基于51單片機的語音提示飲水杯的設計

郭鳳雨，龔成龍，張 磊

（1.中國礦業大學 信電學院，江蘇 徐州 221008；2.淮海工學院 電子工程學院，江蘇 連云港 222005）

目前，隨著生活節奏的加快，在忙于工作的同時，許多人忽略了生活中的小細節，即適當飲水，特別是春秋季節，適當飲水可以很好地預防感冒等疾病的發生，同時適當飲水還有很多好處，在此，就不一一列舉。怎樣提示按時適當喝水呢？語音提示飲水杯即可實現此效果。與現有杯子相比，本飲水杯具有定時語音提示功能，使用者只要設定飲水時間和錄下想要提示的錄音，到達時間后，杯子上的語音提示裝置就會提示使用者飲水。使用這種杯子，有益于使用者形成正確的飲水習慣。同時此杯子還可送給老人，小孩。在無暇照顧他們的時候，提示他們適時喝水，保持身體健康。

1 語音提示飲水杯外觀的設計

以圖1圓柱形飲水杯為例：杯蓋分為兩層，下層為普通的水杯蓋，上層為語音提示蓋，蓋中裝有語音提示裝置。語音提示蓋上有兩個孔，即用作錄音的話筒孔和用作放音的揚聲器孔。打開語音提示蓋上面的長方形保護蓋，下面為：a：3個按鍵，分別是：開/關按鈕、錄/放音按鈕、定時按鈕。b：LED錄音指示燈。當按住錄音按鍵錄音時，LED指示燈亮；松開按鍵停止錄音時，LED指示燈滅。

圖1 語音提示飲水杯的外觀設計圖Fig.1 Exterior design of voice prompts drinking cup

2 硬件電路的設計

由圖2的框圖可知：本設計框圖包括3個按鍵，AT89C51單片機，ISD2560語音芯片，話筒和揚聲器。其中AT89C51單片機為本設計的控制核心，它控制ISD2560語音芯片，實現對聲音的錄制，定時和播放。

圖2 系統設計總框圖Fig.2 General block diagram of system design

2.1 芯片的選取

2.1.1 語音芯片的選取

美國 ISD公司的 2500芯片，分為 ISD2560、2575、2590和25120 4個品種。它們的錄放時間分別為：60 s、75 s、90 s和120 s。而在此設計中錄放時間60 s的ISD2560芯片完全可以滿足要求，所以選用ISD2560芯片。

ISD2560是ISD2500系列單片語音錄放集成電路的一種，是一種永久記憶型錄放語音電路。錄音時間為60 s，最多可以分成600個段，能重復錄放達10萬次。它采用模擬量電平直接存儲技術。把每個采樣值直接存儲在片內單個EEPROM單元中。因此能夠非常自然地再現語音、音樂等。又省去了A／D、D／A轉換器，具有良好的音色，又避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲。片內集成了很多功能電路。包括前置放大器、定時器、內部時鐘、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發器、解碼器和480 k字節的EEPROM?？梢灾苯舆B接錄音輸入和放音輸出，使用方便并且價格低廉。使得該系列芯片得到十分普遍的應用。在公共汽車語音報站器、電話自動應答系統、語音講解儀、便攜式語音記錄裝置、電子詞典、語言復讀機等諸多方面都有應用[1-3]。其引腳圖如圖3所示。

圖3 ISD2560引腳原理圖Fig.3 Schematic of ISD2560 pins

為了能夠更深入地了解ISD2560芯片的工作原理。先介紹一下該系列芯片引腳功能[4]。

Pin28（數字電源 VCCD）和 Pin16（模擬電源 VCCA）：芯片內部的數字和模擬電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上。數字和模擬電源端最好分別走線，并應盡可能在靠近供電端處相連，而去耦電容則應盡量靠近芯片，這樣可以最大限度地減小噪聲。

Pin12（數字地 VSSD）和 Pinl3（模擬地 VSSA）：這兩腳最好通過低阻抗通路連接地。

Pinl4（揚聲器輸出 SP+）和 Pinl5（SP-）：單端輸出時必須在輸出端和喇叭間接耦合電容。而雙端輸出則不用電容就能將功率提高至4倍。

Pin20（模擬輸入ANA IN）：錄音信號輸入端。

Pin21（模擬輸出ANA OUT）：前置放大器輸出。

Pin17（話筒輸入MIC）：該端連至片內前置放大器，外接話筒應通過串聯電容耦合到該端。耦合電容值和該端的輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點。

Pin18（話筒參考MIC REF）：該端是前置放大器的反向輸入，當以差分形式連接話筒（即話筒的一端連接MIC，另一端連接MIC REF）時，可減小噪聲，并提高共模抑制比。

Pin19（自動增益控制AGC）：AGC可動態調整前置增益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，減少失真度。

Pin1～Pinl0（地址 ／模式輸入 A0／M0～A6／M6～A9）：當最高兩位中有一個為0時，作為當前錄音或放音的1O位起始地址（實際僅用0～599作為芯片內部EEPROM的地址碼）。該地址碼在的下降沿被鎖存。當最高兩位全為1時，A0～A6稱為M0～M6，用做命令操作模式或者按鍵模式（M6也為1時）的命令位。

Pin24（節電控制PD）：高電平可使芯片停止工作而進入節電狀態。

Pin26（外部時鐘XCLK）：外部時鐘輸入，不用時應接地。

Pin27（錄放控制P/R）：高電平選擇放音，低電平選擇錄音。

2.1.2 單片機選取

隨著集成電路工藝的迅速發展，出現了51系列單片機、DSP、ARM 等多種單片機。DSP：它從16位～32位，內部采用哈佛結構，特別適合數據處理。其中16位DSP適合中高級工控到簡單語音/圖片處理；32位DSP適合復雜語音/圖片/視頻處理。ARM：是32位單片機，由于結構和計算速度的原因，目前適合做事務處理或者中低端應用，從中高級工控到簡單語音/圖片處理。AT89C51是一種帶4 k字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。51單片機雖然和DSP，ARM相比處理速度和運算速度上都比較慢，但它的體積小、質量輕、價格便宜，它的速度可以滿足本設計的要求，所以采用AT89C51單片機。

2.2 語音提示裝置硬件電路

AT89C51單片機的4組I/O端口中，作為普通I／O端口的只有P1口。用外部中斷0（即P3.2位）與錄放器件的 EOM端（作為錄音時的結尾標志輸出端口）連接，錄/放模式選擇端，器件使能輸入端CE、節電控制端PD分別與P1口的P1.5～P1.7相連，作為語音芯片和單片機的輸入控制端口，10位地址端與單片機的低8位和高2位連接組成A0～A9。麥克風和揚聲器與相應的ISD2560引腳相連，并接相應的電容電阻進行穩壓和穩流[5]，整個系統電路原理如圖4所示。

圖4 語音提示裝置電路圖Fig.4 Schematic of voice prompts device

到此，硬件電路芯片的選型以及電路的搭建已設計完成。

3 軟件的設計

隨著單片機開發技術的不斷發展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發，單片機的開發軟件也在不斷發展，Keil軟件是目前最流行開發MCS－51系列單片機程序的軟件。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVison）將這些部分連在一起。

因此本設計的軟件部分通過Keil進行程序的編程，下面主要介紹程序中的主要子程序和一些重要部分：

初始函數主要是對定時/計數器和一些參數初值的設定:

錄音函數：

定時函數及原理

當單片機工作于定時狀態時，定時/計數器對機器周期進行計數，每個機器周期包括12個振蕩周期，以晶振頻率為6 MHz為例，則：

1個機器周期=12/晶振頻率=12/6 000 000=0.002 ms

定時時間為：TC=XTP。其中，TP為機器周期，TC為定時時間。

則應裝入計數/定時器的初值為：

對于方式一，一次最大的定時時間為：T=（216－0）×0.002=131.072 ms，為了便于計算，設定每次最大定時時間為100 ms，計算應裝入的初值[6]：

本設計軟件默認定時時間為30 min，而每次耗時100 ms，所以30 min需循環18 000次。定時的時間間隔為1 h，即按一次按鍵定時為1 h，2次為2 h，3次為3 h。按到第4次就恢復到默認值，即30 min。

定時函數：

放音函數：

放音時，使PR為高而PD為低。置CE為低電平（此處通過編寫C程序，將CE置為低電平）就開始從指定的地址開始放音。起到提示效果。

通過上述程序，稍加增減，設計所要求的軟件部分即可實現，在此就不一一贅述。

4 結束語

本設計的語音提示飲水杯采用ISD2560語音芯片，省去A／D轉換和D／A轉換，語音自然真實。給出以AT89C51單片機為核心所編寫的C程序，通過實驗驗證該語音錄放系統錄音和放音效果良好，單片機控制相當準確。完全可以起到語音提示飲水的效果。

在應用方面，這種為飲水杯所設計的語音提示裝置還可用于其他領域，作為一個模塊可與其他功能電路集成，實現各種功能復雜的語音系統，如手機話費查詢系統、電腦語音鐘、監控系統語音報警及公共汽車報站器等，具有一定的實用價值。

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