單片機語音系統(tǒng)的設計

安陽工學院計算機科學與信息工程學院 張捐凈 聶萌瑤

單片機語音系統(tǒng)的設計

安陽工學院計算機科學與信息工程學院 張捐凈 聶萌瑤

單片機語音系統(tǒng)的設計，主要包括以下幾個主要部分：單片機控制模塊、語音采集和處理模塊以及信號放大模塊，其中單片機控制模塊是系統(tǒng)設計的核心模塊。此系統(tǒng)在完成語音錄放系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)公交車站報站的功能，它可以實現(xiàn)8個站點的順序、循環(huán)播報以及單個站點的循環(huán)播報，具有廣闊的應用前景。

單片機；語音；報站

0 引言

經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，使得人們對音樂的需求越來越高，播放音樂的語音系統(tǒng)的應用也越來越普遍。隨著計算機技術和數(shù)字電子技術的的發(fā)展，使得語音技術的發(fā)展也迅速崛起，現(xiàn)在的語音系統(tǒng)產生了質的飛躍，出現(xiàn)了各種容量大、體積小、音質好的語音系統(tǒng)，比如MP3，MP4，手機等。這些產品為人們的生活帶來了極大的便利。本文研究分析了以上電子產品，并提出了基于單片機的語音系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)公交車站報站的功能，它可以實現(xiàn)8個站點的順序、循環(huán)播報以及單個站點的循環(huán)播報。

1 系統(tǒng)的總體框圖

語音系統(tǒng)的設計主要是通過單片機控制語音芯片ISD4004來實現(xiàn)語音的錄放的功能。為了實現(xiàn)語音信號錄制的相對“干凈”，濾除濾除語音頻帶以外的噪聲輔助添加了濾波電路和信號放大電路。同樣在語音播放的時候，為了使播報更加清晰，也添加了相應的濾波和信號放大電路。系統(tǒng)總體結構框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 芯片選擇論證

單片機采用最常見的STC89C52，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。既能滿足系統(tǒng)需求，又便與控制。

語音芯片選擇ISD4004，它可以和單片機采用SPI模式進行通信，即高速同步串行口，是一種標準的四線同步雙向串行總線。采用此芯片有如下優(yōu)點：占用單片機的端口資源少，只需要單片機模擬SPI的通信模式控制語音的錄制和播放就能滿足系統(tǒng)要求，同時占用單片機內部的資源也較少。

液晶顯示芯片的選擇LCD5110。為了滿足人性化的控制，加入了液晶顯示模塊。此芯片具有如下優(yōu)點：體積小，功耗低，采用通用接口芯片，兼容性高，5110是84x48 的點陣LCD，可以顯示4 行漢字。

2.2 站點報站功能電路設計

利用矩陣鍵盤設置16個數(shù)字鍵，其中1—8號鍵分別代表各站點，按下其中的一個按鍵就會播報它所對應的語音信息，這些信息是提前錄制到語音芯片ISD4004當中的。每一個按鍵分配一個固定的存儲空間，1—8號鍵的空間地址分別0，105，210，315，420，525，630，735，它可以存放的語音長度是20秒，系統(tǒng)在實現(xiàn)基本播報的基礎上，為了使系統(tǒng)更加完善，添加了以下按鍵：9--12號鍵播放音樂，13號鍵單站循環(huán)播報，14號鍵站點循環(huán)播報，15號鍵單站順序播報，16號鍵系統(tǒng)介紹。

2.3 單片機與ISD4004芯片電路設計

單片機與ISD4004之間的通信采用SPI模式（serial peripheral interface，SPI）。此種方式的接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據線MISO、主機輸出/從機輸入數(shù)據線MOSI和低電平有效的從機選擇 。系統(tǒng)使用的STC89C52單片機本身不帶SPI串行總線接口，采用軟件模擬SPI方式實現(xiàn)，使用P1口的P1.0～P1.3口模擬包括串行時鐘、數(shù)據輸入和數(shù)據輸出。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括語音模塊設計和液晶顯示模塊以及系統(tǒng)鍵盤控制模塊三部分的設計。系統(tǒng)啟動之后單片機上電，系統(tǒng)進入初始界面。按下錄音鍵進行錄音，松開即錄音結束。點擊放音鍵可以實現(xiàn)對上次錄制聲音片段的播放，如果點擊快進鍵，可以實現(xiàn)錄制的聲音片段以原來的兩倍速度進行快進播報，若點擊停止鍵那么不管當前是什么狀態(tài)，系統(tǒng)都會馬上停止播報。矩陣鍵盤各個按鍵分別代表不同的語音信息，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的單曲播報、所有站點循環(huán)播報等功能。主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

3.1 語音設計

系統(tǒng)語音設計主要是錄放音的設計。如果點擊錄音鍵，此時單片機就會發(fā)送錄音指令給語音芯片，語音芯片開始記錄當前狀態(tài)下接收到的音頻信息，并存儲到語音芯片中指定的地址段上。如果點擊播放按鍵就會播報提前錄制的音頻信息。

3.2 液晶顯示設計

液晶顯示模塊是顯示系統(tǒng)“正在錄音”還是“正在放音”的一個功能模塊。系統(tǒng)開始運行首先對液晶進行初始化操作，此時液晶顯示“待機中”，如果點擊錄音鍵，它就會顯示“錄音中”，如果點擊放音鍵，它就會顯示 “放音中”，如果選擇語音報站，顯示器上也會顯示“放音中”。

4 系統(tǒng)測試

本項目是基于單片機的語音系統(tǒng)的設計，通過實體測試了系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)了如下的功能：

1)前段駐極體麥克風實現(xiàn)了對音頻信息的處理并且經過放大電路傳輸給語音芯片ISD，同時芯片完成了對音頻信息的存儲；

2)單片機實現(xiàn)信息的整合并控制音頻的輸入輸出，同時它控制5110液晶實現(xiàn)錄音和播放狀態(tài)信息顯示；

3)鍵盤模塊實現(xiàn)了站點播報，并可以進行單站循環(huán)和多站循環(huán)操作。此外系統(tǒng)還配置了四個特殊的按鍵，分別實現(xiàn)錄音、放音和快進，停止功能。

5 結論

單片機語音系統(tǒng)的設計完成了錄放功能，可以最長錄音8分鐘。采用分段錄音的方式，可以錄制8段站點語音，還有一段系統(tǒng)功能介紹和一段音樂。此系統(tǒng)在完成語音錄放系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)公交車站報站的功能，它可以實現(xiàn)8個站點的順序、循環(huán)播報以及單個站點的循環(huán)播報，在日常生活中，具有廣闊的應用前景。除此之外此系統(tǒng)還可以稍作改進，應用在家庭語音報警系統(tǒng)以及語音醫(yī)療之中。

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張捐凈（1985—），女，助教/碩士學位，現(xiàn)工作于安陽工學院。

聶萌瑤（1988—），女，助教/碩士學位，現(xiàn)工作于安陽工學院。