1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于语音辨识自动数学出题系统 -系统功能控制 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 单片机技术日渐成熟，由于它体积小，能耗低，性价比高的特点，其应用范围也日渐广泛，诸如生产设备的控制，高 端电子设备处理芯片，日常生活用品的一些简单面板控制等等都与单片机相关。 近年来，随着我国国民素质的不断提高，家长们越来越重视孩子的教育问题。本出题系统适用于少年儿童进行算术训练来提高他们的计算能力。当然，在此基础上，通过丰富出题方式，改进考核模式，激发孩子们的学习积极性，提高他们的反应力及心算的能力。对于孩子们来说，出题器更
2、应该是一个玩具而不是一个加重他们负担的学习工具。因此，它应该具有友好的界面和游戏般的测试模式，让孩子们开开心心地学习。这才是出题器应有的作用。虽然不可能超越高端电子产品，但是至少也能体现 它应有的价值。 本系统能根据用户的不同设置给出不同级别、不同运算法则的算术题，同时进行语音播报，待用户输入答案，并按下确定键之后，系统对答案进行纠错，播报相应的语音，而且系统还提供了显示答案的功能，另外，本系统还集成了语音识别模块，用户可以通过设定相应操作的语音命令，然后通过语音命令来进行部分功能操作。 关键词： SPCE061A 单片机；语音识别；语音播报 Abstract Microprogrammed
3、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, high-end electronics chip, the simple control panel of our daily necessities digital e
4、quipment,etc.They are associated with it. With our national quality enhances unceasingly,parents pay more and more attention to childrens 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 wa
5、y of putting questions, improve the assessment mode,thus to inspire childrens 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, it should have friendly interface， test mode should like game
6、s ,so as to let children learn happily.It should play its due role.Although it is impossible to surpass high-end electronics products, but they can reflect its value at least. According to different sets of users the system can put questions out in different levels and different arithmetic operator,
7、simultaneously speech broadcast.Waiting user to input answers, and press ok button,then system will check the users 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 recognition m
8、odule, user can set the corresponding operation of voice commands. Then use voice commands to partial functional operation. Key Words： SPCE061A MCU;Speech Recognition;Speech broadcast 目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 语音识别与单片机 . - 1 - 1.1.1 语音识别技术 . - 1 - 1.1.2 单片机技术 . - 1 - 1.2 数学出题器的发展概况 . - 2 - 1.3 本文研究的主要内容
9、. - 2 - 2 总体设计 . - 3 - 2.1 数学出题器的主要功能 . - 3 - 2.2 基于不同控制芯片的数学出题器的设计 . - 3 - 2.2.1 基于 DSP 芯片的设计 . - 3 - 2.2.2 基于专业语音芯片的设计 . - 4 - 2.2.3 基于凌阳 16 位单片机芯片的设计 . - 4 - 2.3 各种芯片方案优缺点分析 . - 5 - 2.4 芯片方案选择 . - 6 - 3 硬件设计 . - 7 - 3.1 SPCE061A 芯片结构 . - 7 - 3.2 SPCE061A 外围电路 . - 7 - 3.2.1 晶振电路与复位电路 . - 7 - 3.2.2
10、 语音输出模块 . - 9 - 3.2.3 语音输入模块 . - 10 - 3.3 44 键盘简介 . - 11 - 3.4 显示模块 . - 12 - 3.4.1 LCD1602 液晶简介 . - 12 - 3.4.2 SPG12063YS2 液晶简介 . - 13 - 3.5 外部存储器模块 . - 14 - 4 软件设计 . - 16 - 4.1 软 件开发工具 . - 16 - 4.2 软件流程图 . - 17 - 4.2.1 主程序 . - 17 - 4.2.2 按键识别子程序 . - 18 - 4.2.3 语音识别子程序 . - 19 - 4.2.4 操作子程序 . - 20 -
11、5 制作和调试 . - 24 - 5.1 硬件制作和调试 . - 24 - 5.2 软件的调试 . - 25 - 6 结论 . - 26 - 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . - 27 - 附录 1 系统实物图 . - 28 - 附录 2 系统原理图 . - 29 - 附录 3 毕业设计作品的说明 . - 30 - 1 引言 1.1 语音识别与单片机 1.1.1 语音识别技术 现在，随着科技的不断进步，生活品质的不断提高，人们对于各种技术的要求也在不断增加。这里涉及到很多方面，比如，在很多情况下，不一定很适合用我们的手去控制一台设备，但是普通操作无法让人能同时做两件事，当你专注于一
12、件 事时，另一件就得不到很好的关注，这问题最显著的体现在驾车方面 1。语音识别技术正是解决该问题的最有效的方式。 语音识别技术是一门交叉性的学科，它涉及到多门学科，因此具有一定的难度，简单的说，语音识别技术就是通过微处理器的处理、识别，把语音信号转变成相应的文本或命令的技术。语音的处理和识别过程与人对语音的处理和识别基本上是一致的，如今基于统计模式识别的基本理论是主流的语音识别技术。 以上是语音识别技术的概念。当然，随着技术的不断进步，该技术的作用也不会仅仅只局限与当前的运用，尤其是现代计算机、通信等技术的逐 步融合，传统的通信网络和计算机网络的基础上，语音识别技术定会有更加广泛的应用 2。
13、1.1.2 单片机技术 除了语音识别技术，单片机也是一个这个时代的人们不能缺少的东西。即使你从来没有发现过它的存在，但是你的生活离不开它。各种仪表器件，嵌入式系统控制，机器人控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，车辆的安全保障系统，各种各样的电子产品和玩具等等，这些都需要用到单片机。因为其具有体积小、功耗低、性价比高、使用方便等优点而在各方面的应用中拥有得天独厚的优势。单片机也一直都在进步， 可处理的数据字长也越来越多，处理速度越来越快，功耗也越来越小。因此，基于单片机的系统还是有着一定的开发前景。 本课题采用的是凌阳 16 位 SPCE061A 单片机 3。它
14、除了具有一般微处理器所具备的功能外，还具有很强的 DSP 运算能力，并且它工作电压低的同时，还能以较高的系统工作频率工作，因此能使单片机可以快速处理复杂的数字语音信号。片内集成了具有自动增益控制功能的麦克风输入方式以及 DAC 音频输出功能，只需要通过一些简单的外围电路就能使用，另外，凌阳公司还提供强大的集成开发环境，其本身包含丰富的 C 函数库和语音处理 函数库，因此非常适合数字语音和语音识别产品的开发。 1.2 数学出题器 的发展 概况 数学出题器本身并不是一个新生的事物，常应用于少年儿童的早教和基础算术学习提高方面。对少年儿童而言，它是学习工具，也是一个玩具，他们能从答题中温习知识，锻炼
15、大脑的反应速度，最重要的是能从答题中得到信心和快乐，属于一种寓教于乐的教学方式，因为有乐趣，儿童会更加愿意主动去使用它，在快乐中学习。 所以，数学出题器的发展应从出题方式，系统附加功能，优化界面和外观等方面努力，从而提高其趣味性。数学出题器更应该是一个玩具而不是一个加重他们负担 的学习工具，它应该具有友好的界面和游戏般的测试模式，让孩子们开开心心地学习，这才是它应有的作用。虽然不可能超越高端电子产品，但是至少要体现它应有的价值。 1.3 本文研究的主要内容 本文主要研究的是基于语音辨识自动数学出题系统，它是一个基于 16 位凌阳单片机的自动算术出题器，并且能通过语音命令对系统进行操作 45。本
16、系统主要有以下模块：单片机控制模块、键盘模块、显示模块、语音播放模块、语音识别模块。 本系统的主要功能：用户通过按出题键或使用相应的语音命令，系统自动更具用户先前的设定出题，并进行语音播报，然 后用户可以通过数字键输入答案，也可使用答案键或相应语音命令直接获取答案，亦可按确定按钮进行答案校对。 2 总体设计 2.1 数学出题器 的 主要功能 该数学出题器主要是具备适合儿童使用的自动出题功能，该出题功能拥有多个级别，不同运算法则两个出题规则，也可进行题目的语音播报，显示答案，校对答案，删除已输入内容等功能，如若时间充裕，还可添加其他功能，以丰富系统。此外，该出题器能根据语音识别出题，调整难度，调
17、整预算法则，显示答案等。 2.2 基于不同控制芯片 的 数学出题器 的设计 2.2.1 基于 DSP 芯片的设计 数字信号处理芯片（ DSP）是一种能进行实时处理数字信号的微处理器件，它具有体积小，速度快，功耗低，稳定性好，精度高，可嵌入性等优点，它可以满足实时的识别和处理语音信号 6，框图如图 2-1。 A D CD S P 芯 片F L A S H S D R A M语 音 输 入键 盘 模 块显 示 模 块语 音 播 放图 2-1 基于 DSP 芯片的系统总体框图 语音模块工作是语音信号通过 ADC 得到数字信号，然后送入 DPS 芯片，芯片将其与 FLASH 内存放的训练样本进行比对，
18、得出结果，执行相应的操作。 SDRAM用于程序的执行和数据暂存。其他模块工作是按键盘输入指令给 DSP 芯片， DSP芯片根据用户需求出题，在显示端显示相应的 结果，语音模块可以代替部分键盘操作。 2.2.2 基于专业语音芯片的设计 RSC-4x 系列是新一代嵌入是语音识别处理器集成电路，其特点为外围电路简单，集成度高，功耗低，无掉电分险，使用方便等优点。由 RSC-4x 系列芯片以及少量的元器件作为外部电路即可构成完整的语音识别系统 7，如图 2-2。 R S C - 4 X 及 外 围 电 路数 据 存 储 器 程 序 存 储 器语 音 输 入 语 音 输 出R S C - 4 X 及 外
19、 围 电 路单 片 机显 示 模 块 键 盘 模 块图 2-2 基于语音芯片的系统总体框图 RSC-4x 系列芯片支持 SENSORY 7.0 语音识别技术，该技术是该系列芯片硬件电路得到了充分利用，其硬件包括一个带双向直接处理器的向量处理器、 10位 DA 转换器、 16 位 AD 转换器、主晶振锁相环、带自动增益控制的麦克风前置放大器、低电池干扰的 PWM 扬声器驱动电路、两个独立的计时器加单独的看门狗电路、 4 个比较器输入及 24 个 I/O 口。其识别微处理器内嵌入一套先进的精确识别算术算法，增强了识别率。外部存储器总线为 20 位地址线和 8 位数据线，具有强大的外部拓展能力，也无
20、需通过 ROM 来保证代码的安全，还提高了识别速率，降低了干扰 8。 2.2.3 基于凌阳 16 位单片机芯片的设计 凌阳 16 位单片机芯片是有凌阳科技公司生成的一款极具性价比的芯片，它属于系统级芯片，而且用户使用方便，外围电路简 单，很容易就能实现语音信号的输入和输出功能，尤其是在语音识别方面，它有现成的函数可以直接调用 9。另外其 CPU 最高时钟可达 49 MHz，速度之快，可想而知。另外，该款芯片还具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、中断处理能力强等特点，能够很方便地完成普通单片机的功能，尤其适应于数字语音拨报和识别等应用领域，是数字语音识别与语音信号处理的理想产品。 基
21、于凌阳 16位单片机的系统总体框图如下图 2-3。该系统主要是由 SPCE061A单片机及必要的外部电路，语音识别模块，显示模块，语音输出模块组成，外围电路 比较简单。 S P C E 0 6 1 A显 示 模 块键 盘 模 块语 音 识 别 模 块 语 音 输 出 模 块外 部 存 储 器图 2-3 基于凌阳单片机的系统总体框图 2.3 各种芯片方案优缺点分析 基于 DSP 芯片设计： 优点： 运算速度快，集成度高，稳定性好，精度高，具可编程性 ,可嵌入性； 缺点： 价格较一般单片机贵，高频时钟会产生高频干扰，功率消耗较大，DSP 技术更新过快，开发和调试工具不尽完善。 基于专业语音芯片设计： 优点： 价格便宜，集成度高，功耗低，外围电路简单，无掉电分险，使用方便； 缺点： 作为批量生产的产品芯片，软件维护难度比较大。 基于凌阳 16 位单片机芯片的设计： 优点： 体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、中断处理能力强，具备强大的内置库函数，编程便捷，价格便宜，善于处理语音信号； 缺点： 扩展性比较一般。 2.4 芯片方案选择 由于凌阳 16 位单片机具有强大的语音处理能力和丰富的库函数，并且有大量的例程，如此能极大的减少系统实现的难度，所以本系统选用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 作为系统控制芯片。
