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1、四川省大学生电子设计竞赛设 计 报 告题目：8051声控设计2006年11月摘 要整个声控设计系统采用51系列AT89C52单片机为（美国ATMEL公司研制）主控芯片，语音识别芯片为功能强大的RSC-300/364新型芯片，程序EPROM、FLASH内存等组成。具有语音识别控制小车的设计和制作过程，该设计能控制小车的前进、后退、左转、右转等功能。该8051声控设计电路结构简单，价格相对便宜，特别适合在独立的场合控制电子产品中应用，如声控家电、电子门锁、智能机器人等新颖电子电器产品以及工业自动化控制等众多领域。目前，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，由传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统
2、所取代，单片机具有体积小、功能强、成本底、应用面广等优点，可以说智能控制与自动控制的核心就是单片机。电脑业巨子比尔盖茨曾说: 语音科技不但是 Windows 的未来, 更是整个电脑界之未来而语音科技最主要的两个方面即是:语音合成和语音识别。本设计结合以上两样核心技术完成语音识别自动控制实现电路功能。在未来的科技发展领域中，语音控制技术将广泛应用于人们的生活中，带给人们更简便、快捷的生活方式。关键词：AT89C2051; 单片机; RSC-364; RSC-300 ; 语音识别系统 Abstract（英 文：）Keywords：目 录1 系统设计11.1 设计要求11.2 总体设计方案11.2.
3、1 设计思路11.2.2 方案论证与比较11.2.3 方案选择11.2.4 系统组成12单元电路设计32.1 51单片机主控电路设计32.2 语音识别电路设计42.3 串行接口电路设计72.4 音频放大电路设计72.5 直流电源稳压电路设计82.6 电机驱动电路设计93 软件设计113.1 系统软件设计113.2 系统程序设计124 系统测试134.1 硬件调试134.2 软件调试14结束语15参考文献16附 录17附录1 8051声控设计板原理图17附录2 8051声控设计板PCB图18附录3 8051声控设计板3D正面图19附录4 8051声控设计板3D反面图20附录6 元件清单221 系
4、统设计 1.1 设计要求1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路 声控技术是用来设计一台会听话的机器，只要对着麦克风说话，便可以指挥机器的动作，实现“芝麻开门”的声控梦想。以声音来代替手动按键输入控制家用电子产品，不久的将来声控电脑、声控电视、声控汽车，将会变为现实。新科技带来方便的新生活。1.2.2 方案论证与比较 方案一：采用是ATMEL公司推出8051的高档8位AT89C2051单片机和美国Sensory Integrated Circuit是一颗为消费类电子产品应用的低价位的语音识别专用芯片（RSC-364/300），通过语音识别产生控制脉宽，控制小车的前进、后退、左转、右转等功能。方
5、案二：采用凌阳SPCE061A十六位单片机，利用单片机的IOB8、IOB9产生控制调速的脉宽和小车的正、反行使，用凌阳SPCE061A十六位单片机的TimeA和 TimeB很容易实现脉宽调制，这大大加强了用脉宽调制控制加减速的可选性，但对继电器要求较高。1.2.3 方案选择通过对以上方案的论证可看出采用89C51+RSC-364/300的设计方案于设计要求相符合，设计更经济合理，所以采用第一方案完成设计。1.2.4 系统组成本系统由Sensory Integrated Circuit声控芯片RSC-364/300为核心所设计的声控模块，来完成对小灯或小车的控制。声控模块（图1）主要由：语音辨别
6、芯片（RSC364/300）、程序EPROM、FLASH ROM、 单芯片（AT89C2051）组成。89C2051单片机FLASHROMEPROM+5V电源稳压器MAX-232串行接口串行接口TTL电平RSC-364/300 语音识别芯片按键输入控制LM386音频放大器模拟电路麦克风输入喇叭输出 图1 声控系统架构图整个系统架构采用主从双处理架构设计，由单芯片当着主控芯片，送出串行控制信号来控制辨认芯片完成相关的辨别。此架构可从简化系统的软硬件设计，语音辨识的软硬件部分交由专用辨识芯片来处理，这些工作需要有效的算法及高速的硬件计算架构才能完成。2单元电路设计2.1 51单片机主控电路设计AT
7、89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图2 主控电路 主控电路如（图2）基本的三要素由电源、时钟振荡、复位电路组成，需要+5V电源，X2石英晶振产生12MHZ振荡频率，由R14、S6、C5、R6组成复位电路可自动复位也可按下S6手动复位。2.2 语音识别电路设计RSC
8、-300/364由美国Sensory Integrated Circuit公司开发，是一片以8位MCU为核心的CMOS器件，片上还集成了ROM、RAM、A/D、D/A、前端放大器及功率放大器件。因此，可以说它是一颗片上系统（SOC），只要加上很少的外围元件就可以组成一个语音识别系统。其运算能力为4MIPS， 为了提高运算能力，片上包括了一个24位24位的乘法器。图3 RSC364/300语音识别模块框图RSC-364语音处理器是语音识别模块如（图3）所示中最核心的大规模集成电路，它内含话筒放大器、语音特征数据存储器、24*24位乘法器、两个计时器、外部存储器接口、A/D、D/A转换器和PWM输
9、出直接驱动扬声器、语音识别算法电路、内建64K字节ROM、2.5K字节RAM、16个I/O控制口和8位微处理器等单元电路。外围元件少，一个完整的识别系统仅由RSC-364和少量外部元件组成：电池、扬声器、驻极体话筒、音频输入的支持电路。工作电压为2.4-5.5V；工作电流为10mA，待机电流小于5uA。 图4 RSC-364/300语音识别模块平板图RSC-364模块的各主要器件位置平板图如（图4）所示，采用39SF020 0000H-0FFFF作为程序存储空间，用来存储控制程序、SD语音识别模板及提示音数据， 29EE020作为数据存储空间，用来存储SD/SV（特定人语音识别技术和身份识别）
10、语音命令识别模板、SD语音命令及RP的录音，以及其他应用数据。39SF020既可以存储语音识别模块又可以存储语音录音，29EE020只可以用来存储语音识别模板，通常每个SD/SV语音命令时间长2.5s，语音命令识别模块大小为128Byte，语音录音有三种压缩率：4067byte/s,3389byte/s和2711byte/s，该模式用于提示音数据较少，可以与控制程序一起放在程序存储空间。该模式用于提示音数据较少，可以与控制程序一起放在程序存储空间。图5为RSC364/300语音识别电路图5 RSC364/300语音识别电路2.3 串行接口电路设计系统设计要求控制系统能同PC联机通信，已利用PC
11、机。由于AT89C2051串行口为TTL电平，PC串行口为RS232电平，使用一片MAX232为电平转换驱动。通信速率为9600波特率。数据5秒传输一次电路如（图6）。 图6 串行接口电路2.4 音频放大电路设计LM386是用于低电压功率放大器。内部设定增益为20dB，当在1与8引出端外接电容与电阻时，其增益增加可达200dB以内的任何值。当输出自动偏置到电源电压一半，输入端参考地。6V电源工作时静态功率只有24mW。 该集成电路由于外接元件少、电源电压VCC使用范围宽（VCC=4-12V）、静态功耗低（VCC= 6V时为24mW），因而在便携式无线电设备、收音机、录音机、小型放大设备中得到广
12、泛应用。 如（图7）当1脚和8脚之间开路时，电压增益为26dB；若在1脚和8脚之间接阻容串联元件，则增益可达46dB，改变阻容值则增益可在26dB-46dB之间任意选取。电阻值越小增益越大。图7 LM386音频放大电路从语音识别芯片D/A转换电路输出的模拟音频信号通过LM386功率放大器，驱动喇叭完成语音播放。2.5 直流电源稳压电路设计图8 电源框图LM7805 有三只接脚:IN、 OUT、 GND 分别接到输出, 输出及地线. 输出的电压固定.输出 +5 V，输出端并联 0.1 uF 电容的目的是要降低高频阻抗, 改善 “瞬时反应” (transient response). 使用时, 输
13、入端也常常加上一个 0.33uF 以上的电容。电源部分（如图9）分为两路：一路直接提供9伏的直流电源，另一路通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，右边两个电容是5伏电源的滤波电容，电阻R8和红色的LED(D2)组成5伏电源的工作指示电路，只要电源部分正常，红色的LED就会点亮，可以根据这个LED来判断整个电源部分是否工作正常。图9 LM7805稳压电源电路2.6 电机驱动电路设计电机的驱动采用双向PWM脉宽调制方式控制。采用这种控制方式可以方便地实现电机的正反转和转速变化。电机驱动电路如图10所示。其工组原理为当P1.0端口为高电平、P1.1端口为低电平时，三极管Q5
14、导通，Q5导通又导致Q3和Q2导通，则电流从电源通过Q2、直流电机和Q3构成回路；当P1.0端口为低电平、P1.1端口为高电平时，三极管Q6导通，Q6导通又导致Q4和Q1导通，则电流从电源通过Q1、直流电机和Q4和Q1导通，则电流从电源通过Q1、直流电机 和Q4构成回路，且电流方向和前面相反，即电机转向发生变化。通过控制P1.0口和P1.1口电平的高低和高电平导通的时间，就可以控制电机的正、反转和转速。 图10 电机驱动电路3 软件设计3.1 系统软件设计图11 主程序控制流程图通过对小车前进、后退、左转、右转和运转时间设置指令程序在单片机里，单片机输出相对应的指令电平控制前进、后退、左转、右
15、转的继电器，控制小车的运行情况。 3.2 系统程序设计提示音制作过程说明WAV 目录中是我们制做的Spkrdep演示程序的中文提示音，现就其制作过程进行说明：（1）录音并分割wav文件，得到许多wav文件。 （2）编辑voice.txt文件，给所有wav文件排序。 （3）运行setpath.bat,设置路径（具体路径视你的提示音制作软件的存放位置而定）。 （4）运行make.bat,生成voice.bat文件。 （5）运行voice.bat,生成raw及vsf文件。 （6）运行quick.bat,生成data.a文件。 （7）运行rena.bat,将data.a改名为sdcn.a （8）运行s
16、a1.bat,对sdcn.a进行编译，得到sdcn.o文件。 （9）根据voice.txt中各wav文件的顺序，编辑sdcna.a文件，进行拼句。 （10）运行sa2.bat，对sdcna.a进行编译，得到sdcna.o文件. （11）将sdcn.o及sdcna.o进行链接（加入link.cmd中，并重新进行链接），即可调用。 调用时要在spkrdep.a中进行如下声明： EXTERN VPsdcn (此sdcn来源为运行make.bat时所取的标志，可以随意而定） EXTERN SNsdcn （此SNsdcn来源为编辑sdcna.a文件时所取的文件头,可以随意而定） SPEECH set V
17、PsdcnSENTENCE set SNsdcn4 系统测试（需修改）4.1 测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表4.1.1所示。表4.1.1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注11(写生产厂家)4.2 硬件指标测试与测试结果 通过对电机驱动电路安装加电调试，在调试中，驱动电压VCC5V才不能 损坏电机。当大于10V会烧坏Q5、Q6三极管将会被击穿。 通过语音识别模块写入程序加电实验：（1） J1 为电源插座，电源极性如图所示，输入电压为 +4.5V-5.0V（2） S5为电源开关。（3） J2，J3，J4 为RSC-364/300 I/O口及 VCC，GND的引出，其中，J3为串行
18、通讯接口，具体参见最后所附原理图。（4） U3为sensory RSC-364/300.（5） U1为程序存储器Flash SST 39SF020的插座, U5为数据存储器Flash SST 29EE020 or Winbond W29C020的插座, U4为74HC08，用于不同存储结构的选择及存储器的读写控制, U6为数据存储器EEPROM 24C32-24C64的插座。（6） U2为LM386, 用于RSC-364/300 DAC输出的放大, 电阻R3用于调节ADC输出的音量，旋转方向与音量变化的关系如图所示。 （7） BR1, BR2, BR3为存储结构选择跳线.（8） S1为复位键，
19、S2为 A键，S3为B键, S4 为C键，用于用户操作。（9） JP2为麦克风输入插座, JP1为DAC输出插座（接喇叭），JP3为PWM输出，可直接驱动8喇叭。设计能实现语音的录制、对比，输出高低电平控制小车的前进、后退、左转、右转功能。 软件调试（该部分内容写在“3 软件设计”一章）（1）通过用Protel99SE对语音模块电路进行电气规则检查。图12 电气规则检查 （2）通过用WAVE6000对语音模块电路进行程序检测。图13 程序检测结束语8051声控制小车可以实现以下功能： 测试结果表明，在软硬件的结合下， 参考文献1 佟云峰.单片机原理与应用M.重庆:重庆大学出版社,2005.22
20、 胡文金.单片机应用技术实训教程M.重庆:重庆大学出版社,2005.23 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京:电子工业出版社,2005.14 广华-VCT-VCM SVC声控板 DB/OL.tw 2006.5页码:04735 深圳市捷通语音技术开发有限公司DB/OL6 王南阳.RSC系列新型语音识别电路原理及其应用J.北京:北京无线电杂志社,2005.17 卢西瑾.用AT89C51控制3.5英寸软驱步进电机J.四川：电子报电子科技大学出版社，2005.7附 录附录1 8051声控设计板原理图附录2 8051声控设计板PCB图附录3 8051声控设计板3D正面图附录4 8051声控设
21、计板3D反面图附录5 8051声控设计板实物图附录6 元件清单序号号元件名称参数数量封装备注1电 阻01只AXIAL0.4插 件471只2001只1k3只10k4只27k2只4.7k4只100k2只100k1只VR2可调电阻2瓷 片 电 容10p2只RAD0.2 插 件100p1只200p1只4700p1只0.022uF1只0.01uF1只0.1uF10只3电 解 电 容10uF/16V6只RB.2/.4 插 件100uF/25V5只4二 极 管IN40012只AXIAL0.4插 件LED2只2只DIODE0.4红/绿各1只5三 极 管S9012（PNP）2只TO-92A插 件S9014（NPN）4只6晶 振14.316M1只XTAL1插 件11.0592M1只7接 口CON29只SIP插 件CON32只CON52只HEADER22只DB91只DB9/M8集 成 芯 片LM78051只TO-220插 件LM3861只DIP8MAX2321只DIP16W29C020C1只DIP32W27C5121只DIP28AT89C20511只DIP20RSC-3001只QFP64-1代换RSC-3649微动开关SW-PB6只KEY10喇叭8欧0.5瓦1只SIP211驻极体话筒MIC1只SIP212小车(1)一架代换电机、小灯
