实验题目：基于 51 单片机的语音播报系统设计与实现

1. 课程简要信息

实验项目是为电子信息科学与技术专业二年级本科生开设的专业基础课程《数字系统与单片机》（限选，3 学分，16 学时理论 32 学时实验）中的综合实训题目，立足于培养学生的综合设计能力、工程实践能力和创新能力。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

1）结合某项具体应用（例如火警监测、空气环境监测、公交车报站等）实现基于 51单片机的语音播报系统；

2）语音播报时长不小于 60S或语音片段种类不小于 8种；

3） 播放语音清晰响亮，声音大小可以自动或手动调节,8 欧扬声器上输出功率大于 0.5W；

4）进一步扩展系统功能，例如加入屏幕显示等。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）明确具体应用场景，完成系统前端输入信息采集电路的选型和设计；

2）尽可能多的查找满足实验要求的语音播放芯片，注意其工作电压、存储时间长度和采样率、微控制器接口类型、音频输出方式和输出功率等关键的指标和参数；

3）选择语音播放芯片，并根据语音芯片输出信号特点设计后级音量调节及输出电路；

4）考虑在现有功能基础上进一步扩展或完善系统功能；

5）整合系统功能，选择元器件型号和封装，合理分配 IO口资源，完成系统框图和原理图设计；

6）仔细核查原理图设计，尽可能验证设计的正确性后画出板子的PCB，注重布局布线、敷铜的规范和合理性等事项。

7）购买元器件并通过送出去打样或自行热转印方式完成系统PCB制作、焊接和装配；

8）自行录制或语音合成声音文件，并正确烧录到语音播放芯片中；

9）完成整个系统的软件设计、软硬联调，测试完成系统总体功能；

10） 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用单片机和数字、模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用传感器及检测技术、语音芯片控制及播放、音频信号放大、EDA 设计软件使用等相关知识与技术方法。并涉及语音信号合成和烧录、逻辑分析仪的使用、PCB 打样和热转印制板等工程概念与方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解现代语音合成和播放技术，实现功能的多样性及可选择性激发学生学习和动手兴趣；引导学生将所学单片机、数电和模电知识融合起来，根据系统需求完成功能框图设计、器件选型、原理图和 pcb 设计、焊接和软硬件调试，并通过测试与分析对项目方案作出技术评价。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历调查研究、方案论证、系统设计、实现调试、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 调查目前市场上主流的语音播放芯片，了解其主要性能参数、微控制器接口方式，音频信号输出方式等，如何结合实验要求，选择合适的芯片。
2） 不同语音播放芯片的存储时间和采样率、微控制器接口方式及工作模式、输出方式和驱动能力等都存在一定的差异，需仔细阅读芯片的使用手册，参考范例电路，结合系统需求完成语音播放模块电路设计。
3） 实验要求语音播报清晰响亮、音量可自动调节，因此需考虑音频信号的输出设备，例如蜂鸣器或者扬声器；需结合音频信号的输出方式，设计出音量可以调节的电路，例如利用可编程增益放大器、数控电位器或者模拟开关等来实现输出音频功率控制。
4） 单片机的内部资源有限，如何利用其内部现有资源，合理分配IO 口资源，也是必须认真思考的问题。
5） 在利用 EDA 软件完成设计的时候，需注意原理图和 PCB 绘制的规范性，合理性及科学性，PCB打样及热转印制板重点注意事项的讲解。
6） 语音文件的录制或合成、语音文件的烧录都有一定的流程和注意事项，要求学生参考相关文档说明正确完成上述工作。
7） 软件程序的编写，特别是语音播放模块控制程序的编写，需要学生利用 USB 接口逻辑分析仪帮助分析和调试。
8） 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性和合理性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求，元器件的选型；在调试中，要注意逻辑分析仪等仪表的使用；在总结交流中，要注意系统性能和成本的平衡性。

7. 实验原理及方案

1）系统结构

2） 实现方案

首先，根据具体应用场合选择合适的传感器采集前端输入信号。例如，监测烟雾浓度可以用 MQ2传感器；监测温度或湿度可以用 DS18B20、DHT11，SHT10/11 等；监测用户输入可以用独立按键或矩阵键盘等。

其次，作为系统核心部分的语音播放模块可以选择ISD1700系列或者PM66系列语音播放芯片等，两款芯片都支持 2 种微处理器控制方式（串行和并行）、2 种信号输出方式（PWM 方式和 DAC 方式）；但相同价位和采样率条件下，PM66系列语音存储时间长；ISD1700系列采样率由外部振荡电阻控制，输出音量大小可以通过程序调节；PM66系列采样率由软件设定，输出音量大小固定。

输出音量大小的自动调节可以直接通过选择 ISD1700 系列芯片编程控制，但输出音量范围较小受语音芯片限制；也可以通过音量调节模块对输出音量大小进行自动调节，输出音量大小范围可控，但需要额外器件，例如可编程增益放大器、数控电位器或者模拟开关和音频放大器等。

音频输出设备可以选择扬声器或蜂鸣器，但扬声器音质较好，声音清晰响亮，推荐使用扬声器。此时需注意扬声器输入阻抗和额定功率的选择。

语音文件可以自己录音也可以通过语音软件合成，在烧录的时候一定要注意操作的正确性。

最后，在硬件调试和软件联调的过程中需注意调试工具的使用，例如示波器、万用表，逻辑分析仪等来提高调试效率。

8. 教学实施进程

教学实施进程包括课内 16 学时，课后 8 学时分为以下 7 个环节：

1）任务分析：在教师讲解课题任务书的基础上，学生需仔细研读下达的设计制作任务书，明确设计任务目标，理清设计思路。
2）方案选择：学生需结合具体应用选择系统方案，例如前端输入模块方案的选择、特别是语音播放模块方案的选择等。
3）硬件设计：学生需根据设计好的系统框图及方案，通过查阅相关资料完成硬件电路的设计。
4）硬件制作：学生需利用 Altium designer 等 pcb 设计软件，完成 pcb 设计，并通过热转印或打样的方式完成 pcb 制作，并焊接装配调试。在这个流程，需强调 PCB制作的规范性和工程性。
5）语音烧录：学生通过相应语音烧录器和软件完成语音文件的烧录，需注意满足课题制作任务的相关要求。
6） 软硬联调：学生对作品做最终的综合调试，使其满足设计功能和指标，在过程中需注重调试的方法和步骤，以提高效率和成功率。

7）验收交流：学生需在规定时间内携带作品及按规范格式书写的课题制作报告参与验收答辩，并做交流和互评。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 系统框图设计
4） 元器件选型
5） 电路设计与参数选择
6） 电路制作过程
7） 焊接调试（故障排除）
8） 软件编程
9） 实验结果总结
10) 附录（总体电路图、元器件清单）

10.考核要求与方法（限 300 字）

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度,完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 工具使用：在软硬件调试过程中辅助工具的使用能力。
5） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：项目内容的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。