheremotecontrol,forgetordamagewillnotbeabletomanipulateandthegaragedoorinconvenient.Applicationofspeechrecognitiontechnology,andadoptcorrespondingreliablesecuritymeasures,usingvoicecommandsignaltothegaragedooropenandclose,willbringgreatconveniencetopeople'slife.
Thistopicdesignvoicesignalsystemistobuildaspeaker-dependentspeechdatabase.UsinglabVIEWprogram,usingthecomputersoundcard,fromthemicrophoneforvoicesignal,analysisthecharacteristicsofspeechsignal,toidentifysomeone'svoice,andrecognitionresultsisgiven.Thissystemfriendlyinterface,lowmaintenancecost,fortheconstructionofspeakerrecognitionandvoicesystemprovidesaneffectiveframework.
Keywords:
Speechrecognition,microcontroller,LabVIEW
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章语音识别概述1
1.1语音识别的发展简况及应用1
1.1.1我国语音识别的发展1
1.1.2语音识别的应用领域1
1.2语音识别的研究意义1
1.2.1语音识别的总要性及研究意义1
第2章PLC概述3
2.1PLC简介3
2.2PLC的主要功能及优越性4
2.2.1PLC的主要功能4
第三章系统设计9
第四章系统使用注意事项14
第五章车库自动门维修全程指南15
结论16
参考文献17
致谢18
第1章语音识别概述
1.1语音识别的发展简况及应用
语音识别是解决机器“听懂”人类语言的一项技术。
作为智能计算机研究的主导方向和人机语音通信的关键技术，语音识别技术一直受到各国科学界的广泛关注。
如今，随着语音识别技术研究的突破，其对计算机发展和社会生活的重要性日益凸现出来。
1.1.1我国语音识别的发展
我国的语音识别研究一直紧跟国际水平，国家也很重视。
国内中科院的自动化所、声学所以及清华大学等科研机构和高校都在从事语音识别领域的研究和开发。
国家863智能计算机专家组为语音识别技术研究专门立项，并取得了高水平的科研成果。
我国中科院自动化所研制的非特定人、连续语音听写系统和汉语语音人机对话系统，其准确率和系统、均可达90%以上。
1.1.2语音识别的应用领域
语音作为当前通信系统中最自然的通信媒介，语音识别技术是非常重要的人机交互技术。
随着计算机和语音处理技术的发展，语音识别系统的实用性将进一步提高。
应用语音的自动理解和翻译，可消除人类相互交往的语言障碍，国外已有多种基于语音识别产品的应用，如声控拨号电话、语音记事本等，基于特定任务和环境的听写机也已经进入应用阶段。
这预示着语音识别技术有着非常广泛的应用领域和市场前景。
随着语音技术的进步和通信技术的飞速发展，语音识别技术将为网上会议、商业管理、医药卫生、教育培训等各个领域带来极大地便利，其应用和经济、社会效益前景非常良好
1.2语音识别的研究意义
1.2.1语音识别的总要性及研究意义
语音是人的自然属性之一，由于发音器官的生理差异以及后天所形成的发音习惯的行为差异，不同说话人的语音具有鲜明的个人特征，这使得通过分析语音信号来识别说话人成为可能。
说话人确认属于说话人识别中的一类，通过提取说话人语音中的个人特征来确认一个人的身份。
说话人识别所使用的语音是人体所固有的生物特征，不容易被冒充或窃取，可以随时使用，并且可以利用电话网络实现远距离服务，相对于传统的密码、钥匙等身份识别方法更安全、更有效、更可靠，因此具有广泛的应用领域，越来越受到人们的重视。
自从人类可以制造和使用各种机器以来，人们就有一个理想，那就是让各种机器能听懂人类的语言并能按人的口头命令来行动呢，从而实现人机的语言交流。
随着科学技术的不断发展，语音识别技术的出现，使人类的这一理想得以实现，语音识别技术就是让机器通过识别和理解把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。
语音识别是一门交叉学科，语音识别正逐步成为信息技术中人机接口的关键技术，语音识别技术与合成技术的结合，使人们能够甩掉键盘，通过语音命令进行操作。
语音技术的应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业
第2章PLC概述
2.1PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。
近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器
2.2PLC的主要功能及优越性
2.2.1PLC的主要功能
（1）开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。
它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种控制要求。
（2）模拟控制（A/D和D/A控制）在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。
过去，PLC长于逻辑运算控制，对于模拟量的控制主要靠仪表或分布式控制系统，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能，而且编程和使用方便。
（3）定时/计数控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。
对于定时器，定时间隔可以由用户加以设定；对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。
（4）步进控制PLC为用户提供了一定数量的位移寄存器，用位移寄存器可方便地完成步进控制功能。
（5）运动控制在机械加工行业，可编程序控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动控制。
（6）数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等操作，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。
（7）通信联网PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
2.2.2PLC的优越性
可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。
随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2.3PLC的特点：
PLC作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机，有其显著的特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良，容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
（2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）安装方便，扩展灵活PLC采用标准的整体式和模块式硬件结构，现场安装简便，接线简单，工作量相对较小；而且能根据应用的要求扩展输入—输出模块或插件，系统集成方便灵活。
各种控制功能通过软件编程完成，因而能适应各种复杂情况下的控制系统，也便于控制系统的改进和修正，特别适应各种工艺流程变更较多的场合。
（5）系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（6）体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3PLC的组成与基本结构
PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。
因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
PLC的硬件系统由主机系统（如图2-1）、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
图2-1硬件主机系统图
2.4PLC的工作原理
可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，其工作原理与计算机控制系统的工作原理基本相同。
PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。
CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性的地集中采样、集中输出的方式来完成。
一个扫描周期（工作周期）主要成分为以下几个阶段：
（1）输入采样扫描阶段这是第一个集中批处理过程，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中，在当前的扫描周期内，用户程序用到的输入信号的状态是否变化。
即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可以认为这些采集到的输入信息是同时的。
（2）执行用户程序扫描阶段这是第二个集中批处理过程，在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。
如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左到右的顺序进行扫描，每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。
对其他信息，则是从PLC的原件映像寄存器中去读取，在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入到输出映像寄存器中。
在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的各个部分，均可对中断事件进行响应。
在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而变化的。
（3）输出刷新扫描阶段这是第三个集中批处理过程，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。
2.5PLC的选型
PLC目前主要的品牌有：
美国AB，比利时ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷创研等。
本设计中采用三菱公司的FX型PLC,其优越的性能表现为极高的可靠性极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
FX的特征:
1体积小,尺寸:
160×80×62mm由于其紧凑的设计,FX可以适合于任何机器控制环境。
2易于使用:
通过STEP7-Micro/Dos软件可以非常方便地为FX编程,而且该软件能够在任何一台IBM兼容个人计算机上使用,哪怕是一台286的微机,要求MS-DOS5.0以上。
3灵活多用:
FX的输入/输出点可以支持各个领域的设备,如:
光电传感器,驱动马达按钮开关,灯,泵,搅拌器等
PLC三菱FX的特征如图2-2所示
图2-2plc三菱FX的特征
1中央处理器（CPU）:
是控制系统的大脑,它根据用户程序进行控制,此次选择CPU224作为本设计的主机。
2输入和输出（I/O）:
是系统的控制点,输入用于监视现场装置，输出用于控制执行机构。
在本控制系统中，需通过继电器来控制220V的电机，结合系统实际需要及系统的可扩展性和方便性，选择增加EM223CNDC/RELAY晶体管拓展模块。
3编程口:
用于连接编程设备,例如,一台计算机或一个手持编程器如图2-2所示。
在本控制系统中，需通过继电器来控制220V的电机，结合系统实际需要及系统的可扩展性和方便性，选择增加EM223CNDC/RELAY晶体管拓展模块。
PLC的控制点数包括急停、开始、停止、开关控制、传感器传入信号、PC机控制指令、步进电机的控制和PC机提取信号等。
具体见图2-2所示
第三章系统设计
3.1语音识别系统的设计
3.1.1硬件部分
语音的采集和数字化，硬件一般包括三个部分：
传感器及信号调理电路，A/D转换电路，PC机接口电路。
但是由于声卡已经成为计算机的标准配置，而且LabVIEW提供了对声卡进行操作的函数，所以在本系统中直接采用话筒和声卡实现这部分功能。
3.1.2软件部分
LabVIEW最显著的特性之一是对数据的图形化显示提供了丰富的支持。
本系统借助LabVIEW的这一优势设计了功能强大、友好的系统用户界面。
但是LabVIEW的数据处理功能不够强大，而本系统需要进行大量复杂的运算。
为了弥补LabVIEW这方面的不足，本系统在LabVIEW中通过MATLAB Script节点调用MATLAB程序来完成语音的预处理和说话人的确认等复杂运算。
整个系统从功能上可以分为语音采集模块、训练模块、确认模块三部分。
3.1.3本实验在实验室环境下进行
实验时，声卡参数通过前面板设置为单声道、采样频率为11025Hz,数据格式为16位字长。
本系统为与文本有关的说话人确认系统，训练和识别所用的音节显示在前面板的“口令”文本框中。
训练时，每个说话人对指定的音节发音；识别时，每个说话人再对（同训练时）相同的音节发音；对于真的待确认者和假的待证实者，分别进行实验。
从实验结果可以看出，该系统较好的完成了对说话人身份的确认，识别准确率较高。
3.2PLC模块的设计
3.2.1车库自动门控制系统的控制要求
PLC上电投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。
车库门设计为卷闸式，用一个电机来拖动卷闸门。
正转接触器KM1使电机开门，反转接触器KM2使电机关门。
在库门的上方装设一个超声波探测开关，超声波开关发射超声波。
（1）plc上电，当人在车内发出语音信息通过传感器传入车库内，车库内通过语音识别认定正确时，产生输出电信号，由该信号启动接触器KM1，电机M正转使卷闸门上升开门，当到达开门限位开关位置时，电机停止运行。
（2）在关门过程中，当有人员或其他小动物，正在卷闸门的下方时，卷闸门轻微触碰到对方时，立即由下降反弹至上升状态，防止造成的意外伤害。
（3）考虑到自动门在出现故障或在维修的时候，用自动控制存在一定的问题，增加手动开门和关门开关。
3.2控制程
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