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正文內(nèi)容

基于avr單片機(jī)的自動語音歡迎系統(tǒng)-本科畢業(yè)論文-在線瀏覽

2024-07-31 15:36本頁面
  

【正文】 ,經(jīng)過 熱釋電紅外線傳感信號處理器對信號進(jìn)行兩次放大,產(chǎn)生對 AVR 單片機(jī)的觸發(fā)信號,使 AVR 單片機(jī)產(chǎn)生中斷,控制 ISD1400 語音芯片實(shí)現(xiàn)語音回放。近年來,西方發(fā)達(dá)國家運(yùn)用電子技術(shù)研制出各類,廣泛 歡迎系統(tǒng), 用于家庭,辦公室 和工廠,成為有效的 歡迎器 件。 適 合在 家庭、賓館、商店、倉庫、辦公室及其它機(jī)關(guān)部門 等 使用 的 新穎感應(yīng) 歡 迎器 [5]。 近年來 歡迎系統(tǒng) 有 光感應(yīng)式 ,它 原理是: 利用人體反射光線,光敏電阻得到足夠大變化的光線, 使 電路產(chǎn)生變化電流觸發(fā)電路, 其 靈敏度跟物體反射率有關(guān) 。 目前 熱釋電 紅外 傳感器 是應(yīng)用在歡迎系統(tǒng)中最普遍的 ,在傳感器頂端開設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口,這個(gè)濾光片可通過光的波長范圍為 7~10um,正好適合于人體紅外輻射的探測,而對其它波長的紅外線由 濾光片予以吸收,這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器 。 這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外,還能將燈光、陽光和其它長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 紅外輻射拒之門外,它已迅速成為 現(xiàn)代歡迎系統(tǒng) 的主流。而在應(yīng)用市場上,它將朝更細(xì)化的方向前進(jìn) ── 針對不同市場,推出不同產(chǎn)品。而除 了 商店,家庭,辦公室等,室外應(yīng)用更是具有廣闊的拓展空間 本文主要內(nèi)容 自動歡迎系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)主要是 通 過探測人體的紅外信號經(jīng)熱釋電紅外傳感器處理,處理后的信號送到主控模塊單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)觸發(fā)信號控制語音模塊的語音播放。優(yōu)化硬件控制意味著在機(jī)器級指令集中提供了方便簡捷的指令,使控制 I/O設(shè)備變的更 簡單,容易。片內(nèi)集成了晶體振蕩器、麥克前置放大器、自動增益控制等,只要很少的外圍器件,就可以構(gòu)成一個(gè)完整聲音錄放系統(tǒng)。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 自動語音歡迎 系統(tǒng) 主要 由 探測 模塊, 控制模塊 ,語音模塊 ,供電模塊 等四 部分組成, 探測模塊只要有 通過菲涅耳透鏡 和熱釋電 傳感器 完成,實(shí)現(xiàn)對人體紅外的探測同時(shí)執(zhí)行光電信號轉(zhuǎn)換和信號放大,處理后的信號觸發(fā)以 AVR 控制 模塊,這時(shí) AVR 單片機(jī) 會產(chǎn)生中斷,根據(jù)相應(yīng)中斷 控制語音模塊的語音 , 進(jìn)行門內(nèi)或門外語音回放。4kbytes 程序存儲器 (ROM) (52 為 8K), 256bytes 的數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) ( 52 有 384bytes 的 RAM,32 條 I/O 口線 雙列直插 40PinDIP 封裝 , 單一 +5V 電源供電 , CPU:由運(yùn)算和控制邏輯組成,同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器 ; RAM:用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù),如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及 要 顯示的數(shù)據(jù); ROM:用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格; I/O 口:四個(gè) 8 位并行 I/O 口,既可用作輸入,也可用作輸出; T/C: 兩個(gè)定時(shí) /記數(shù)器,既可以工作在定時(shí)模式,也 可以工作在記數(shù)模式;五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng);一個(gè)全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行 I/O 口,用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信;片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路,石英晶體和微調(diào)電容需要外接。 方案二:采用 ATmega16 單片機(jī) ,其特點(diǎn)為, 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力,即 RWW), 512 字節(jié) EEPROM, 1K 字節(jié) SRAM,32 個(gè)通用 I/O 口線, 32 個(gè)通用工作寄存器,用于邊界掃描的 JTAG 接口,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,三個(gè)具有比較模式的靈活的 定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷,可編程串行 USART,有起始條件檢測器的通用串行接口, 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP 封裝 ) 的 ADC ,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 ,一個(gè) SPI 串行端口,以及六個(gè)可以通過 軟件 進(jìn)行選擇的省電模式 。項(xiàng)目規(guī)模、對效率的要求以及成本問題很大程度上決定了對單片機(jī)類型的選用??梢娖胀ǖ?51系列單片機(jī)因?yàn)橘Y源缺乏而無法滿足設(shè)計(jì)要求。 DSP系列往往注重?cái)?shù)字信號的處理也不適合。所以選擇由ATMEL公司制作 AVR系列芯片中的 ATmega16作為本次設(shè)計(jì)的處理單元。 ISD2500 系列具有抗斷電、音質(zhì)好,使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 方案二 :選用 ISD1400。采用 CMOS 工藝,內(nèi)部包含片上時(shí)鐘,麥克前置放大器,自動增益控制,帶通濾波器,平滑濾波器和功率放大器。取樣的語音直接存儲到片內(nèi)的不揮發(fā)存儲器內(nèi)部, 不需要數(shù)字化和壓縮的其它手段。 考慮 語音芯片由于主要應(yīng)用到服務(wù)領(lǐng)域,由于酒店,賓館等高級場所需要有高質(zhì)量的服務(wù),所以,要求能回放出度清晰度的語音,所以在語音芯片的選用方案二, 選擇采樣率高的語音芯片。選用該芯片語音回放的效果很好。在利用信息的過程中,首 先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息,而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。 光感門鈴是利用人體反射光線,光敏 電阻得到足夠大變化的光線,電路產(chǎn)生變化電流觸發(fā)電路,靈敏度跟物體反射率有關(guān)。具有檢測速度快,靈敏度高環(huán)境能力強(qiáng)。 光電式傳感器是以光電器件作為 轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn),因此在工業(yè)自動化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。 考慮到本設(shè)計(jì)是自動語音歡迎系統(tǒng),對原本設(shè)計(jì)最基本的要求是對人的歡迎和諸多方面所以選擇熱釋電紅外傳感器。 此傳感器具有 不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源 ; 靈敏度高、控制范圍大 ; 隱蔽性好,可流動安裝 等特點(diǎn) 。 工作模式 工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作,而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作;掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩,所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作;在省電模式下,異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行,允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),而其余功能模塊處于休眠狀態(tài); ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU 和除了異步定時(shí)器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作,以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲; Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行,其余功能模塊處于休眠狀態(tài),使得器件只消耗極少的電流,同時(shí)具有 快速啟動 快速啟 動 能力;擴(kuò)展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口,具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。 端口 B 為 8 位雙向 I/O 口,具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口,具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。 如果 JTAG 接口使能,即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性,可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位過程中,即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振,端口 D 處于高阻狀態(tài)。 AVCC 是端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 Vcc連接。 XTAL2 是反向振蕩放大器的輸出端。 AVR 單片機(jī)的復(fù)位和中斷處理 ATmega16 具有 20 個(gè)中斷源和一個(gè)復(fù)位中斷,單片機(jī)的中斷源分為外部中斷源和內(nèi)部中斷源,有三個(gè)外部中斷源有 INT0,INT1,INT2,當(dāng)連接在單片機(jī)引腳的上的外部電平發(fā)生變化時(shí),將產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。按是否可屏蔽可分為,非屏蔽中斷,和可屏蔽中斷,非屏蔽中斷有系統(tǒng)復(fù)位( reset)中斷, 可屏蔽中斷:屏蔽指的的是中斷可由軟件編程控制是否允許中斷,或禁止中斷,大部分都是可屏蔽中斷。外部中斷可 選擇采用上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)和 低電平觸發(fā) (INT2 中斷只能采用沿觸 發(fā)方式,在下文中將著重介紹 INT0 和 INT1 中斷 ),具體選用什么方式由 MCU 控制寄存器MCUCR 以及 MCU 控制和狀態(tài)寄存器 MCUCSR 的設(shè)置決定。其作用分別是: 3 個(gè)外部中斷中斷標(biāo)志位, 3 個(gè)中斷允許控制位 , 用于定義外部中斷的觸發(fā)類型。 ( 2)控制和狀態(tài)寄存器 ——MCUCSR 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 ( 3)通用中斷控制寄存器 ——GICR ( 4)通用中斷標(biāo)志寄存器 ——GIFR 當(dāng) INTx 引腳上的有效事件滿足中斷觸發(fā)條件后, INTFx 位會變成 “ 1” 。 用戶可以使 用指令將 INTFn 清除,清除的方式是寫邏輯 “ 1” 到 INTFn,將標(biāo)志清零。在低電平觸發(fā)方式時(shí),中斷請求將一直保持到引腳上的低電平消失為止 。 DDxn 位于 DDRx 寄存器, PORTxn 位于 PORTx 寄存器 , PINxn 位于 PINx 寄存器。 DDxn 為 1“ 時(shí) , Pxn 配置為輸出,否則配置為輸入。如果需要關(guān)閉這個(gè)上拉電阻,可以將 PORTxn 清零,或者將這個(gè)引腳配置為輸出。 當(dāng)引腳配置為輸出時(shí),若 PORTxn 為 1“,引腳輸出高電平 (1“ ) ,否則輸出低電平 (“ 0―) 。通常,上拉電阻使能是完全可以接受的,因?yàn)楦咦璀h(huán)境不在意是強(qiáng)高電平輸出還是上拉輸出。 端口引腳配置 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 表 2 端口引腳配置 DDxn PORTxn PUD I/O 上拉電阻 說明 0 0 X Input NO 高阻太( HiZ) 0 1 0 Input YES 被外部拉低時(shí)將輸出電流 0 1 1 Input NO 高阻太( HiZ) 1 0 X Output NO 輸出低電平(吸收電流) 1 1 X Output NO 輸出高電平(輸出電流) 熱釋電傳感器介紹 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡多是由 聚烯烴 材料注壓而成的薄片,鏡片表面一面為光面,另一面刻錄了由小到大的同心 圓。菲涅爾透鏡作用有兩個(gè):一是聚焦作用;二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在 PIR(被動紅外線探測器)上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。 另外一種理解就是,透鏡連續(xù)表面部分 ―坍陷 ‖到一個(gè)平面上。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同,但都將光線集中一處,形成中心焦點(diǎn),也就是透鏡的焦點(diǎn)。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。 熱釋電傳感器是一個(gè)以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。熱電探測器件大致分為溫差電阻型,熱敏電阻型,氣動型和熱釋電型四類。自然狀態(tài)下,在某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心不對稱,在某個(gè)方向上存在著一定的變化電荷,稱為自發(fā)極化。 熱釋電紅外線傳感器利用的是熱釋電效應(yīng),是一種溫度敏感傳感器。 熱釋電傳感器是一種高阻抗 (10 ~ l0 Q)的器件,容易引入噪聲,所以與它相連的前置放大器的第一級必須采用高輸人阻抗 (R 10 n)、低噪聲的場效應(yīng)晶體管,并把它封裝在熱釋電探測器管殼內(nèi)。 人體都有恒定的體溫,一般在 37176。紅外線通過菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件,并且只允許 814um波長的紅外線通過,其視角可以達(dá)到 120 度,這樣去除了環(huán)境因素帶來的影響,這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會失去電荷平衡,向外釋放電荷,后經(jīng)檢測處理。長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 熱釋電紅外傳感器通常采用 3 引腳金屬封裝,各引腳功能分別為 :電源供電端 (內(nèi)部開關(guān)管 D 極, DRAIN)、信號輸出端 (開關(guān)管 S 極, SOURCE)、接地端(GROUND)。 ② 工作波長 :通常為 ~ 14 μ m。 ④ 輸出信號電壓 :通常大于 。 ; ⑦ 工作溫度范圍 :- 10℃ ~+40℃ 。人體溫度和探測區(qū)域背景的溫差越大,離傳感器越近,輸出電信號的幅值將越大。 對于雙敏感元傳感器,標(biāo) 準(zhǔn)尺寸為 2( mm) *1( mm),人體移動速度范圍為 ( m/s)~ 5( m/s),常用探測器上使用的菲涅爾透鏡焦距為 25( mm),我們可計(jì)算出傳感器輸出信號的頻率范圍為 ~ 8Hz[24]。 其缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源及射頻輻射的干擾;被動紅外穿透力差,人體的紅外輻射容易被遮擋,不易被探頭接收;當(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí),探測和靈敏度下降,有時(shí)還會短時(shí)失靈 [8]。熱釋電的 1腳連接到芯片的 8 交及電源端,熱釋電的信號出去端 2 腳送至 14 腳, 3 腳接地之后就由 0T0001進(jìn)行一系列相應(yīng)處理。它和 BISS0001 芯片完全兼容,它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。 OT0001 芯片 特點(diǎn) CMOS 工藝 數(shù)模混合 具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器 內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾 內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器 采用 16 腳 DIP 封裝 OT0001 引腳 圖 332 OT0001 引腳圖 內(nèi)部框圖 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 圖 333 0T001 內(nèi)部框圖 工作原理 OT0001 是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?;旌蠈S眉呻娐贰H缓篑詈辖o運(yùn)算放大器 OP2,再進(jìn)行第二級放大,同時(shí)將直流電位抬高為 VM(≈)后,將輸出信號 V2 送到由
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