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基于avr单片机的自动语音欢迎系统学位论文
编号
本科生毕业设计
基于AVR单片机的自动语音欢迎系统
AutomaticPronunciationSystemBasedonAVRProcessor
二〇一二年六月
毕业设计（论文）原创承诺书
1．本人承诺：
所呈交的毕业设计《基于AVR单片机的自动语音欢迎系统》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。
4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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以上承诺的法律结果将完全由本人承担！
作者签名：
年月日
摘要
本文主要阐述的是基于AVR单片机的自动语音欢迎系统，利用ATmega16单片机作为控制器，实现对ISD1400语音芯片的控制从而实现语音播放。
自动感应和自动控制是本设计的两个关键内容。
自动感应和信号放大模块是热释电红外传感器将检测到的人体红外信号转换成电信号，通过专用电路OT0001对信号二级放大。
自动控制模块是利用AVR单片机的外部中断引脚和数据控制引脚来实现语音芯片电路的控制。
当单片机中断引脚接受到的是高电平时,则通过控制程序控制语音芯片的语音回放
关键词：
热释电红外传感器OT0001AVR语音芯片ISD1400
Abstract
ThisarticlefocusesonthesystemofautomaticspeechwelcomedbasedontheAVRmicrocontroller.TheATmega16microcontrollerasamicrocontrollercontroltheISD1400voicechiptorealiszevoicebroadcasting.
Automaticsensingandautomaticcontrolarethetwokeyelementsofthisdesign.Automaticsensingandsignalamplifiermodulewillturnthepyroelectricinfraredsensordetectionoftheinfraredsignaltohumanbodyintoelectricalsignal,throughthespecialcircuitOT0001makesthesignallevel2enlarged.AutomaticcontrolmoduleusesofAVRmicrocontrollerexternalinterruptionpinanddatacontrolpintoachievethecontrolofthevoicechipcircuit.Whenthemicrocontrollerinterruptpinreceivesthehighlevel,themicrocontrollercontrolsprogramtorealiszevoicebroadcasting.
Keywords:
Pvroelectricinfraredsensor;OT0001;AVR;PronunciationchipISD1400
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题意义1
1.2国内外研究现状1
1.3本文主要内容2
第2章系统方案设计3
2.1单片机选型3
2.2语音模块4
2.3传感器5
第3章系统模块原理简介6
3.1ATmega16单片机简介6
3.1.1芯片特点6
3.1.2工作模式6
3.1.3引脚图及介绍6
3.1.4AVR单片机的复位和中断处理7
3.2热释电传感器介绍10
3.2.1菲涅尔透镜10
3.2.2热释电传感器的原理10
3.2.3热释电传感器的内部结构11
3.2.4引脚说明11
3.2.5热释电传感器输出特性12
3.3OT0001信号处理集成芯片介绍13
3.3.1OT0001芯片特点13
3.3.2OT0001引脚13
3.3.3内部框图13
3.3.4工作原理14
3.4ISD1400语音芯片介绍15
3.4.1概述15
3.4.2ISD1420特性15
3.4.3功能描述16
3.4.4管脚图及描述16
3.4.5操作模式18
第4章系统的硬件设计21
4.1ATmega16最小系统21
4.1.1复位电路22
4.1.2晶振电路22
4.2信号放大电路23
4.3语音控制电路23
4.4电源电路24
第5章自动语音欢迎系统软件设计25
5.1主程序流程25
5.2中断服务程序流程26
5.3语音播放流程26
结论27
致谢28
参考文献29
附录30
第1章绪论
1.1课题意义
在电子技术与数字化技术发展的今天，开发这种服务质量好、智能化程度高、经济实用的自动语音欢迎系统，不仅便于统一管理，而且能减少人力资源，还对环境改善、提高经济效益都有着显著的效果。
给我们的生活带来极大的便利。
自动语音欢迎系统是通过热释电传感器将人体发出特定波长10μm左右的红外线转化为电信号，经过热释电红外线传感信号处理器对信号进行两次放大，产生对AVR单片机的触发信号，使AVR单片机产生中断，控制ISD1400语音芯片实现语音回放。
1.2国内外研究现状
随着科学技术的进步，现代电子技术几乎在各个领域受到青睐。
近年来，西方发达国家运用电子技术研制出各类，广泛欢迎系统，用于家庭，办公室和工厂，成为有效的欢迎器件。
我国自改革开放以来，由于商品经济迅速发展和人民生活日益改善，人们对于先进的电子技术实现迎宾的兴趣和需求与日俱增，当前市场上迫切需要一种适合我国国情，价格低廉，性能可靠的欢迎装置，具有结构简单、成本低廉、调整方便等特点。
适合在家庭、宾馆、商店、仓库、办公室及其它机关部门等使用的新颖感应欢迎器[5]。
自动语音欢迎系统的前身就是电子防盗报警器，事先人们用它来防盗的，但后来因为电子防盗报警器发出的声音是刺耳的报警声，对进店的顾客产生消极的影响，后来演变成比较悦耳的声音，特别是：
叮咚声，您好，欢迎光临，音效特受用户的青睐，顾客一进门就报出欢迎语音，起到了礼貌问候，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的两重作用。
近年来欢迎系统有光感应式，它原理是：
利用人体反射光线，光敏电阻得到足够大变化的光线，使电路产生变化电流触发电路，其灵敏度跟物体反射率有关。
虽然光感的价格比较便宜，但误报率高，黑暗情况下不能正常使用。
目前热释电红外传感器是应用在欢迎系统中最普遍的，在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
优点是误报极少，加上前面的菲涅尔透镜窗口，从而将误报率降至最低。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外，它已迅速成为现代欢迎系统的主流。
总之，未来几年自动欢迎系统的发展趋势是：
产品技术将在数字化、无线化、集成化的前提下力求突破。
而在应用市场上，它将朝更细化的方向前进──针对不同市场，推出不同产品。
以成长最快的公共场合超市为例，已经有专为超市设计的定向适合这种场合用的无线红外欢迎系统。
而除了商店，家庭，办公室等，室外应用更是具有广阔的拓展空间
1.3本文主要内容
自动欢迎系统的实现主要是通过探测人体的红外信号经热释电红外传感器处理，处理后的信号送到主控模块单片机，单片机根据触发信号控制语音模块的语音播放。
该系统的主要选用其它器件有：
热释电红外传感器它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效控制人体辐射以外的干扰辐射
ATmega16它可以利用精简的机器级指令，而使运行速度更快。
优化硬件控制意味着在机器级指令集中提供了方便简捷的指令，使控制I/O设备变的更简单，容易。
ISD1400是一种采用ChipCorder专利技术的语音芯片。
片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等，只要很少的外围器件，就可以构成一个完整声音录放系统。
OT0001传感信号处理集成电路是对热释电传感器的感应信号进行二级放大。
第2章系统方案设计
自动语音欢迎系统主要由探测模块，控制模块，语音模块，供电模块等四部分组成，探测模块只要有通过菲涅耳透镜和热释电传感器完成，实现对人体红外的探测同时执行光电信号转换和信号放大，处理后的信号触发以AVR控制模块，这时AVR单片机会产生中断，根据相应中断控制语音模块的语音，进行门内或门外语音回放。
系统的整体思路如图2-1给出系统的整体框图所示：
图2-1系统框图
2.1单片机选型
方案一：
采用AT89C51单片机，其主要功能为，8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K），256bytes的数据存储器（RAM）（52有384bytes的RAM，32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令，21个专用寄存器，2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个），一个全双工串行通信口，外部数据存储器寻址空间为64kB，外部程序存储器寻址空间为64kB，逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装，单一+5V电源供电，CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及要显示的数据；ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：
四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：
两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
方案二：
采用ATmega16单片机,其特点为，16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
51单片机，ARM，DSP都是嵌入式系统的核心芯片的类型，现在的嵌入式系统都是高度面向对象的。
项目规模、对效率的要求以及成本问题很大程度上决定了对单片机类型的选用。
基于对系统的整体设计和硬件资源的要求，电路设计中采用的微处理器电路相对模拟系统更为简单，可实现较复杂的控制算法，有一定的数据存储空间，灵活适应性强，控制精度高，无零点漂移。
可见普通的51系列单片机因为资源缺乏而无法满足设计要求。
ARM系列处理器价格昂贵且在本系统设计中使用，会浪费资源。
DSP系列往往注重数字信号的处理也不适合。
根据单片机的对比，系统设计应该选用8位机中性能优越的单片机。
所以选择由ATMEL公司制作AVR系列芯片中的ATmega16作为本次设计的处理单元。
2.2语音模块
方案一：
选用ISD2500系列。
ISD2500系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。
它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K（1400系列为128K），所以录放时间长；有10个地址输入端（1400系列仅为8个），寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。
方案二：
选用ISD1400。
ISD1400系列是单片，高质量，短周期的录放音电路。
采用CMOS工艺，内部包含片上时钟，麦克前置放大器，自动增益控制，带通滤波器，平滑滤波器和功率放大器。
ISD1400系列提供6.4K和8.OK取样频率，用户可以根据语音质量加以选择。
取样的语音直接存储到片内的不挥发存储器内部，不需要数字化和压缩的其它手段。
直接模拟存储能提供真实自然的语音，音乐，声音，不像其它的固态数字录音质量要受到影响。
考虑语音芯片由于主要应用到服务领域，由于酒店，宾馆等高级场所需要有高质量的服务，所以，要求能回放出度清晰度的语音，所以在语音芯片的选用方案二，选择采样率高的语音芯片。
由于ISD1400的特性，在语音模块这部分ISD1420采样率在6.4－8，有20秒录音功能的ISD1420语音录放芯片。
选用该芯片语音回放的效果很好。
2.3传感器
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
例如光感应式传感器、微波传感器、光电是传感器、热释电红外线传感器在我们的生活中都有着很重要的作用。
光感门铃是利用人体反射光线，光敏电阻得到足够大变化的光线，电路产生变化电流触发电路，灵敏度跟物体反射率有关。
光感应式的价格便宜，但是误报率高，
微波传感器是由发射天线发射出微波将遇到的物体信号进行吸收或反射，使功率发生变化。
具有检测速度快，灵敏度高环境能力强。
主要应用于交通、工业及民用装置中。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
热释电红外传感器是用先进微电脑制造技术，热释电红外传感器常用于无接触温度测量，可以进行远距离测量由于测量时不与被测物直接接触所以不存在摩擦，同时无论白天黑夜都可正常使用，而且可以减少很多误操作，节能易用，灵敏度强，更适合市场的需要，更贴近消费者的生活内容，办公写字楼、家居、商店、工厂等各种场合均可使用，带来方便。
考虑到本设计是自动语音欢迎系统，对原本设计最基本的要求是对人的欢迎和诸多方面所以选择热释电红外传感器。
这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
此传感器具有不需要用红外线或电磁波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装等特点。
第3章系统模块原理简介
3.1ATmega16单片机简介
3.1.1芯片特点
ATmega16单片机具有以下特性：
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
3.1.2工作模式
工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
3.1.3引脚图及介绍
图3-1-3ATmega16引脚分布图
端口A作为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。
端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。
端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。
端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。
端口D也可以用做其他不同的特殊功能。
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时，该引脚应直接与Vcc连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与Vcc连接。
XTAL1是反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2是反向振荡放大器的输出端。
AREF是A/D的模拟基准输入引脚。
3.1.4AVR单片机的复位和中断处理
ATmega16具有20个中断源和一个复位中断，单片机的中断源分为外部中断源和内部中断源，有三个外部中断源有INT0,INT1,INT2,当连接在单片机引脚的上的外部电平发生变化时，将产生相应的中断。
内部中断源由单片机内部的功能单元如定时器，串行通讯产生的中断。
按是否可屏蔽可分为，非屏蔽中断，和可屏蔽中断，非屏蔽中断有系统复位（reset）中断，可屏蔽中断：
屏蔽指的的是中断可由软件编程控制是否允许中断，或禁止中断，大部分都是可屏蔽中断。
需要注意的是，如果将ATmegal6设置为允许外部中断，则即使把INT0、INT1和INT2引脚没置为输出方式，外部中断仍然会被触发。
外部中断可选择采用上升沿触发、下降沿触发和低电平触发（INT2中断只能采用沿触发方式，在下文中将着重介绍INT0和INT1中断），具体选用什么方式由MCU控制寄存器MCUCR以及MCU控制和状态寄存器MCUCSR的设置决定。
1、中断寄存器
在ATmega16中，除了寄存器SREG中的全局中断允许标志位I外，与外部中断有关的寄存器有4个，共有11个标志位。
其作用分别是：
3个外部中断中断标志位，3个中断允许控制位,用于定义外部中断的触发类型。
表3-1中断向量表
向量号
程序地址
（2）
中断源
中断定义
1
$000
（1）
RESET
外部引脚电平引发的复位上电复位，掉电检测复位看门狗复位以及JTAGAVR复位
2
$002
INT0
外部中断请求0
3
$004
INT1
外部中断请求1
4
$006
TIMER2COMP
定时器/计数器2比较匹配
5
$008
TIMER2OVF
定时器/计数器2溢出
6
$00A
TIMER1CAPT
定时器/计数器1事件捕捉
7
$00C
TIMER1COMPA
定时器/计数器1比较匹配A
8
$00E
TIMER1COMPB
定时器/计数器1比较匹配B
9
$010
TIMER1OVF
定时器/计数器1溢出
10
$012
TIMER0OVF
定时器/计数器0溢出
11
$014
SPI,STC
SPI串行传输结束
12
$016
USART,RXC
USART，Rx结束
13
$018
USART,UDRE
USART数据寄存器空
14
$01A
USART,TXC
USART，Tx结束
15
$01C
ADC
ADC转换结束
16
$01E
EE_RDY
EEPROM就绪
17
$020
ANA_COMP
模拟比较器
18
$022
TWI
两线串行接口
19
$024
INT2
外部中断请求2
20
$026
TIMER0COMP
定时器/计数器0比较匹配
21
$028
SPM_RDY
保存程序存储器内容就绪
（1）中断控制寄存器——MCUCR
封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。
（2）控制和状态寄存器——MCUCSR
（3）通用中断控制寄存器——GICR
（4）通用中断标志寄存器——GIFR
当INTx引脚上的有效事件满足中断触发条件后，INTFx位会变成“1”。
如果此时SREG寄存器中I=1，以及GICR寄存器中的INTn被置为“1”，MCU将响应中断请求同时硬件自动将INTFn标志位清零。
用户可以使用指令将INTFn清除，清除的方式是写逻辑“1”到INTFn，将标志清零。
当INT0（INT1）设置为低电平触发方式时，标志位INTF0（INTF1）始终为“0”，这并不意味着不产生中断请求，而是低电平触发方式是不带中断标志类型的中断触发。
在低电平触发方式时，中断请求将一直保持到引脚上的低电平消失为止。
2、I/O口配置引脚
每个端都具有三个寄存器位:
DDxn、PORTxn和PINxn，如P63“I/O端口寄存器的说明”所示。
DDxn位于DDRx寄存器，PORTxn位于PORTx寄存器，PINxn位于PINx寄存器。
DDxn用来选择引脚的方向。
DDxn为"1“时，Pxn配置为输出，否则配置为输入。
引脚配置为输入时，若PORTxn为"1“，上拉电阻将使能。
如果需要关闭这个上拉电阻，可以将PORTxn清零，或者将这个引脚配置为输出。
复位时各引脚为高阻态，即使此时并没有时钟在运行。
当引脚配置为输出时，若PORTxn为"1“，引脚输出高电平（"1“），否则
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