基于单片机的语音播报器的研究
朱乐乐 李康 陈庆 周薇
摘要：电子科技行业的迅速发展，融入了我们的生活之中。现如今随着人们生活节奏的加快，为了改善排队时间长的现象，利用电脑科学的管理客户排队的语音播报系统应运而生。该文研究的重点就是基于STC89C51单片机作为主控芯片设计语音播报器，初衷和理念就是为了整治排队的冗长和乱序问题。
关键词：语音播报; 单片机;主控芯片
中图分类号：TP3? ? ? 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）16-0209-02
开放科学（资源服务）标识码（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，使得服务业大规模扩大，但随之也出现了一些麻烦。比如说如银行、医院、餐厅等的服务业场所，客人办理业务、挂号就诊或者就餐，不仅站着排队的时间长，效率还十分低下。站立排队的客人不禁会感到有些疲惫、烦躁，甚至会产生冲突造成混乱，十分不便。而无线播报系统就是为了改善这种排队现象设计的，无线播报的技术就是利用电脑科学得管理客户排队，通过对客户进行编号，来依次叫客户进行办理业务或者取餐的方式，其余客户就可以在座位上等待，而不需要排成长队无意义得等待。这项设计能很好地方便客户——在办理业务前的等待过程中，他们就不需要长时间地排队等候，避免了一些不必要的麻烦，真正为客户提供了一个舒适的等候环境。
2 研究目标及内容
本文设计一套基于单片机的无线播报系统，当完成号码的输入后，可以主动式高效准确地通过语音芯片播报出输入的号码等信息，并将信息通过液晶显示屏显示出来。
论文的研究主要包括以下几个方面：1）研究检测在发送端上采用矩阵键盘进行号码的输入。2）研究实现输入端输入信息后通过无线模块发送到接收端上。3）研究实现接收端通过液晶显示屏显示接收的信息。（4）研究如何实现将接收端的数据用语音芯片播报出来。
3 硬件方案设计
本次设计中，我们将采用STC89C51单片机作为主控芯片。发送端由于要显示出输入的信息，计划使用LED数码管进行显示;而在接收端的显示器件，选择了LCD1602已达到能实时显示信息的目的。而无线模块数据传输方面，我们则选用了低成本的NRF24L01无线模块，最后则是通过SC8065语音芯片进行语音信息的播报。具体操作流程是：首先在发送端，用4*4的矩阵键盘进行号码的输入，再通过NRF无线模块传输到接收端，之后接收端将接受的信息在液晶显示屏中显示出来，同时语音芯片负责播报出输入的信息。
本设计的具体系统方案如图1所示。
下面具体对六大硬件部分的设计进行介绍：
1）STC89C51单片机的最小系统设计：就是用最少的元器件组成的，而单片机又能正常工作的单片机系统。51单片机的最小系统是由电源，晶振电路和复位电路三个部分组成的。首先是电源，对于每一件电子产品来说，电源的存在必不可少，它是系统运作消耗能源的来源，本次设计的51单片机工作电压在4.5V～5.5V之间，所以我们考虑到运用USB充电线接入手机充电器来对系统进行供电。然后，晶体振荡器电路将时钟信号提供给微控制器。XTAL1和XTAL2可以通过使用晶体的片上振荡器进行配置，也可以直接由外部时钟驱动。本设计使用的晶体频率越高，功耗增加越多。在12M晶体的情况下，如果要对频率进行微调，就必须要求并联在晶体上的这两个电容器尺寸大小对振荡不存在影响。在晶体的选择上，石英晶体的电容范围在20-40pF之间，而使用陶瓷谐振器，电容要调整到30至50pF之间。通常情况下，会选择30pF的陶瓷电容器。最后说的是复位电路，单片机在开机时需要复位，为的是让内部的功能部件都能处于一个明确的初始状态，并从此时开始正常的工作。在死机时单片机同样也需要复位处理，以重新恢复工作状态。复位电路由上电自动复位和开关复位两部分组成，实际上，将两者整合在一起使用的复合复位做法，在实际中经常被采用。
2）LCD1602液晶显示电路设计：显示屏的显示模块是由若干个的点阵字符位组成的，是通过点阵位上的亮灭来组成符号或者数字的，也就在显示图形方面有些力不能及。这种显示模块也就归类于点阵型显示模块，作用也仅就体现在了对字符的显示上了。但相较于其他传统的显示器，它就要轻得多，功耗也低得多了。
3）数码管显示电路设计：以四位数码管为例，四位是指数码管能显示4个位数，位数的显示是通过多个发光二极管组成“8”字形的亮灭来达到效果的。需要它们工作时，只要引出各个笔划，就能实现想要显示的字符图案。数码管又区别为共阳数码管和共阴数码管两种。共阳数码管就是它的每一位上的所有阳极（正极）连接在一起，位显端输入高电平，断显端输入低电平，当两段没有电势差是，则LED灯不亮;共阴数码管，就是它的每一位上的所有阴极（负极）连接在一起，它们的区别也就在于LED接法的不同，发光原理总的来说是一样的。
4）NRF24L01无线模块的设计：NRF24L01芯片的特性体现在无线通信点对点或1对6的数据传输。要想使用单片机实现无线通信，只要从单片机上预留5个GPIO，1个中断输入引脚，即可完成。这款通信芯片很适合初学者或者一些嵌入式工程师。之所以说这款通信芯片便于开发，也是因为它自带了自动重发功能和自动应答功能。这两个功能的便利之处在于，它可以自动检测丢失的数据包并重新传输它们，以及在接收到有效数据后使用已编程的载波检测重复数据。这意味着该模块可以自动发送响应信号，而不必这样做。而它1.9V～3.6V的低工作电压需求，很适合一些小型的开发设计。相较于同种类的无线通信芯片，NRF24L01除了方便操作，它短暂的启动时间和高速的通讯速率，使它同样具有极低功耗。
5）SC8065语音芯片的设计：对地址语音进行播报内容的录入。第六引脚是RST复位引脚，需要复位时要现将语音芯片内部地址指针归位，再发送对应脉冲即可实现语音播报。第七引脚就是DATA脉冲发送引脚。第八引脚的作用是为了检测播报是否完成，当第八引脚为低电平的时候就表示这段播报已经完成。整个语音播放器采用的是脉冲（PWM）控制，即在播放需要播放的第n地址语音时，发送n个脉冲信号，就能完成播放第n地址的语音内容。
6）矩阵键盘的设计：按键的结构呈现矩阵的形状，这样是为了利用结构的优势，减少使用I/O口的数量。在电路结构中，我们可以看到，每条水平线和垂直线在十字口是没有直接相连的，都通过一个按键来进行连接。如果是用端口线，则只能建成较少的键，线路越多，这个数量的差别则越大。因为系统的播报设计，计划可以对编号“01～99”进行输入并拨号，这就用到了“0～9”，“确认”和“退位”这12个按键，也是只能采用矩阵的形式来排列键盘才算是合理。
4 系统硬件电路整体性能测试
对系统硬件电路进行测试，需要考虑到很多的方面。主要是通过对电路的焊接，元件的安装方向，电路图设计等方面进行检查判断的。电路的焊接是否出现了漏焊、短路、虚焊甚至是电路的短路，都在测试的范围之内，都是我们在测试阶段应该考虑到的。
用数字万用表来检测短路、虚焊或断路这些问题。首先将数字万用表调至二极管档位，再用红表笔和黑表笔来测试。我们依靠万用表是否发出鸣叫来判断状况：当蜂鸣器出现鸣叫的现象，说明电路通;如果蜂鸣器没有响应，就表示电路不同了。我们通过测试结果，再结合电路的主要情况，就能大致判断线路的问题了。
最后是关于漏焊，电元器件接反的问题，检测方法是根据PCB图，将实物电路图与之比较，并将每个元器件依次检查，需要十分的细心和耐心，来发现是否出现漏焊或接反的现象。
5 软件部分设计
本次设计中运用到的编程系统是Keil uVision4，这是由德国Keil Software公司研发的，针对51单片机C语言软件的开发系统。与其他单片机编程语言对比后发现，C语言更加的简单易上手，且在功能、結构、维护、可读性这些方面也表现十分出色。Keil系统功能强大，能够支持51单片机的所有兼容机的编程设计，这款开发软件的运行环境也支持各个版本的Windows系统。之所以称之为集成开发环境，是它将包括编译、汇编和仿真等功能都集成于一体，有着一套完整的功能。
6 设计的创新点
该语音播报器的创新点，主要有以下几处：1）系统是通过Keil工具在Windows系统上开发完成。2）系统是设计的无线播报系统，基于无线传输功能来实现对排队的管理。在当今快节奏的生活方式下，这种设计不仅节省了人们的时间，也避免了许多不必要的麻烦。3）系统的设计，在原理的支持下可以多变的更改，十分实用，并具有很好的独立性。
7 结束语
本次设计无线语音播报器，理念是通过矩阵键盘对号码进行输入，再通过无线传输装置进行传输，最后通过显示屏显示出输入的信息，并由语音芯片播放。基于无线传输功能来实现对排队的管理，在当今快节奏的生活方式下，这种设计不仅节省了人们的时间，也避免了许多不必要的麻烦。
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