基于單片機(jī)的語音播報(bào)器的研究

朱樂樂 李康 陳慶 周薇

摘要：電子科技行業(yè)的迅速發(fā)展，融入了我們的生活之中?，F(xiàn)如今隨著人們生活節(jié)奏的加快，為了改善排隊(duì)時(shí)間長的現(xiàn)象，利用電腦科學(xué)的管理客戶排隊(duì)的語音播報(bào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該文研究的重點(diǎn)就是基于STC89C51單片機(jī)作為主控芯片設(shè)計(jì)語音播報(bào)器，初衷和理念就是為了整治排隊(duì)的冗長和亂序問題。

關(guān)鍵詞：語音播報(bào); 單片機(jī);主控芯片

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）16-0209-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The Research of Voice Recorder Based on Single Chip Microcomputer

ZHU Le-le， LI Kang， CHEN Qin， ZHOU Wei

（Wuxi Institute of Technology， Wuxi 214121， China）

Abstract： The rapid development of electronic technology industry has been integrated into our life. Now with the quickening pace of people's lives， in order to improve the phenomenon of long queues， the use of computer science management of customer queuing voice broadcast system emerged. The focus of this paper is to design the voice announcer based on Stc89c51 as the main control chip， the original intention and idea is to rectify the long queue and out-of-order problems.

Key words： Voice Broadcast; SoC; main control chip

1 研究背景及意義

人口的增多，生活水平的上升，使得服務(wù)業(yè)大規(guī)模擴(kuò)大，但隨之也出現(xiàn)了一些麻煩。比如說如銀行、醫(yī)院、餐廳等的服務(wù)業(yè)場所，客人辦理業(yè)務(wù)、掛號(hào)就診或者就餐，不僅站著排隊(duì)的時(shí)間長，效率還十分低下。站立排隊(duì)的客人不禁會(huì)感到有些疲憊、煩躁，甚至?xí)a(chǎn)生沖突造成混亂，十分不便。而無線播報(bào)系統(tǒng)就是為了改善這種排隊(duì)現(xiàn)象設(shè)計(jì)的，無線播報(bào)的技術(shù)就是利用電腦科學(xué)得管理客戶排隊(duì)，通過對(duì)客戶進(jìn)行編號(hào)，來依次叫客戶進(jìn)行辦理業(yè)務(wù)或者取餐的方式，其余客戶就可以在座位上等待，而不需要排成長隊(duì)無意義得等待。這項(xiàng)設(shè)計(jì)能很好地方便客戶——在辦理業(yè)務(wù)前的等待過程中，他們就不需要長時(shí)間地排隊(duì)等候，避免了一些不必要的麻煩，真正為客戶提供了一個(gè)舒適的等候環(huán)境。

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

本文設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)的無線播報(bào)系統(tǒng)，當(dāng)完成號(hào)碼的輸入后，可以主動(dòng)式高效準(zhǔn)確地通過語音芯片播報(bào)出輸入的號(hào)碼等信息，并將信息通過液晶顯示屏顯示出來。

論文的研究主要包括以下幾個(gè)方面：1）研究檢測在發(fā)送端上采用矩陣鍵盤進(jìn)行號(hào)碼的輸入。2）研究實(shí)現(xiàn)輸入端輸入信息后通過無線模塊發(fā)送到接收端上。3）研究實(shí)現(xiàn)接收端通過液晶顯示屏顯示接收的信息。（4）研究如何實(shí)現(xiàn)將接收端的數(shù)據(jù)用語音芯片播報(bào)出來。

3 硬件方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中，我們將采用STC89C51單片機(jī)作為主控芯片。發(fā)送端由于要顯示出輸入的信息，計(jì)劃使用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示;而在接收端的顯示器件，選擇了LCD1602已達(dá)到能實(shí)時(shí)顯示信息的目的。而無線模塊數(shù)據(jù)傳輸方面，我們則選用了低成本的NRF24L01無線模塊，最后則是通過SC8065語音芯片進(jìn)行語音信息的播報(bào)。具體操作流程是：首先在發(fā)送端，用4*4的矩陣鍵盤進(jìn)行號(hào)碼的輸入，再通過NRF無線模塊傳輸?shù)浇邮斩耍蠼邮斩藢⒔邮艿男畔⒃谝壕э@示屏中顯示出來，同時(shí)語音芯片負(fù)責(zé)播報(bào)出輸入的信息。

本設(shè)計(jì)的具體系統(tǒng)方案如圖1所示。

下面具體對(duì)六大硬件部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹：

1）STC89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)：就是用最少的元器件組成的，而單片機(jī)又能正常工作的單片機(jī)系統(tǒng)。51單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由電源，晶振電路和復(fù)位電路三個(gè)部分組成的。首先是電源，對(duì)于每一件電子產(chǎn)品來說，電源的存在必不可少，它是系統(tǒng)運(yùn)作消耗能源的來源，本次設(shè)計(jì)的51單片機(jī)工作電壓在4.5V～5.5V之間，所以我們考慮到運(yùn)用USB充電線接入手機(jī)充電器來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。然后，晶體振蕩器電路將時(shí)鐘信號(hào)提供給微控制器。XTAL1和XTAL2可以通過使用晶體的片上振蕩器進(jìn)行配置，也可以直接由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用的晶體頻率越高，功耗增加越多。在12M晶體的情況下，如果要對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)，就必須要求并聯(lián)在晶體上的這兩個(gè)電容器尺寸大小對(duì)振蕩不存在影響。在晶體的選擇上，石英晶體的電容范圍在20-40pF之間，而使用陶瓷諧振器，電容要調(diào)整到30至50pF之間。通常情況下，會(huì)選擇30pF的陶瓷電容器。最后說的是復(fù)位電路，單片機(jī)在開機(jī)時(shí)需要復(fù)位，為的是讓內(nèi)部的功能部件都能處于一個(gè)明確的初始狀態(tài)，并從此時(shí)開始正常的工作。在死機(jī)時(shí)單片機(jī)同樣也需要復(fù)位處理，以重新恢復(fù)工作狀態(tài)。復(fù)位電路由上電自動(dòng)復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩部分組成，實(shí)際上，將兩者整合在一起使用的復(fù)合復(fù)位做法，在實(shí)際中經(jīng)常被采用。

2）LCD1602液晶顯示電路設(shè)計(jì)：顯示屏的顯示模塊是由若干個(gè)的點(diǎn)陣字符位組成的，是通過點(diǎn)陣位上的亮滅來組成符號(hào)或者數(shù)字的，也就在顯示圖形方面有些力不能及。這種顯示模塊也就歸類于點(diǎn)陣型顯示模塊，作用也僅就體現(xiàn)在了對(duì)字符的顯示上了。但相較于其他傳統(tǒng)的顯示器，它就要輕得多，功耗也低得多了。

3）數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)：以四位數(shù)碼管為例，四位是指數(shù)碼管能顯示4個(gè)位數(shù)，位數(shù)的顯示是通過多個(gè)發(fā)光二極管組成“8”字形的亮滅來達(dá)到效果的。需要它們工作時(shí)，只要引出各個(gè)筆劃，就能實(shí)現(xiàn)想要顯示的字符圖案。數(shù)碼管又區(qū)別為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種。共陽數(shù)碼管就是它的每一位上的所有陽極（正極）連接在一起，位顯端輸入高電平，斷顯端輸入低電平，當(dāng)兩段沒有電勢差是，則LED燈不亮;共陰數(shù)碼管，就是它的每一位上的所有陰極（負(fù)極）連接在一起，它們的區(qū)別也就在于LED接法的不同，發(fā)光原理總的來說是一樣的。

4）NRF24L01無線模塊的設(shè)計(jì)：NRF24L01芯片的特性體現(xiàn)在無線通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1對(duì)6的數(shù)據(jù)傳輸。要想使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通信，只要從單片機(jī)上預(yù)留5個(gè)GPIO，1個(gè)中斷輸入引腳，即可完成。這款通信芯片很適合初學(xué)者或者一些嵌入式工程師。之所以說這款通信芯片便于開發(fā)，也是因?yàn)樗詭Я俗詣?dòng)重發(fā)功能和自動(dòng)應(yīng)答功能。這兩個(gè)功能的便利之處在于，它可以自動(dòng)檢測丟失的數(shù)據(jù)包并重新傳輸它們，以及在接收到有效數(shù)據(jù)后使用已編程的載波檢測重復(fù)數(shù)據(jù)。這意味著該模塊可以自動(dòng)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，而不必這樣做。而它1.9V～3.6V的低工作電壓需求，很適合一些小型的開發(fā)設(shè)計(jì)。相較于同種類的無線通信芯片，NRF24L01除了方便操作，它短暫的啟動(dòng)時(shí)間和高速的通訊速率，使它同樣具有極低功耗。

5）SC8065語音芯片的設(shè)計(jì)：對(duì)地址語音進(jìn)行播報(bào)內(nèi)容的錄入。第六引腳是RST復(fù)位引腳，需要復(fù)位時(shí)要現(xiàn)將語音芯片內(nèi)部地址指針歸位，再發(fā)送對(duì)應(yīng)脈沖即可實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)。第七引腳就是DATA脈沖發(fā)送引腳。第八引腳的作用是為了檢測播報(bào)是否完成，當(dāng)?shù)诎艘_為低電平的時(shí)候就表示這段播報(bào)已經(jīng)完成。整個(gè)語音播放器采用的是脈沖（PWM）控制，即在播放需要播放的第n地址語音時(shí)，發(fā)送n個(gè)脈沖信號(hào)，就能完成播放第n地址的語音內(nèi)容。

6）矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)：按鍵的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)矩陣的形狀，這樣是為了利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，減少使用I/O口的數(shù)量。在電路結(jié)構(gòu)中，我們可以看到，每條水平線和垂直線在十字口是沒有直接相連的，都通過一個(gè)按鍵來進(jìn)行連接。如果是用端口線，則只能建成較少的鍵，線路越多，這個(gè)數(shù)量的差別則越大。因?yàn)橄到y(tǒng)的播報(bào)設(shè)計(jì)，計(jì)劃可以對(duì)編號(hào)“01～99”進(jìn)行輸入并撥號(hào)，這就用到了“0～9”，“確認(rèn)”和“退位”這12個(gè)按鍵，也是只能采用矩陣的形式來排列鍵盤才算是合理。

4 系統(tǒng)硬件電路整體性能測試

對(duì)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行測試，需要考慮到很多的方面。主要是通過對(duì)電路的焊接，元件的安裝方向，電路圖設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行檢查判斷的。電路的焊接是否出現(xiàn)了漏焊、短路、虛焊甚至是電路的短路，都在測試的范圍之內(nèi)，都是我們在測試階段應(yīng)該考慮到的。

用數(shù)字萬用表來檢測短路、虛焊或斷路這些問題。首先將數(shù)字萬用表調(diào)至二極管檔位，再用紅表筆和黑表筆來測試。我們依靠萬用表是否發(fā)出鳴叫來判斷狀況：當(dāng)蜂鳴器出現(xiàn)鳴叫的現(xiàn)象，說明電路通;如果蜂鳴器沒有響應(yīng)，就表示電路不同了。我們通過測試結(jié)果，再結(jié)合電路的主要情況，就能大致判斷線路的問題了。

最后是關(guān)于漏焊，電元器件接反的問題，檢測方法是根據(jù)PCB圖，將實(shí)物電路圖與之比較，并將每個(gè)元器件依次檢查，需要十分的細(xì)心和耐心，來發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)漏焊或接反的現(xiàn)象。

5 軟件部分設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的編程系統(tǒng)是Keil uVision4，這是由德國Keil Software公司研發(fā)的，針對(duì)51單片機(jī)C語言軟件的開發(fā)系統(tǒng)。與其他單片機(jī)編程語言對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，C語言更加的簡單易上手，且在功能、結(jié)構(gòu)、維護(hù)、可讀性這些方面也表現(xiàn)十分出色。Keil系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能夠支持51單片機(jī)的所有兼容機(jī)的編程設(shè)計(jì)，這款開發(fā)軟件的運(yùn)行環(huán)境也支持各個(gè)版本的Windows系統(tǒng)。之所以稱之為集成開發(fā)環(huán)境，是它將包括編譯、匯編和仿真等功能都集成于一體，有著一套完整的功能。

6 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

該語音播報(bào)器的創(chuàng)新點(diǎn)，主要有以下幾處：1）系統(tǒng)是通過Keil工具在Windows系統(tǒng)上開發(fā)完成。2）系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的無線播報(bào)系統(tǒng)，基于無線傳輸功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)排隊(duì)的管理。在當(dāng)今快節(jié)奏的生活方式下，這種設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了人們的時(shí)間，也避免了許多不必要的麻煩。3）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在原理的支持下可以多變的更改，十分實(shí)用，并具有很好的獨(dú)立性。

7 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)無線語音播報(bào)器，理念是通過矩陣鍵盤對(duì)號(hào)碼進(jìn)行輸入，再通過無線傳輸裝置進(jìn)行傳輸，最后通過顯示屏顯示出輸入的信息，并由語音芯片播放?；跓o線傳輸功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)排隊(duì)的管理，在當(dāng)今快節(jié)奏的生活方式下，這種設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了人們的時(shí)間，也避免了許多不必要的麻煩。

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