基于avr单片机的自动语音欢迎系统本科论文.doc
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1、编号 本科生毕业设计基于AVR单片机的自动语音欢迎系统Automatic Pronunciation System Based on AVR Processor二一二年六月毕业设计(论文)原创承诺书1本人承诺:所呈交的毕业设计基于AVR单片机的自动语音欢迎系统,是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计(论文)工作条例后,在教师的指导下,保质保量独立地完成了任务书中规定的内容,不弄虚作假,不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计(论文)中引用他人的观点和研究成果,均在文中加以注释或以参考文献形式列出,对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计(论文)中对侵犯任何方面知
2、识产权的行为,由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本;同意学校保留毕业设计(论文)的复印件和电子版本,允许被查阅和借阅;学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计(论文),可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担!作 者 签 名: 年 月 日长春理工大学本科毕业设计摘 要本文主要阐述的是基于AVR单片机的自动语音欢迎系统,利用ATmega16单片机作为控制器,实现对ISD1400语音芯片的控制从而实现语音播放。自动感应和自动控制是本设计的两个关键内容。自动感应和信号放大
3、模块是热释电红外传感器将检测到的人体红外信号转换成电信号,通过专用电路OT0001对信号二级放大。自动控制模块是利用AVR单片机的外部中断引脚和数据控制引脚来实现语音芯片电路的控制。当单片机中断引脚接受到的是高电平时,则通过控制程序控制语音芯片的语音回放关键词:热释电红外传感器 OT0001 AVR 语音芯片 ISD1400 AbstractThis article focuses on the system of automatic speech welcomed based on the AVR microcontroller . The ATmega16 microcontroller
4、as a micro controller control the ISD1400 voice chip to realisze voice broadcasting.Automatic sensing and automatic control are the two key elements of this design. Automatic sensing and signal amplifier module will turn the pyroelectric infrared sensor detection of the infrared signal to human body
5、 into electrical signal, through the special circuit OT0001 makes the signal level 2 enlarged. Automatic control module uses of AVR microcontroller external interruption pin and data control pin to achieve the control of the voice chip circuit.When the microcontroller interrupt pin receives the high
6、 level, the microcontroller controls program to realisze voice broadcasting.Keywords: Pvroelectricinfraredsensor;OT0001 ;AVR; Pronunciation chip ISD1400 II目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题意义11.2 国内外研究现状11.3 本文主要内容2第2章 系统方案设计32.1单片机选型32.2语音模块42.3传感器5第3章 系统模块原理简介63.1 ATmega16单片机简介63.1.1 芯片特点63.1.2 工作模式6
7、3.1.3 引脚图及介绍63.1.4 AVR单片机的复位和中断处理73.2 热释电传感器介绍103.2.1 菲涅尔透镜103.2.2 热释电传感器的原理103.2.3 热释电传感器的内部结构113.2.4 引脚说明113.2.5 热释电传感器输出特性123.3 OT0001信号处理集成芯片介绍133.3.1 OT0001芯片特点133.3.2 OT0001引脚133.3.3 内部框图133.3.4 工作原理143.4 ISD1400语音芯片介绍153.4.1 概述153.4.2 ISD1420特性153.4.3 功能描述163.4.4 管脚图及描述163.4.5 操作模式18第4章 系统的硬件
8、设计214.1 ATmega16最小系统214.1.1复位电路224.1.2晶振电路224.2信号放大电路234.3语音控制电路234.4电源电路24第5章 自动语音欢迎系统软件设计255.1主程序流程255.2中断服务程序流程265.3 语音播放流程26结 论27致 谢28参考文献29附录30第1章 绪 论1.1 课题意义在电子技术与数字化技术发展的今天,开发这种服务质量好、智能化程度高、经济实用的自动语音欢迎系统,不仅便于统一管理,而且能减少人力资源,还对环境改善、提高经济效益都有着显著的效果。给我们的生活带来极大的便利。自动语音欢迎系统是通过热释电传感器将人体发出特定波长10m左右的红外
9、线转化为电信号,经过热释电红外线传感信号处理器对信号进行两次放大,产生对AVR单片机的触发信号,使AVR单片机产生中断,控制ISD1400语音芯片实现语音回放。1.2 国内外研究现状随着科学技术的进步, 现代电子技术几乎在各个领域受到青睐。近年来,西方发达国家运用电子技术研制出各类,广泛欢迎系统,用于家庭,办公室和工厂,成为有效的欢迎器件。我国自改革开放以来, 由于商品经济迅速发展和人民生活日益改善,人们对于先进的电子技术实现迎宾的兴趣和需求与日俱增,当前市场上迫切需要一种适合我国国情,价格低廉,性能可靠的欢迎装置,具有结构简单、成本低廉、调整方便等特点。 适合在家庭、宾馆、商店、仓库、办公室
10、及其它机关部门等使用的新颖感应欢迎器5。自动语音欢迎系统的前身就是电子防盗报警器,事先人们用它来防盗的,但后来因为电子防盗报警器发出的声音是刺耳的报警声,对进店的顾客产生消极的影响,后来演变成比较悦耳的声音,特别是:叮咚声,您好,欢迎光临,音效特受用户的青睐,顾客一进门就报出欢迎语音,起到了礼貌问候,从而做到提醒店员有人进店和迎宾的两重作用。近年来欢迎系统有光感应式,它原理是:利用人体反射光线,光敏电阻得到足够大变化的光线,使电路产生变化电流触发电路,其灵敏度跟物体反射率有关。虽然光感的价格比较便宜,但误报率高,黑暗情况下不能正常使用。目前热释电红外传感器是应用在欢迎系统中最普遍的,在传感器顶
11、端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为710um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。优点是误报极少,加上前面的菲涅尔透镜窗口,从而将误报率降至最低。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外,还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外,它已迅速成为现代欢迎系统的主流。总之,未来几年自动欢迎系统的发展趋势是:产品技术将在数字化、无线化、集成化的前提下力求突破。而在应用市场上,它将朝更细化的方向前进针对不同市场,推出不同产品。以成长最快的公共场合超市为例,已经有专为超市设计的定向适合这种场
12、合用的无线红外欢迎系统。而除了商店,家庭,办公室等,室外应用更是具有广阔的拓展空间1.3 本文主要内容自动欢迎系统的实现主要是通过探测人体的红外信号经热释电红外传感器处理,处理后的信号送到主控模块单片机,单片机根据触发信号控制语音模块的语音播放。该系统的主要选用其它器件有:热释电红外传感器它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外辐射,将其转化成电信号输出,并可有效控制人体辐射以外的干扰辐射ATmega16它可以利用精简的机器级指令,而使运行速度更快。优化硬件控制意味着在机器级指令集中提供了方便简捷的指令,使控制I/O设备变的更简单,容易。ISD1400是一种采用ChipCorder专利技术的语
13、音芯片。片内集成了晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等,只要很少的外围器件,就可以构成一个完整声音录放系统。OT0001传感信号处理集成电路是对热释电传感器的感应信号进行二级放大。第2章 系统方案设计自动语音欢迎系统主要由探测模块,控制模块,语音模块,供电模块等四部分组成,探测模块只要有通过菲涅耳透镜和热释电传感器完成,实现对人体红外的探测同时执行光电信号转换和信号放大,处理后的信号触发以AVR控制模块,这时AVR单片机会产生中断,根据相应中断控制语音模块的语音,进行门内或门外语音回放。系统的整体思路如图2-1给出系统的整体框图所示:图2-1系统框图2.1单片机选型方案一 :采用AT89
14、C51单片机,其主要功能为,8位CPU4kbytes程序存储器(ROM) (52为8K),256bytes的数据存储器(RAM) (52有384bytes的RAM,32条I/O口线111条指令,大部分为单字节指令,21个专用寄存器 ,2个可编程定时/计数器,5个中断源,2个优先级(52有6个),一个全双工串行通信口,外部数据存储器寻址空间为64kB,外部程序存储器寻址空间为64kB,逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装,单一+5V电源供电 ,CPU:由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;RAM:用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及要显示的
15、数据;ROM:用以存放程序、一些原始数据和表格;I/O口:四个8位并行I/O口,既可用作输入,也可用作输出;T/C:两个定时/记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信;片内振荡器和时钟产生电路,石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。方案二:采用ATmega16单片机,其特点为,16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512 字节EEPROM,1K 字节SRAM,32 个通用I/O 口线,32 个通用工作寄存器,用于边
16、界扫描的JTAG 接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI 串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。51单片机,ARM,DSP都是嵌入式系统的核心芯片的类型,现在的嵌入式系统都是高度面向对象的。项目规模、对效率的要求以及成本问题很大程度上决定了对单片机类型的选用。基于对系统的整体设计和硬件资源的要求,电路设计中采用的微处理器电路相对模拟系统更为简单,可实现较复杂的控
17、制算法,有一定的数据存储空间,灵活适应性强,控制精度高,无零点漂移。可见普通的51系列单片机因为资源缺乏而无法满足设计要求。ARM系列处理器价格昂贵且在本系统设计中使用,会浪费资源。DSP系列往往注重数字信号的处理也不适合。根据单片机的对比,系统设计应该选用8位机中性能优越的单片机。所以选择由ATMEL公司制作AVR系列芯片中的ATmega16作为本次设计的处理单元。2.2语音模块方案一:选用ISD2500系列。ISD2500系列具有抗断电、音质好,使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K(1400系列为128K),所以录放时间长;有10个地址输入端(1400系列仅为8个
18、),寻址能力可达1024位;最多能分600段;设有OVF(溢出)端,便于多个器件级联。方案二 :选用ISD1400。ISD1400系列是单片,高质量,短周期的录放音电路。采用CMOS工艺,内部包含片上时钟,麦克前置放大器,自动增益控制,带通滤波器,平滑滤波器和功率放大器。ISD1400系列提供6.4K和8.OK取样频率,用户可以根据语音质量加以选择。取样的语音直接存储到片内的不挥发存储器内部,不需要数字化和压缩的其它手段。直接模拟存储能提供真实自然的语音,音乐,声音,不像其它的固态数字录音质量要受到影响。考虑语音芯片由于主要应用到服务领域,由于酒店,宾馆等高级场所需要有高质量的服务,所以,要求
19、能回放出度清晰度的语音,所以在语音芯片的选用方案二,选择采样率高的语音芯片。由于ISD1400的特性,在语音模块这部分ISD1420采样率在6.48,有20秒录音功能的ISD1420语音录放芯片。选用该芯片语音回放的效果很好。2.3传感器新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。例如光感应式传感器、微波传感器、光电是传感器、热释电红外线传感器在我们的生活中都有着很重要的作用。光感门铃是利用人体反射光线,光敏电阻得到足够大变化的光线,电路产生变化电流触发电路,灵敏度跟物体反射率有关。光感应
20、式的价格便宜,但是误报率高,微波传感器是由发射天线发射出微波将遇到的物体信号进行吸收或反射,使功率发生变化。具有检测速度快,灵敏度高环境能力强。主要应用于交通、工业及民用装置中。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。热释电红外传感器是用先进微电脑制造技术,热释电红外传感器常用于无接触温度
21、测量,可以进行远距离测量由于测量时不与被测物直接接触所以不存在摩擦,同时无论白天黑夜都可正常使用,而且可以减少很多误操作,节能易用,灵敏度强,更适合市场的需要,更贴近消费者的生活内容,办公写字楼、家居、商店、工厂等各种场合均可使用,带来方便。考虑到本设计是自动语音欢迎系统,对原本设计最基本的要求是对人的欢迎和诸多方面所以选择热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。此传感器具有不需要用红外线或电磁波等发射源;灵敏度高、控制范围大;隐蔽性好,可流动安装等特点。29第3章 系统模块原理简介3.1 AT
22、mega16单片机简介3.1.1 芯片特点ATmega16单片机具有以下特性:16K 字节的系统内可编程Flash( 具有同时读写的能力,即RWW) ,512 字节EEPROM,1K字节SRAM ,32 个通用I/O 口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG 接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行 USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8 路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个 SPI 串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 3.1
23、.2 工作模式工作于空闲模式时CPU 停止工作,而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态; ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作,以降低ADC 转换时的开关噪声; Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动快速启动能力;扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定
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