基于單片機的語音播報器的研究

朱樂樂 李康 陳慶 周薇

摘要：電子科技行業的迅速發展，融入了我們的生活之中。現如今隨著人們生活節奏的加快，為了改善排隊時間長的現象，利用電腦科學的管理客戶排隊的語音播報系統應運而生。該文研究的重點就是基于STC89C51單片機作為主控芯片設計語音播報器，初衷和理念就是為了整治排隊的冗長和亂序問題。

關鍵詞：語音播報; 單片機;主控芯片

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0209-02

開放科學（資源服務）標識碼（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，使得服務業大規模擴大，但隨之也出現了一些麻煩。比如說如銀行、醫院、餐廳等的服務業場所，客人辦理業務、掛號就診或者就餐，不僅站著排隊的時間長，效率還十分低下。站立排隊的客人不禁會感到有些疲憊、煩躁，甚至會產生沖突造成混亂，十分不便。而無線播報系統就是為了改善這種排隊現象設計的，無線播報的技術就是利用電腦科學得管理客戶排隊，通過對客戶進行編號，來依次叫客戶進行辦理業務或者取餐的方式，其余客戶就可以在座位上等待，而不需要排成長隊無意義得等待。這項設計能很好地方便客戶——在辦理業務前的等待過程中，他們就不需要長時間地排隊等候，避免了一些不必要的麻煩，真正為客戶提供了一個舒適的等候環境。

2 研究目標及內容

本文設計一套基于單片機的無線播報系統，當完成號碼的輸入后，可以主動式高效準確地通過語音芯片播報出輸入的號碼等信息，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方面：1）研究檢測在發送端上采用矩陣鍵盤進行號碼的輸入。2）研究實現輸入端輸入信息后通過無線模塊發送到接收端上。3）研究實現接收端通過液晶顯示屏顯示接收的信息。（4）研究如何實現將接收端的數據用語音芯片播報出來。

3 硬件方案設計

本次設計中，我們將采用STC89C51單片機作為主控芯片。發送端由于要顯示出輸入的信息，計劃使用LED數碼管進行顯示;而在接收端的顯示器件，選擇了LCD1602已達到能實時顯示信息的目的。而無線模塊數據傳輸方面，我們則選用了低成本的NRF24L01無線模塊，最后則是通過SC8065語音芯片進行語音信息的播報。具體操作流程是：首先在發送端，用4*4的矩陣鍵盤進行號碼的輸入，再通過NRF無線模塊傳輸到接收端，之后接收端將接受的信息在液晶顯示屏中顯示出來，同時語音芯片負責播報出輸入的信息。

本設計的具體系統方案如圖1所示。

下面具體對六大硬件部分的設計進行介紹：

1）STC89C51單片機的最小系統設計：就是用最少的元器件組成的，而單片機又能正常工作的單片機系統。51單片機的最小系統是由電源，晶振電路和復位電路三個部分組成的。首先是電源，對于每一件電子產品來說，電源的存在必不可少，它是系統運作消耗能源的來源，本次設計的51單片機工作電壓在4.5V～5.5V之間，所以我們考慮到運用USB充電線接入手機充電器來對系統進行供電。然后，晶體振蕩器電路將時鐘信號提供給微控制器。XTAL1和XTAL2可以通過使用晶體的片上振蕩器進行配置，也可以直接由外部時鐘驅動。本設計使用的晶體頻率越高，功耗增加越多。在12M晶體的情況下，如果要對頻率進行微調，就必須要求并聯在晶體上的這兩個電容器尺寸大小對振蕩不存在影響。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，電容要調整到30至50pF之間。通常情況下，會選擇30pF的陶瓷電容器。最后說的是復位電路，單片機在開機時需要復位，為的是讓內部的功能部件都能處于一個明確的初始狀態，并從此時開始正常的工作。在死機時單片機同樣也需要復位處理，以重新恢復工作狀態。復位電路由上電自動復位和開關復位兩部分組成，實際上，將兩者整合在一起使用的復合復位做法，在實際中經常被采用。

2）LCD1602液晶顯示電路設計：顯示屏的顯示模塊是由若干個的點陣字符位組成的，是通過點陣位上的亮滅來組成符號或者數字的，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陣型顯示模塊，作用也僅就體現在了對字符的顯示上了。但相較于其他傳統的顯示器，它就要輕得多，功耗也低得多了。

3）數碼管顯示電路設計：以四位數碼管為例，四位是指數碼管能顯示4個位數，位數的顯示是通過多個發光二極管組成“8”字形的亮滅來達到效果的。需要它們工作時，只要引出各個筆劃，就能實現想要顯示的字符圖案。數碼管又區別為共陽數碼管和共陰數碼管兩種。共陽數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，當兩段沒有電勢差是，則LED燈不亮;共陰數碼管，就是它的每一位上的所有陰極（負極）連接在一起，它們的區別也就在于LED接法的不同，發光原理總的來說是一樣的。

4）NRF24L01無線模塊的設計：NRF24L01芯片的特性體現在無線通信點對點或1對6的數據傳輸。要想使用單片機實現無線通信，只要從單片機上預留5個GPIO，1個中斷輸入引腳，即可完成。這款通信芯片很適合初學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，也是因為它自帶了自動重發功能和自動應答功能。這兩個功能的便利之處在于，它可以自動檢測丟失的數據包并重新傳輸它們，以及在接收到有效數據后使用已編程的載波檢測重復數據。這意味著該模塊可以自動發送響應信號，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設計。相較于同種類的無線通信芯片，NRF24L01除了方便操作，它短暫的啟動時間和高速的通訊速率，使它同樣具有極低功耗。

5）SC8065語音芯片的設計：對地址語音進行播報內容的錄入。第六引腳是RST復位引腳，需要復位時要現將語音芯片內部地址指針歸位，再發送對應脈沖即可實現語音播報。第七引腳就是DATA脈沖發送引腳。第八引腳的作用是為了檢測播報是否完成，當第八引腳為低電平的時候就表示這段播報已經完成。整個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，發送n個脈沖信號，就能完成播放第n地址的語音內容。

6）矩陣鍵盤的設計：按鍵的結構呈現矩陣的形狀，這樣是為了利用結構的優勢，減少使用I/O口的數量。在電路結構中，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，都通過一個按鍵來進行連接。如果是用端口線，則只能建成較少的鍵，線路越多，這個數量的差別則越大。因為系統的播報設計，計劃可以對編號“01～99”進行輸入并撥號，這就用到了“0～9”，“確認”和“退位”這12個按鍵，也是只能采用矩陣的形式來排列鍵盤才算是合理。

4 系統硬件電路整體性能測試

對系統硬件電路進行測試，需要考慮到很多的方面。主要是通過對電路的焊接，元件的安裝方向，電路圖設計等方面進行檢查判斷的。電路的焊接是否出現了漏焊、短路、虛焊甚至是電路的短路，都在測試的范圍之內，都是我們在測試階段應該考慮到的。

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

最后是關于漏焊，電元器件接反的問題，檢測方法是根據PCB圖，將實物電路圖與之比較，并將每個元器件依次檢查，需要十分的細心和耐心，來發現是否出現漏焊或接反的現象。

5 軟件部分設計

本次設計中運用到的編程系統是Keil uVision4，這是由德國Keil Software公司研發的，針對51單片機C語言軟件的開發系統。與其他單片機編程語言對比后發現，C語言更加的簡單易上手，且在功能、結構、維護、可讀性這些方面也表現十分出色。Keil系統功能強大，能夠支持51單片機的所有兼容機的編程設計，這款開發軟件的運行環境也支持各個版本的Windows系統。之所以稱之為集成開發環境，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 設計的創新點

該語音播報器的創新點，主要有以下幾處：1）系統是通過Keil工具在Windows系統上開發完成。2）系統是設計的無線播報系統，基于無線傳輸功能來實現對排隊的管理。在當今快節奏的生活方式下，這種設計不僅節省了人們的時間，也避免了許多不必要的麻煩。3）系統的設計，在原理的支持下可以多變的更改，十分實用，并具有很好的獨立性。

7 結束語

本次設計無線語音播報器，理念是通過矩陣鍵盤對號碼進行輸入，再通過無線傳輸裝置進行傳輸，最后通過顯示屏顯示出輸入的信息，并由語音芯片播放。基于無線傳輸功能來實現對排隊的管理，在當今快節奏的生活方式下，這種設計不僅節省了人們的時間，也避免了許多不必要的麻煩。

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