基于单片机的语音电子钟设计.docx

1、基于单片机的语音电子钟设计摘 要钟是现代人类日常生活必不可少的工具，语音时钟更是现在电子时钟多功能化发展的一个方向。语音电子钟具有突出的播报时间的功能，它被广泛用在生活中的各种场合。本设计就是从日常生活中常见的事物入手，通过对语音电子钟的设计，让我认识到单片机已经深入到我们生活的每个领域。本文从语音电子钟的设计原理、设计方案入手，详细介绍了系统硬件设计、软件设计及调试。在语音电子钟的设计中，要处理好以下几个关键：D/A（数/模）转换，语音识别，人机接口，程序设计。D/A（数/模）和语音识别技术关系到时间的正确播报，人机接口是播报时间和调整时间的关键。利用凌阳SPCE061A单片机在语音识别和处

2、理方面的优点，结合实践，设计出有特色的语音电子钟。关键字： SPCE061A单片机 SPLC501液晶显示器 语音报时AbstractClock is an essential tool for daily life.In morden society develop direction of clock with electronic is having the fuction for broadcasting.It is good to broadcast time. This design dates from common life, from the experience of th

3、is design I realize the truth that SCM hasing the depth to each area of our lives. The paper illustrate for the electronic voice clocks design principles, details of the system hardware, software design and debugging. In this voice design of electronic clock, we must properly handle the following ke

4、y.Firstly D/A conversion,secondly speech recognition,then human-machine interfaces, lastly program design. D/A conversion and voice recognition technology related to the correct broadcast of time, human-computer interface is the key to broadcast and adjust the time. Therefore, the Sunplus 61A microc

5、ontroller has high advantage in speech recognition and processing .Combineing the practice, design a unique voice electronic clock. Keywords: SPCE061A SCM SPLC501 liquid crystal display Time of broadcast第一章 绪 论第一节 选题的目的和意义带有语音功能的电子产品和电子设备近年来广泛地出现在我们的生活中。语音时钟是现在电子时钟多功能化发展的一个方向，将语音引入到时钟中实现时间的语音播报。本设计是

6、一个基于凌阳61A单片机的语音报时系统，利用凌阳61A板这样一种本身就带有语音识别和播放功能的单片机来进行时间的播报。并且用SPLC501液晶显示器显示当前的时间、日期、星期、农历、闹铃开关。单片机是实现各种控制策略和算法的载体。因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，非常适用于便携式仪表和就地式显示控制仪表，在国内越来越受到用户的重视和广泛的应用。随着单片机集成化程度的不断提高，现代单片机已经具备了数字信号处理功能，使语音信号处理用单片机实现成为可能。SPCE061A是以nSP TM16位微控制器及信号处理器芯片为内核的16位单片机，采用模块式集成结构，片内集成了2KB RAM、32KB Fl

7、ash、ADC、DAC、并行I/O等。第二节 单片机的介绍单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/O)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。一、单片机的发展如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段。1.第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS48为代表。MCS48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来

8、。 2.第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 1）完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。 2）CPU外围功能单元的集中管理模式。 3）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。3.第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Inte

9、l公司推出的MCS96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS51系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D（模/数）转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路的功能，强化了智能控制的特征。4.第四阶段（1990现在）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展。将进一步向着CMO

10、S化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机的主要发展趋势。1.CMOS化。近年，由于CHMOS技术的进步，大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns。因而，

11、在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。2.低功耗化。单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3V-6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。3.低电压化。几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3V-6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1-2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。4.低噪声与高可靠性。为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。5.大容量

12、化。以往单片机内的ROM为1KB-4KB，RAM为64B-128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，需运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。6.高性能化。主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出

13、10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。7.小容量、低价格化。以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。8.外围电路内装化。这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。二、单片机的组成及特点单片机是微型机的一

14、个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。1.单片机的组成它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。2.单片机的特点 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而

15、在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： 1）有优异的性能价格比。 2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 5）外部总线增加了IC（Inter-Integrated Circuit）及SP

16、I（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。三、单片机的应用 单片机作为计算机发展的一个重要领域。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：1.单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比

17、。2.单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。3.单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。4.单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机

18、在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。5.单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统的设计思想和设计方法。以前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。四、单片机的现状

19、和未来单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善。单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时系统也更加稳定。单片机抗干扰能力加强，使它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景。单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。在线编程目前有ISP和IAP两种。具备ISP的单片机内部集成FLASH存储器，用户可以通过下载线以特定的硬件时序在线编程，但用户程序自身不可以对内部存储器做修改。随着单片机的发展，人们对事物的要求越来越高，单片机的应用软件技术也发生了巨大的变化，从最

20、初的汇编语言，开始演变到C语言开发，不但增加了语言的可读性，结构性，而且对于跨平台的移植也提供了方便，另外一些复杂的系统开始在单片机上采用操作系统。目前低端定位的单片机仍然走俏，但高端的单片机(微处理器)却是风起云涌，SOC技术的发展。自1997年以来，电子技术应用又增加了一个新的层次片上系统(SOC)层次。SOC技术的出现，标志着现代电子技术应用进入了SOC阶段。从各个发展阶段看，自HW+SW阶段开始，电子技术应用就与单片机紧密地联系在一起。在FW阶段，作为固件系统的重要核心技术，单片机又以嵌入式技术为基础，再次成为现代电子应用技术的核心技术之一，并为SOC应用技术提供了基础。 SOC为各种

21、应用提供了一个新的实现技术。这种新的电子系统实现技术促使工业界在近3年中发生了巨大的变化，为信息技术的应用提供坚实的基础，因此，完全可以称之为SOC革命。同时，SOC也为单片机技术提供了更广阔的应用领域，使单片机应用技术发生了革命性的变化。随着单片机MCU功能集成化的发展,其应用领域也逐渐由传统的控制扩展到控制处理、数据处理以及数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)等领域。第三节 本设计的工作本设计是以凌阳单片机为基础，系统的设计基于单片机的语音电子钟。本设计利用凌阳16位单片机处理速度快、具备语音功能、方便的集成开发环境等优点，结合SPLC501强大的显示功能

22、，设计出多功能、高精度的语音电子钟。本设计的安排如下：第一章简明扼要的阐述本设计的目的和要求。介绍单片机的发展、特点以及目前在国内外的应用和前景。同时对本设计的结构进行了安排。第二章根据设计要求结合单片机原理提出设计原理和方案。第三章按照设计方案详细规划语音电子钟的硬件设计，利用Protell99绘制各个模块的电路原理图。第四章在硬件设计的基础上，通过深入研究语音电子钟的功能。画出各个部分的程序流程图，然后根据流程图编写源程序。第五章进行硬件的测试和软件的调试。通过集成开发环境IDE对编写的源程序进行调试。第六章对全文进行总结，并写出设计的体会和本设计的不足。简单的叙述对本设计的前景和展望。第

23、二章 语音电子钟的原理和方案第一节 设计原理根据设计要求，语音电子钟要具备的功能：1.可以语音播报日期和时间。2.可以在SPLC501液晶模组上面显示时间、日期、农历、星期、闹钟。3.整点报时功能。 4.具备闹钟功能。5.闹钟的铃声可以选择。 6.具备秒表功能。一、时钟功能时钟功能是利用SPCE061A芯片的时钟频率和定时/计数器设计。SPCE061A芯片为语音电子钟提供一个频率稳定准确的32768Hz方波信号，此外还有一校正电容可以对温度进行补偿，以提高频率准确度和稳定度，可保证语音电子钟的走时准确及稳定。整个系统工作时，秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，将标准秒信

24、号送入“秒计数器”，“秒计数器”采用60进制计数。每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分钟，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计时器，可实现对一天24小时的累计, 每累计24小时，发出一个“星期脉冲”信号，该信号将被送到“星期计数器”，“星期计数器” 采用7进制计时器，可实现对一周7天的累计。每累计24小时发出一个“天脉冲”信号。该信号将作为“年计数器”的时钟脉冲信号。由中断程序控制“年计数器”采用365或366进制计数，实现对年的累计。显示电路将“时”、“分”、“秒”、“

25、星期”、“年”计数器的输出状态送到SPLC501液晶显示器显示出来。二、语音输出功能语音输出功能利用SPY0030A芯片和外接喇叭进行音频输出。SPY0030A是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片。J3是语音输出接口，一个2pin的插针外接喇叭，由DAC 输出引脚21 或22经语音集成放大器SPYOO30A放大，然后输出。SPY0030A相当于LM386，但是比386 音质好，它可以工作在2.4-6.0V 范围内，最大输出功率可达700mW。第二节 设计方案通过对设计要求和设计原理的仔细分析，本次设计采用模块结构实现。语音电子钟主要由系统初始化模块、输入按键信息模块、语音输入与A/D（模

26、/数）转换模块、压缩编码模块和D/A（数/模）转换模块、SPLC501液晶模组组成。实现单独播报年、月、日和时、分，实现定时功能，并且能够对它们分别进行调整。设计复位键对设定值进行清零操作。组成电路板各模块应具有如下功能: 1.系统初始化模块: 输入一些变量与子小模块,进行赋初值等处理，输出变量和模块的初始状态。2.输入按键信息模块:输入键值,等待系统中断并进行相应的中断处理，输出为调用相应的键处理程序。 3.语音输入与A/D（模/数）转换模块:输入语音信号,进行A/D（模/数）转换，输出语音的数字信号。 4.压缩编码模块:输入语音的数字信号,经过语音压缩函数的处理，输出语音的压缩编码。 5.

27、D/A（数/模）转换模块:输入语音的数字信号,进行D/A（数/模）转换输出语音的模拟信号。6.SPLC501液晶显示器：显示当前的时间、日期、农历、星期、闹钟。 第三章 语音电子钟的硬件设计第一节 系统总体硬件结构一、系统结构语音电子钟的系统结构如图3.1，61板作为整个系统的控制中心，负责控制键盘扫描；年、月、日、星期以及时间的计算； SPLC501A 液晶显示的驱动；并根据按键值播报当前的日期或者时间。SPLC501A 液晶显示模组主要用来显示当前的时间，日期，以及显示功能选择菜单和时间日期调整菜单。图3.1 语音电子钟的系统结构图硬件功能模块连接：用61板控制语音电子钟系统，使用IOA

28、口的高八位、IOB 的4、5、6 共11 个I/O 口连接SPLC501A液晶模组，另外使用了61板的语音输出模块；以及61 板上的三个按键。硬件连接如图3.2 所示：图3.2 语音电子钟的电路连接图语音电子钟的连接示意图见图3.2，IOA 的高八位接到液晶模组的八个数据端，同时也连接了液晶模组的电源，即直接用一根10pin 的排线连接61 板“+”、IOA8-15、“-”与SPLC501A 液晶显示模组的“+”、DB0-7、“-”，主要用来向液晶模组传送命令和数据；IOB6 接EP，IOB5 接R/W，IOB4接AO，用来控制液晶的显示和工作方式。二、按键的功能描述语音电子钟的各个按键功能如

29、图3.3所示,按KEY1键：进入功能选择界面。按KEY2 键：播报当前的时间。按KEY3键：播报当前的日期。KEY2、KEY3 键同时按下：控制闹钟的开与关。 在时间显示界面上按KEY1键会进入功能选择菜单，功能菜单界面上有4个选项。分别是时间日期调整、闹钟设置、秒表功能、返回。功能选择菜单界面里KEY1为确定键，KEY2为下翻键，KEY3为上翻键。可以随意选择所要实现的操作。时间日期调整界面里KEY1为确定键，KEY2为加一键，KEY3为减一键，SPLC501液晶显示器上闪烁的部分表示当前正在调整的选项，当设置完成后，按KEY1会自动退出设置界面。闹钟设置界面里KEY1为确定键，KEY2为下

30、翻键，KEY3为上翻键。闹钟设置界面里有闹钟时间设置和闹钟铃声选择两个选项。闹钟时间设置界面KEY1为确定键，KEY2为加一键，KEY3为减一键，SPLC501液晶显示器上闪烁的部分表示当前正在调整的选项，当设置完成后，按KEY1会自动退出设置界面。.闹钟铃声设置界面里KEY1为确定键，KEY2为选择键，KEY3为播放当前选择的铃声键。当闹钟响时，按下三个键中的任何一个都可以关闭闹钟。 秒表功能界面里KEY1为退出键，KEY2为开始/暂停键，KEY3为清零键，只有当秒表停止运行时KEY3 才有效。 返回功能里KEY1为确认键，按下后，系统会回到显示界面。图3.3 语音电子钟的按键功能结构图硬件

31、设计按照SPCE061A、程序下载区、音频输出、语音输入、数模转换、电源分模块设计。利用Protel 99来绘制各个部分的电路原理图。第二节 SPCE061A芯片SPCE061A 芯片内部集成了ICE (在线实时仿真/除错器)、FLASH (闪存)、SRAM (静态内存)、通用I/O 端口、定时器/计数器、中断控制、CPU 时钟锁相环(PLL)、ADC (模拟数字转换器)、DAC (数字模拟转换器)输出、UART (同步串行输入输出接口)、SIO (串行输入输出接口)、低电压监测/低电压复位模块。nSP的核心由总线、ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。一、SPCE061

32、A性能简介1.16位nSP 微处理器 。2.工作电压（CPU）VDD为3.0-3.6V，（I/O）VDDH为3.0-5.5V。 3.CPU时钟：0.32-49.152MHz。 4.内置2K字SRAM 。5.内置32K字FLASH 。6.可编程音频处理。 7.晶体振荡器。 8.系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2uA/3.6V 。9.2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）。 10.2个10位DAC（数/模转换）输出通道。 11.32位通用可编程输入/输出通道。 12.14个中断源可来自定时器A/B、时基、2个外部时钟源输入和键唤醒。 13.具备触键唤醒的功能。 14.用凌阳音频编码SACM_S480可以播放压缩的语音资源。 15.锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号。 16、32768Hz实时时钟。17.7通道10位电压模/数转换器（A