基于語音辨識自動(dòng)數(shù)學(xué)出題系統(tǒng)--系統(tǒng)功能控制【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于語音辨識自動(dòng)數(shù)學(xué)出題系統(tǒng)--系統(tǒng)功能控制</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級

2、 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b

3、></p><p>　　單片機(jī)技術(shù)日漸成熟，由于它體積小，能耗低，性價(jià)比高的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍也日漸廣泛，諸如生產(chǎn)設(shè)備的控制，高端電子設(shè)備處理芯片，日常生活用品的一些簡單面板控制等等都與單片機(jī)相關(guān)。</p><p>　　近年來，隨著我國國民素質(zhì)的不斷提高，家長們越來越重視孩子的教育問題。本出題系統(tǒng)適用于少年兒童進(jìn)行算術(shù)訓(xùn)練來提高他們的計(jì)算能力。當(dāng)然，在此基礎(chǔ)上，通過豐富出題方式，改進(jìn)考

4、核模式，激發(fā)孩子們的學(xué)習(xí)積極性，提高他們的反應(yīng)力及心算的能力。對于孩子們來說，出題器更應(yīng)該是一個(gè)玩具而不是一個(gè)加重他們負(fù)擔(dān)的學(xué)習(xí)工具。因此，它應(yīng)該具有友好的界面和游戲般的測試模式，讓孩子們開開心心地學(xué)習(xí)。這才是出題器應(yīng)有的作用。雖然不可能超越高端電子產(chǎn)品，但是至少也能體現(xiàn)它應(yīng)有的價(jià)值。</p><p>　　本系統(tǒng)能根據(jù)用戶的不同設(shè)置給出不同級別、不同運(yùn)算法則的算術(shù)題，同時(shí)進(jìn)行語音播報(bào)，待用戶輸入答案，并按下確定鍵

5、之后，系統(tǒng)對答案進(jìn)行糾錯(cuò)，播報(bào)相應(yīng)的語音，而且系統(tǒng)還提供了顯示答案的功能，另外，本系統(tǒng)還集成了語音識別模塊，用戶可以通過設(shè)定相應(yīng)操作的語音命令，然后通過語音命令來進(jìn)行部分功能操作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：SPCE061A單片機(jī)；語音識別；語音播報(bào)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Microprog

6、rammed Control Unit(MCU) technology matures, because it has the advantages of small size,low power consumption,cost-effective features.It has been used in increasingly wide range, such as control of production equipment,

7、 high-end electronics chip, the simple control panel of our daily necessities digital equipment,etc.They are associated with it.</p><p>　　With our national quality enhances unceasingly,parents pay more and m

8、ore attention to children's education in recent years.This system is suitable for the children to arithmetic training ,then improve their computing ability.On this basis, through rich the way of putting questions, im

9、prove the assessment mode,thus to inspire children's study enthusiasm, and improve their react and mental ability. For children, the system should be a toy rather than a tool which enhances their burden.Therefore, i&

10、lt;/p><p>　　According to different sets of users the system can put questions out in different levels and different arithmetic operator,simultaneously speech broadcast.Waiting user to input answers, and press o

11、k button,then system will check the user's answer to the right answer, and broadcasts the corresponding speech.System also provides the function display the right answer.In addition,the system has integrated voice re

12、cognition module, user can set the corresponding operation of voice commands. Then use</p><p>　　Key Words：SPCE061A MCU;Speech Recognition;Speech broadcast</p><p><b>　　目 錄</b></p&

13、gt;<p>　　1　引言- 1 -</p><p>　　1.1語音識別與單片機(jī)- 1 -</p><p>　　1.1.1 語音識別技術(shù)- 1 -</p><p>　　1.1.2 單片機(jī)技術(shù)- 1 -</p><p>　　1.2數(shù)學(xué)出題器的發(fā)展概況- 2 -</p><p>　　1.3本文研究的

14、主要內(nèi)容- 2 -</p><p>　　2　總體設(shè)計(jì)- 3 -</p><p>　　2.1數(shù)學(xué)出題器的主要功能- 3 -</p><p>　　2.2基于不同控制芯片的數(shù)學(xué)出題器的設(shè)計(jì)- 3 -</p><p>　　2.2.1 基于DSP芯片的設(shè)計(jì)- 3 -</p><p>　　2.2.2 基于專業(yè)語音芯片的設(shè)

15、計(jì)- 4 -</p><p>　　2.2.3 基于凌陽16位單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)- 4 -</p><p>　　2.3 各種芯片方案優(yōu)缺點(diǎn)分析- 5 -</p><p>　　2.4 芯片方案選擇- 6 -</p><p>　　3　硬件設(shè)計(jì)- 7 -</p><p>　　3.1 SPCE061A芯片結(jié)構(gòu)- 7 -

16、</p><p>　　3.2 SPCE061A外圍電路- 7 -</p><p>　　3.2.1 晶振電路與復(fù)位電路- 7 -</p><p>　　3.2.2 語音輸出模塊- 9 -</p><p>　　3.2.3 語音輸入模塊- 10 -</p><p>　　3.3 4×4鍵盤簡介- 11 -&l

17、t;/p><p>　　3.4 顯示模塊- 12 -</p><p>　　3.4.1 LCD1602液晶簡介- 12 -</p><p>　　3.4.2 SPG12063YS2液晶簡介- 13 -</p><p>　　3.5 外部存儲(chǔ)器模塊- 14 -</p><p>　　4　軟件設(shè)計(jì)- 16 -</p>

18、;<p>　　4.1 軟件開發(fā)工具- 16 -</p><p>　　4.2軟件流程圖- 17 -</p><p>　　4.2.1 主程序- 17 -</p><p>　　4.2.2 按鍵識別子程序- 18 -</p><p>　　4.2.3 語音識別子程序- 19 -</p><p>　　4.2

19、.4 操作子程序- 20 -</p><p>　　5　制作和調(diào)試- 24 -</p><p>　　5.1硬件制作和調(diào)試- 24 -</p><p>　　5.2軟件的調(diào)試- 25 -</p><p>　　6　結(jié)論- 26 -</p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>

20、　　參考文獻(xiàn)- 27 -</p><p>　　附錄1 系統(tǒng)實(shí)物圖- 28 -</p><p>　　附錄2 系統(tǒng)原理圖- 29 -</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設(shè)計(jì)作品的說明- 30 -</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　1.1語音識別與單片機(jī)</p

21、><p>　　1.1.1 語音識別技術(shù)</p><p>　　現(xiàn)在，隨著科技的不斷進(jìn)步，生活品質(zhì)的不斷提高，人們對于各種技術(shù)的要求也在不斷增加。這里涉及到很多方面，比如，在很多情況下，不一定很適合用我們的手去控制一臺(tái)設(shè)備，但是普通操作無法讓人能同時(shí)做兩件事，當(dāng)你專注于一件事時(shí)，另一件就得不到很好的關(guān)注，這問題最顯著的體現(xiàn)在駕車方面[1]。語音識別技術(shù)正是解決該問題的最有效的方式。</p&g

22、t;<p>　　語音識別技術(shù)是一門交叉性的學(xué)科，它涉及到多門學(xué)科，因此具有一定的難度，簡單的說，語音識別技術(shù)就是通過微處理器的處理、識別，把語音信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的文本或命令的技術(shù)。語音的處理和識別過程與人對語音的處理和識別基本上是一致的，如今基于統(tǒng)計(jì)模式識別的基本理論是主流的語音識別技術(shù)。</p><p>　　以上是語音識別技術(shù)的概念。當(dāng)然，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)的作用也不會(huì)僅僅只局限與當(dāng)前的運(yùn)用

23、，尤其是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)的逐步融合，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，語音識別技術(shù)定會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用[2]。</p><p>　　1.1.2 單片機(jī)技術(shù)</p><p>　　除了語音識別技術(shù)，單片機(jī)也是一個(gè)這個(gè)時(shí)代的人們不能缺少的東西。即使你從來沒有發(fā)現(xiàn)過它的存在，但是你的生活離不開它。各種儀表器件，嵌入式系統(tǒng)控制，機(jī)器人控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制

24、和數(shù)據(jù)處理，車輛的安全保障系統(tǒng)，各種各樣的電子產(chǎn)品和玩具等等，這些都需要用到單片機(jī)。因?yàn)槠渚哂畜w積小、功耗低、性價(jià)比高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而在各方面的應(yīng)用中擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。單片機(jī)也一直都在進(jìn)步，可處理的數(shù)據(jù)字長也越來越多，處理速度越來越快，功耗也越來越小。因此，基于單片機(jī)的系統(tǒng)還是有著一定的開發(fā)前景。</p><p>　　本課題采用的是凌陽16位SPCE061A單片機(jī)[3]。它除了具有一般微處理器所具備的功能外，

25、還具有很強(qiáng)的DSP運(yùn)算能力，并且它工作電壓低的同時(shí)，還能以較高的系統(tǒng)工作頻率工作，因此能使單片機(jī)可以快速處理復(fù)雜的數(shù)字語音信號。片內(nèi)集成了具有自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式以及DAC音頻輸出功能，只需要通過一些簡單的外圍電路就能使用，另外，凌陽公司還提供強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，其本身包含豐富的C函數(shù)庫和語音處理函數(shù)庫，因此非常適合數(shù)字語音和語音識別產(chǎn)品的開發(fā)。</p><p>　　1.2數(shù)學(xué)出題器的發(fā)展概況<

26、/p><p>　　數(shù)學(xué)出題器本身并不是一個(gè)新生的事物，常應(yīng)用于少年兒童的早教和基礎(chǔ)算術(shù)學(xué)習(xí)提高方面。對少年兒童而言，它是學(xué)習(xí)工具，也是一個(gè)玩具，他們能從答題中溫習(xí)知識，鍛煉大腦的反應(yīng)速度，最重要的是能從答題中得到信心和快樂，屬于一種寓教于樂的教學(xué)方式，因?yàn)橛袠啡?，兒童?huì)更加愿意主動(dòng)去使用它，在快樂中學(xué)習(xí)。</p><p>　　所以，數(shù)學(xué)出題器的發(fā)展應(yīng)從出題方式，系統(tǒng)附加功能，優(yōu)化界面和外觀等方

27、面努力，從而提高其趣味性。數(shù)學(xué)出題器更應(yīng)該是一個(gè)玩具而不是一個(gè)加重他們負(fù)擔(dān)的學(xué)習(xí)工具，它應(yīng)該具有友好的界面和游戲般的測試模式，讓孩子們開開心心地學(xué)習(xí)，這才是它應(yīng)有的作用。雖然不可能超越高端電子產(chǎn)品，但是至少要體現(xiàn)它應(yīng)有的價(jià)值。</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文主要研究的是基于語音辨識自動(dòng)數(shù)學(xué)出題系統(tǒng)，它是一個(gè)基于16位凌陽單片機(jī)的自動(dòng)算術(shù)出題器，并且能

28、通過語音命令對系統(tǒng)進(jìn)行操作[4][5]。本系統(tǒng)主要有以下模塊：單片機(jī)控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、語音播放模塊、語音識別模塊。</p><p>　　本系統(tǒng)的主要功能：用戶通過按出題鍵或使用相應(yīng)的語音命令，系統(tǒng)自動(dòng)更具用戶先前的設(shè)定出題，并進(jìn)行語音播報(bào)，然后用戶可以通過數(shù)字鍵輸入答案，也可使用答案鍵或相應(yīng)語音命令直接獲取答案，亦可按確定按鈕進(jìn)行答案校對。 </p><p><b&

29、gt;　　2　總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1數(shù)學(xué)出題器的主要功能</p><p>　　該數(shù)學(xué)出題器主要是具備適合兒童使用的自動(dòng)出題功能，該出題功能擁有多個(gè)級別，不同運(yùn)算法則兩個(gè)出題規(guī)則，也可進(jìn)行題目的語音播報(bào)，顯示答案，校對答案，刪除已輸入內(nèi)容等功能，如若時(shí)間充裕，還可添加其他功能，以豐富系統(tǒng)。此外，該出題器能根據(jù)語音識別出題，調(diào)整難度，調(diào)整預(yù)算法則，顯示答案等。

30、</p><p>　　2.2基于不同控制芯片的數(shù)學(xué)出題器的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 基于DSP芯片的設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)字信號處理芯片（DSP）是一種能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理數(shù)字信號的微處理器件，它具有體積小，速度快，功耗低，穩(wěn)定性好，精度高，可嵌入性等優(yōu)點(diǎn)，它可以滿足實(shí)時(shí)的識別和處理語音信號[6]，框圖如圖2-1。</p><p>

31、;　　圖2-1 基于DSP芯片的系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　語音模塊工作是語音信號通過ADC得到數(shù)字信號，然后送入DPS芯片，芯片將其與FLASH內(nèi)存放的訓(xùn)練樣本進(jìn)行比對，得出結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的操作。SDRAM用于程序的執(zhí)行和數(shù)據(jù)暫存。其他模塊工作是按鍵盤輸入指令給DSP芯片，DSP芯片根據(jù)用戶需求出題，在顯示端顯示相應(yīng)的結(jié)果，語音模塊可以代替部分鍵盤操作。</p><p>　　2.

32、2.2 基于專業(yè)語音芯片的設(shè)計(jì)</p><p>　　RSC-4x系列是新一代嵌入是語音識別處理器集成電路，其特點(diǎn)為外圍電路簡單，集成度高，功耗低，無掉電分險(xiǎn)，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。由RSC-4x系列芯片以及少量的元器件作為外部電路即可構(gòu)成完整的語音識別系統(tǒng)[7]，如圖2-2。</p><p>　　圖2-2 基于語音芯片的系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　RSC-4x系列

33、芯片支持SENSORY 7.0語音識別技術(shù)，該技術(shù)是該系列芯片硬件電路得到了充分利用，其硬件包括一個(gè)帶雙向直接處理器的向量處理器、10位DA轉(zhuǎn)換器、16位AD轉(zhuǎn)換器、主晶振鎖相環(huán)、帶自動(dòng)增益控制的麥克風(fēng)前置放大器、低電池干擾的PWM揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路、兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)器加單獨(dú)的看門狗電路、4個(gè)比較器輸入及24個(gè)I/O口。其識別微處理器內(nèi)嵌入一套先進(jìn)的精確識別算術(shù)算法，增強(qiáng)了識別率。外部存儲(chǔ)器總線為20位地址線和8位數(shù)據(jù)線，具有強(qiáng)大的外部拓展能

34、力，也無需通過ROM來保證代碼的安全，還提高了識別速率，降低了干擾[8]。</p><p>　　2.2.3 基于凌陽16位單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)</p><p>　　凌陽16位單片機(jī)芯片是有凌陽科技公司生成的一款極具性價(jià)比的芯片，它屬于系統(tǒng)級芯片，而且用戶使用方便，外圍電路簡單，很容易就能實(shí)現(xiàn)語音信號的輸入和輸出功能，尤其是在語音識別方面，它有現(xiàn)成的函數(shù)可以直接調(diào)用[9]。另外其CPU最高時(shí)鐘可

35、達(dá)49 MHz，速度之快，可想而知。另外，該款芯片還具有體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠很方便地完成普通單片機(jī)的功能，尤其適應(yīng)于數(shù)字語音撥報(bào)和識別等應(yīng)用領(lǐng)域，是數(shù)字語音識別與語音信號處理的理想產(chǎn)品。</p><p>　　基于凌陽16位單片機(jī)的系統(tǒng)總體框圖如下圖2-3。該系統(tǒng)主要是由SPCE061A單片機(jī)及必要的外部電路，語音識別模塊，顯示模塊，語音輸出模塊組成，外圍電路比較簡

36、單。</p><p>　　圖2-3 基于凌陽單片機(jī)的系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　2.3 各種芯片方案優(yōu)缺點(diǎn)分析</p><p>　　基于DSP芯片設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　運(yùn)算速度快，集成度高，穩(wěn)定性好，精度高，具可編程性,可嵌入性；</

37、p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　價(jià)格較一般單片機(jī)貴，高頻時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生高頻干擾，功率消耗較大，DSP技術(shù)更新過快，開發(fā)和調(diào)試工具不盡完善。</p><p>　　基于專業(yè)語音芯片設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　價(jià)格便宜

38、，集成度高，功耗低，外圍電路簡單，無掉電分險(xiǎn)，使用方便；</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　作為批量生產(chǎn)的產(chǎn)品芯片，軟件維護(hù)難度比較大。</p><p>　　基于凌陽16位單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p&

39、gt;　　體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、中斷處理能力強(qiáng)，具備強(qiáng)大的內(nèi)置庫函數(shù)，編程便捷，價(jià)格便宜，善于處理語音信號；</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p><b>　　擴(kuò)展性比較一般。</b></p><p>　　2.4 芯片方案選擇</p><p>　　由于凌陽

40、16位單片機(jī)具有強(qiáng)大的語音處理能力和豐富的庫函數(shù)，并且有大量的例程，如此能極大的減少系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，所以本系統(tǒng)選用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A 作為系統(tǒng)控制芯片。</p><p><b>　　3　硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 SPCE061A芯片結(jié)構(gòu)</p><p>　　SPCE061A型單片機(jī)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示

41、。其主要功能模塊有并行口I/O端口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、數(shù)/模轉(zhuǎn)換DAC、存儲(chǔ)器RAM&FLASH、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C（脈寬調(diào)制輸出PWM）、WatchDog、異步串行通信口UART、指令寄存器IR、設(shè)備串行口SIO、低電壓檢測LVD（低電壓復(fù)位）等。圖3-2為芯片的最小系統(tǒng)[10]。</p><p>　　3.2 SPCE061A外圍電路</p><p>　　3.2.1 晶振電路與

42、復(fù)位電路 </p><p><b>　　1 晶振電路</b></p><p>　　16位單片機(jī)晶振電路采用晶體振蕩器，外接晶振采用32768Hz，圖3-3為晶振電路的原理圖 。</p><p>　　圖3-2 SPCE061A最小系統(tǒng)圖</p><p>　　圖3-3 晶振電路原理圖</p><p&

43、gt;　　鎖相環(huán)振蕩器及復(fù)位電路</p><p>　?。?） 鎖相環(huán)振蕩器</p><p>　　PLL電路的作用是將系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基頻(32768Hz)進(jìn)行倍頻，系統(tǒng)默認(rèn)的PLL自激振蕩頻率為24.576MHz。系統(tǒng)時(shí)鐘的信號源為PLL振蕩器，原理圖如圖3-4。</p><p><b>　　（2） 復(fù)位電路</b></p>

44、<p>　　復(fù)位是對芯片內(nèi)部的硬件初始化，如圖3-5。芯片本身也具有上電復(fù)位功能，即通電就自動(dòng)復(fù)位，另外，還具有外部復(fù)位電路，即在引腳6上外加一個(gè)低電平就可令其復(fù)位。</p><p>　　圖3-4 瑣相環(huán)電路圖 圖3-5 復(fù)位電路圖</p><p>　　3.2.2 語音輸出模塊</p><p>　　SPCE061A內(nèi)置2路10位

45、精度的DAC，只需要外接功放電路即可完成語音的播放。圖 3-6是使用凌陽公司生產(chǎn)的SPY0030作為功放的音頻輸出電路圖。它的詳細(xì)說明可以參見SPY0030 data sheet。圖3-7使用的是LM386作為功放。和LM386相比，SPY0030還具有下述優(yōu)勢的，比如LM386工作電壓需在4V以上, SPY0030僅需2.4V即可工作(兩顆電池即可工作)；LM386輸出功率100mW以下, SPY0030約700mW。因此本系統(tǒng)采用S

46、PY0030作為語音播放的功率放大器[11]。</p><p>　　圖3-6 采用SPY0030的語音輸出電路圖</p><p>　　圖3-7 采用LM386的語音輸出電路圖</p><p>　　3.2.3 語音輸入模塊</p><p>　　采用一般的麥克風(fēng)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3-8中，采用9014作為前端低頻放大器，輸出需要接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，

47、才能得到數(shù)字信號。</p><p>　　圖3-8 采用9014的語音輸入電路圖</p><p>　　SPCE061A提供了內(nèi)置的麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制電路，可以用很少的外圍電路實(shí)現(xiàn)語音輸入功能。如圖3-9所示，MICN、MICP連接到單片機(jī)內(nèi)部一個(gè)運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端，因此MIC兩個(gè)引腳的電壓差可以被改運(yùn)放放大，在經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的自動(dòng)增益放大后送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器，生成數(shù)字量的音頻電壓值。

48、SPCE061A內(nèi)置8個(gè)通道10位ADC，其中一個(gè)通道MIC_In用于語音信號輸入。其余7個(gè)通道用于電壓等模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[12]。</p><p>　　根據(jù)以上的分析，采用凌陽單片機(jī)在解決語音輸入輸出方面具有較大優(yōu)勢，可以大大減少硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)難度。因此本人計(jì)劃采用凌陽單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)該模塊[13]。</p><p>　　圖3-9 采用凌陽單片機(jī)的語音輸入電路圖</p>

49、<p>　　3.3 4×4鍵盤簡介</p><p>　　4×4的行列式鍵盤，即鍵盤排列為4行、4列，共16個(gè)按鍵，4×4鍵盤的電路圖如圖 3-10所示，分別定義這16個(gè)按鍵盤為KEY1～16。</p><p>　　圖 3-10 4×4鍵盤電路圖</p><p>　　圖中C1～C4為4×4鍵盤的列掃描線，

50、L1～L4為4×4鍵盤的行掃描線，行列式鍵盤的操作一般完成兩個(gè)任務(wù)，一是檢測是否有鍵被按下，二是識別被按下的鍵是哪一個(gè)。一般會(huì)采用行列掃描法，可以同時(shí)完成上述兩項(xiàng)任務(wù)。</p><p><b>　　基本的掃描原理是：</b></p><p>　　先使行掃描線輸出高電平，然后讀取列掃描線的狀態(tài)，得到與按鍵橫向位置對應(yīng)的4位列碼；如果是有鍵被按下時(shí)，則對應(yīng)的列掃

51、描線必然會(huì)被讀回高電平，如果是無鍵盤按下時(shí)，則讀取的列碼必定全是0（低電平）。這也就可以判斷有無按鍵的按下了。</p><p>　　一旦檢測到有鍵按下時(shí)，還需要有一個(gè)延時(shí)的消除抖動(dòng)的操作，以消除按鍵時(shí)帶有的抖動(dòng)信號；一般延時(shí)在15ms左右即可。延時(shí)后，如還能檢測到有按鍵按下，則可確定當(dāng)前是有鍵按下，可進(jìn)入獲取鍵值的操作。</p><p>　　當(dāng)需要獲取鍵值時(shí)，可以先使所有行掃描線置高電平，

52、列掃描線置低電平，然后讀取列掃描線的狀態(tài)，將其取反，得到列碼；接著再講所有列掃描線置高電平，行掃描線置低電平，讀取行掃描線狀態(tài)，將其去反，得到行碼，最后將處于高位的碼左移4位，并與低位碼相與，即可得到相應(yīng)鍵盤碼。</p><p><b>　　3.4 顯示模塊</b></p><p>　　3.4.1 LCD1602液晶簡介</p><p>　　L

53、CD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶?？梢燥@示2行每行16個(gè)字符，對比度可調(diào)、黃綠色背光。電源范圍4.5V-5.5V。</p><p>　　圖3-11 LCD1602液晶平面圖</p><p>　　1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的

54、代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。</p><p>　　因?yàn)?602識別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。</p><p>　　圖3-11為LCD1602的平面圖，圖3-12為LCD1602的電路圖。<

55、/p><p>　　圖3-12 LCD1602電路圖</p><p>　　3.4.2 SPG12063YS2液晶簡介</p><p>　　SPG12063YS2液晶是帶驅(qū)動(dòng)電路SPLC501的128*64點(diǎn)陣式LCD。它適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域，內(nèi)置128個(gè)16*8點(diǎn) ASCII 字符集，最重要的是，該款液晶支持漢字顯示，內(nèi)置了8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字, 可

56、以顯示 8×4 個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字。值得一提的是，它功耗低，工作電壓低。開發(fā)人員可以利用其靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。</p><p>　　圖3-13為SPG12063YS2的平面圖，圖3-14為SPG12063YS2的電路圖。</p><p>　　圖3-13 SPG12063YS2液晶平面圖</p><

57、p>　　圖3-14 SPG12063YS2電路圖</p><p>　　對上述2種方案進(jìn)行比較，由于1602可顯示的內(nèi)容太少，無法滿足整個(gè)程序的設(shè)計(jì)要求，SPG12063YS2在界面及顯示上更具優(yōu)勢，并具備中文顯示，用它顯示能使界面更友好。因此，本人準(zhǔn)備采用SPG12063YS2實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示模塊。</p><p>　　3.5 外部存儲(chǔ)器模塊</p><p>

58、　　SPR4096內(nèi)嵌512K*8位高性能FLASH存儲(chǔ)器同時(shí)內(nèi)嵌4K*8位SRAM。芯片具有BMI （Bus Memory Interface）并行接口總線與 SIF（Serial Interface）串行接口總線。模組采用由凌陽公司提供的SPR模組，其工作原理圖如圖3-15所示。</p><p>　　圖3-15 SPR4096工作原理圖</p><p>　　SPR模組的主要功能是通過

59、由凌陽公司提供的ResWriter工具對SPR4096存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除、寫入以及校驗(yàn)，同時(shí)預(yù)留 10Pin 排線，可以與單片機(jī)連接組成外擴(kuò)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)。 </p><p>　　系統(tǒng)采用外部存儲(chǔ)器芯片，是因?yàn)樵谙到y(tǒng)使用了語音識別模塊之后，占用了32K Flash空間里的31K，而語音資料大小約為13K，并且改文件大小已經(jīng)壓縮到最小，還是不可能與程序一起下載至單片機(jī)中，所以需要外部存儲(chǔ)器來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。</p&g

60、t;<p><b>　　4　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 軟件開發(fā)工具</p><p>　　我使用由凌陽公司所提供的開發(fā)工具unSP IDE集成開發(fā)環(huán)境,該開發(fā)環(huán)境包含如下功能：</p><p>　　程序編寫：在開發(fā)環(huán)境里錄入程序。</p><p>　　編譯程序：負(fù)責(zé)把程序翻譯成機(jī)器碼。&l

61、t;/p><p>　　程序下載：把機(jī)器碼下載到仿真板或開發(fā)系統(tǒng)上。</p><p>　　除此之外，還可以組織多個(gè)程序文件形成一個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的項(xiàng)目，這樣更有利于一些大型系統(tǒng)的開發(fā)和各功能模塊的模塊化。同時(shí)它還結(jié)合16位單片機(jī)提供各類存儲(chǔ)器等的數(shù)據(jù)查看，使用戶能隨時(shí)查看程序運(yùn)行過程。unSP IDE集成開發(fā)環(huán)境如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 IDE集成開發(fā)環(huán)

62、境</p><p>　　集成開發(fā)環(huán)境IDE具有友好的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等，使編程、調(diào)試工作方便且高效。除此之外，它還提供一些軟件模擬的功能，旨在沒有硬件的情況下也可以提供用戶完成一些簡單程序調(diào)試。集成開發(fā)環(huán)境可使用C 語言或匯編語言對單片機(jī)進(jìn)行編程。本設(shè)計(jì)采用C語言。</p><p><b>　　4.2軟件流程圖</b></p>

63、<p><b>　　4.2.1 主程序</b></p><p>　　主程序流程，如圖4-2。</p><p>　　圖4-2 主程序流程圖</p><p>　　//===================================================================//主程序部分主要代碼，負(fù)責(zé)初始化，循

64、環(huán)調(diào)用按鍵識別、語音識別子程序</p><p>　　//===================================================================</p><p>　　int main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　int i

65、;</b></p><p>　　for(i=0;i<0x3fff;i++)*P_Watchdog_Clear= 0x0001;</p><p>　　LCDINIT ();//LCD顯示初始化</p><p>　　Key_InitIO();//按鍵初始化</p><p><b>　　whi

66、le (1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　KeyDeal();//按鍵識別子程序</p><p>　　SpeechRec();//語音識別子程序</p><p>　　*P_Watchdog_Clear = 0x0001; </p>

67、<p><b>　　}</b></p><p>　　*P_Watchdog_Clear = 0x0001; </p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　4.2.2 按鍵識別子程序</p><p>　　按鍵識別子程序流程，如圖4-3。</p><p&g

68、t;　　圖4-3 按鍵識別子程序流程圖</p><p>　　//===================================================================</p><p>　　//按鍵識別程序部分主要代碼</p><p>　　//===============================================

69、====================</p><p>　　void KeyDeal(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int t;</p><p>　　t=KeyScan();//全鍵盤掃描</p><p>　　if (

70、t!=0)//若返回非零，則有鍵按下</p><p>　　KeyValue=GetKey(t);//獲取鍵值</p><p>　　if(t!=0)//繼續(xù)判斷按鍵是否處于按下狀態(tài)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　swhitch_key();

71、//按鍵處理</p><p>　　while(KeyScan())//等待按鍵釋放</p><p>　　*P_Watchdog_Clear= 0x0001;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　｝</b></p><p>　　4

72、.2.3 語音識別子程序</p><p>　　語音識別子程序流程，如圖4-4。</p><p>　　圖4-4 語音識別子程序流程圖</p><p>　　//===================================================================</p><p><b>　　//語音識別子

73、程序</b></p><p>　　//===================================================================</p><p>　　int SpeechRec(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　SpeechRe

74、c_Result = BSR_GetResult();//獲得識別結(jié)果</p><p>　　if(SpeechRec_Result>0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　switch(SpeechRec_Result)</p><p><b>　　{</b>

75、</p><p>　　case .......//識別出是第幾條命令</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　.......</b></p><p><b>　　default:</b></p><p>

76、;<b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　SpeechRec_Result = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p&g

77、t;　　4.2.4 操作子程序</p><p>　　操作子程序主要包括兩部分，一部分是鍵盤響應(yīng)，主要處理從鍵盤上獲得的操作命令，響應(yīng)0～9按鍵，出題按鍵、答案按鍵、難度按鍵、確認(rèn)輸入按鍵、運(yùn)算符號按鍵；另一部分是語音識別響應(yīng)，主要處理語音命令，響應(yīng)出題、答案、難度等命令。</p><p><b>　　·出題子程序</b></p><p&g

78、t;　　該子程序主要負(fù)責(zé)生成隨機(jī)數(shù)，并且根據(jù)不同難度取不同位數(shù)，并包含了題目的顯示和播報(bào)，并在內(nèi)部計(jì)算出了正確答案。</p><p>　　//===================================================================</p><p><b>　　//出題子程序</b></p><p>

79、　　//===================================================================</p><p>　　void start(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　clr_result();</p><p><

80、b>　　seed1();</b></p><p>　　srand(seed);</p><p>　　randtemp[0]=rand();//rand()產(chǎn)生0～32767</p><p>　　randtemp[1]=rand();</p><p>　　randnum[0]=randtemp[0]%9000+1

81、000;//取4位隨機(jī)數(shù)（小于10000）</p><p>　　randnum[1]=randtemp[1]%9000+1000; </p><p>　　count1=0; //count1記錄輸入位數(shù)</p><p>　　answer=0; </p><p>　　switch(DifFlag)</p>

82、;<p><b>　　{</b></p><p>　　.......//根據(jù)難度（DifFlag）的不同出題，并播報(bào)聲音</p><p>　　Case 4: //難度4，即三位數(shù)與二位數(shù)的運(yùn)算</p><p><b>　　{</b></p><p>　　FirData=ra

83、ndnum[0]/10;//取3位數(shù)</p><p>　　SecData=randnum[1]/100;//取2位數(shù)</p><p>　　yusuan();//計(jì)算結(jié)果</p><p>　　num1bit[0]=FirData%10;//將兩個(gè)數(shù)各個(gè)位拆分</p><p>　　num1bit[1

84、]=FirData/10%10;</p><p>　　num1bit[2]=FirData/100%10;</p><p>　　num2bit[0]=SecData%10;</p><p>　　num2bit[1]=SecData/10%10;</p><p>　　.......//顯示第一個(gè)數(shù)</p><

85、;p>　　fuhaobit=32;//設(shè)定符號顯示位置</p><p>　　showfuhao();//顯示符號</p><p>　　.......//顯示第二個(gè)數(shù)</p><p>　　LCD501_PutChar(64,20, 61);//顯示等號</p><p>　　show

86、bit=64;//設(shè)定輸入數(shù)字顯示位置</p><p>　　.......//播放百位數(shù)</p><p>　　.......//播放“百”</p><p>　　.......//播放十位數(shù)</p><p>　　.......//十位不為0，播放“十”</p&g

87、t;<p>　　.......//個(gè)位不為0，播放個(gè)位數(shù)</p><p>　　bobaofuhao();//播放符號</p><p>　　PlaySnd_Auto(num2bit[1],3);//播放第二個(gè)數(shù)的十位</p><p>　　PlaySnd_Auto(10,3);//播放“十”</p>

88、<p>　　if(num2bit[0]!=0)PlaySnd_Auto(num2bit[0],3);//播放個(gè)位</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　.......//其他難度</p><p>&

89、lt;b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　該程序中，根據(jù)難度和運(yùn)算符號的不同，系統(tǒng)列出不同位數(shù)的兩個(gè)常數(shù)供用戶計(jì)算，關(guān)系表如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 難度級別與數(shù)字位數(shù)的關(guān)系表</p><p>　　*：表示一位數(shù)字；#：表示運(yùn)算符號<

90、;/p><p><b>　　·播放符號子程序</b></p><p>　　此程序，將運(yùn)算符號用變量waveflag替代，這方法同樣運(yùn)用在計(jì)算答案的程序中，使用變量替代，簡化了出題子程序的流程，否則將不得不在出題程序中運(yùn)用多個(gè)switch將難度和運(yùn)算符號區(qū)分。</p><p>　　//============================

91、=======================================</p><p><b>　　//播報(bào)符號子程序</b></p><p>　　//===================================================================</p><p>　　void bobaofuhao

92、(void)</p><p>　　{switch (waveflag)//顯示符號</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0: PlaySnd_Auto(14,3);break;</p><p>　　case 1: PlaySnd_Auto(15,3);break;</p>

93、<p>　　case 2: PlaySnd_Auto(16,3);break;</p><p>　　case 3: PlaySnd_Auto(17,3);break;</p><p>　　default:break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b

94、></p><p><b>　　5　制作和調(diào)試</b></p><p>　　5.1硬件制作和調(diào)試 </p><p>　　本系統(tǒng)PCB板圖使用Protel 99SE完成。PCB的制作過程比較復(fù)雜，尤其是焊盤、布線等方面需要注意的事項(xiàng)很多，所以制作難度大。布線方面，布線拐角處角度應(yīng)盡可能大于90度，不使用90度以下的拐角，也盡量少用90度拐角

95、，走線盡量走在焊接面，特別是通孔工藝的PCB。同是地址線或者數(shù)據(jù)線，走線長度差異不要太大，否則短線部分要人為走彎線作補(bǔ)償。</p><p>　　完成布線后，緊接著就是對各個(gè)部分存在不合理的地方進(jìn)行一些調(diào)整，然后敷銅。在進(jìn)行PCB制板時(shí)，設(shè)計(jì)的好壞直接影響電路板抗干擾能力的強(qiáng)弱。為了保證實(shí)物板的可靠性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意一般原則：盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。地線應(yīng)該盡量加粗，如果很細(xì)，接地電位就會(huì)隨電流的變

96、化而變化，如此會(huì)致使電子設(shè)備的定時(shí)信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能就會(huì)變壞。在考慮布線之前，要特別注意封裝與實(shí)際相符合。</p><p>　　圖5-1 出題系統(tǒng)的PCB板圖</p><p><b>　　5.2軟件的調(diào)試</b></p><p>　　在實(shí)物制作的時(shí)候，硬件的連接還是算比較簡單的，難點(diǎn)在于軟件的編寫與調(diào)試，而在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過程中，碰到的主

97、要問題是語音識別模塊，以及語音播報(bào)模塊的調(diào)試。</p><p>　　碰到如上所述的難點(diǎn)主要原因在于語音識別模塊本身代碼，直接占用了絕大多數(shù)Flash空間，如此導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)所需的語音資源不能完全存入Flash空間，而產(chǎn)生空間不足的問題。</p><p>　　我首先是采用壓縮語音資源的方式，將資源壓縮到所支持的最小格式，但是由于語音資源數(shù)量較多，就算是文件壓縮到最小，還是無法寫入單片機(jī)。<

98、;/p><p>　　之后我的想法是通過擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，將所有語音資源放入其中，這樣改動(dòng)就能根本性地解決Flash容量不足的問題。這樣改動(dòng)還需要配合外部存儲(chǔ)器模塊，我采用的芯片是SPR4096，其包含512KBFlash。另外，語音播放子程序也得進(jìn)行修改，使其播放外部存儲(chǔ)器內(nèi)的語音資源。</p><p>　　在測試時(shí)還發(fā)現(xiàn)，出題時(shí)第一個(gè)題目總是同一個(gè)，該模塊主要是采用偽隨機(jī)數(shù)實(shí)現(xiàn)，通過查閱資料和

99、老師的幫助，才發(fā)現(xiàn)這種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)就是第一次隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字都是相同的，因此，我的想法是在主程序初始化時(shí)就調(diào)用一次隨機(jī)數(shù)，以保證第二次隨機(jī)數(shù)不相同。</p><p>　　本設(shè)計(jì)包含比較多的模塊，所以編程調(diào)試難度比較大，但是經(jīng)過查閱資料和老師指導(dǎo)，終于還是基本實(shí)現(xiàn)原來預(yù)定的目標(biāo)。</p><p><b>　　6　結(jié)論</b></p><p>　　

100、系統(tǒng)能自動(dòng)數(shù)學(xué)出題，并且根據(jù)用戶定義的不同，可選擇不同運(yùn)算法則和算術(shù)難度，當(dāng)其出題時(shí)會(huì)顯示于LCD上，并且自動(dòng)播報(bào)題目，識別到用戶輸入數(shù)字時(shí)，它也能播報(bào)當(dāng)前輸入的數(shù)字，因此，該系統(tǒng)能夠從聽覺及視覺兩方面幫助兒童進(jìn)行數(shù)學(xué)早教，完成答案輸入后，按下確認(rèn)按鈕，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)將用戶答案與正確答案進(jìn)行比對，播報(bào)聲音。除了上述這些功能，它還有能識別幾個(gè)簡單的語音命令，方便用戶通過語音命令使用系統(tǒng)的一些功能，例如出題、答案、級別等命令。</p&g

101、t;<p>　　不過它也存在一些不足的地方。作為早教類工具，非常重要的一點(diǎn)就是外觀上要滿足兒童，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)并未考慮外觀。界面顯示沒有太多吸引用戶，特別是吸引孩子感興趣的地方，很難滿足大部分兒童的要求。系統(tǒng)基本出題功能也還需進(jìn)一步完善，增加一些練習(xí)及考核的模式，擴(kuò)充系統(tǒng)功能。另外，在語音功能方面可能還需進(jìn)一步改進(jìn)，來加強(qiáng)其實(shí)用性、便利性。另外，在科技日益進(jìn)步的今天，如此單一的出題功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要考慮加入更多主流的功

102、能，如此才能符合時(shí)代要求。</p><p>　　本課題從開始到結(jié)束經(jīng)歷了幾個(gè)月的時(shí)間。在這段時(shí)間，我學(xué)到了很多東西，收獲很大。畢業(yè)設(shè)計(jì)較以往的課程設(shè)計(jì)，難度大了很多，基本上很多知識點(diǎn)都需要重新復(fù)習(xí)，用到了C語言編程、凌陽單片機(jī)等等課程中所學(xué)到的知識。如此經(jīng)歷，讓我從更加綜合、整體的角度對所學(xué)過的知識進(jìn)行了理解。</p><p>　　這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，雖然存在些不足的地方還有待改進(jìn)，但還是基本

103、達(dá)到了導(dǎo)師在任務(wù)書上所提出的要求。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Ziming Qi,Tom Moir.An Adaptive Wiener Filter for Automatic Speech Recognition in a Car Environment with Non-Stationary Noise[C].Sm

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107、>　　[6] 沈平.基于嵌入系統(tǒng)的語音控制器的研制[D].湖北:湖北工業(yè)大學(xué),2006.</p><p>　　[7] 胡賓.嵌入式語音識別技術(shù)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.</p><p>　　[8] 王坤,張文科.基于單片機(jī)與語音芯片的語音系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息,2009,6:177.</p><p>　　[9] 英鋒,馮玉芬.基于SPCE0

108、61A的語音識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,6,24(6-2):121～122.</p><p>　　[10] 劉萌,趙建平,劉秋霞,郝玲艷.基于凌陽SPCE061A的語音識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用,2007,23(6):30～31.</p><p>　　[11] 李曉白,秦紅磊,朱俊杰,潘涌澤.凌陽16位單片機(jī)C語言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006,

109、9.</p><p>　　[12] 王炳錫,屈丹,彭煊.實(shí)用語音識別基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005,1.</p><p>　　[13] 吳黎明等.語音信號及單片機(jī)處理[M].北京:科學(xué)出版社,2007,3.</p><p><b>　　附錄1 系統(tǒng)實(shí)物圖</b></p><p><b>　　附錄2

110、系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　附錄3 畢業(yè)設(shè)計(jì)作品的說明</p><p><b>　　作品名稱</b></p><p>　　基于語音辨識自動(dòng)數(shù)學(xué)出題系統(tǒng)</p><p><b>　　作品功能</b></p><p><b>　　1、數(shù)學(xué)出題&l

111、t;/b></p><p>　　2、即時(shí)顯示并播報(bào)輸入的題目</p><p>　　3、能正確顯示和播報(bào)題目答案</p><p>　　4、具備識別一些語音命令的能力</p><p><b>　　運(yùn)行環(huán)境</b></p><p>　　硬件環(huán)境：SPCE061A</p><p&

112、gt;　　軟件環(huán)境：unSP IDE</p><p><b>　　操作步驟</b></p><p>　　通過鍵盤設(shè)定運(yùn)算法則、難度級別，若未訓(xùn)練語音命令，則會(huì)首先訓(xùn)練。</p><p>　　按下出題按鈕或說出“出題”命令，系統(tǒng)自動(dòng)按照用戶要求出題。</p><p><b>　　鍵盤輸入答案</b>&