单片机语音交互电子钟设计与实现（ATmega16示例）

实验题目：单片机语音交互电子钟设计与实现（ATmega16示例）

1. 课程简要信息

课程名称：电子产品设计制作

课程学时：40学时

项目学时：课内40学时，课外8学时

适用专业：物联网工程、机械电子工程

学生年级：本科三年级第二学期

2. 实验内容、任务及要求

本实验基于Atmel Studio开发环境，设计一款时间可调的电子钟，并在ATmega16单片机开发板上实现。实验结合语音识别芯片US516P6，实现语音交互功能。实验内容涵盖电路原理设计、电路仿真、电路板焊接、软件设计及系统调试等全过程。使学生能够全面、系统地运用所学的嵌入式与电子类知识，最终完成一个合格的作品。通过本实验，学生将实现从先修课程《电路》《模拟电子技术基础》《单片机原理与应用》等的理论知识到工程实践能力的进阶提升。

**1）**初阶任务要求（课内24学时）

初阶任务针对所有学生。

（1）掌握单片机实验背景知识，包括Atmel单片机内部结构及I/O、中断、定时器/计数器等，以及时钟芯片DS1302和语音识别芯片US516P6的结构和特性等。

（2）掌握单片机硬件设计方法。通过Altium Designer软件，设计基于ATmega16核心芯片、DS1302时钟芯片及US516P6语音识别芯片的硬件系统，完成电路板的设计与焊接，并进行接口、电源等基本功能测试。

（3）掌握单片机软件设计方法。基于Atmel Studio开发环境，编写寄存器初始化、数码管动态显示、按键控制与消抖等代码，通过Proteus进行仿真调试。

（4）掌握单片机系统级设计方法。结合中断、定时器等，在ATmega16开发板上实现时间显示及时间调整等功能。

**2）**高阶任务要求（课内16学时）

在完成初阶任务的基础上，设置以下高阶任务，加深学生对相关知识的理解和掌握，提高学生的自主探究能力。

（1）深入理解单片机计时工作原理，编写DS1302时钟芯片的控制程序，实现精确计时和掉电走时功能，并引导学生注重程序实现方法的多样性。

（2）深入理解语音识别芯片US516P6的工作原理与配置，通过AI芯片开发平台创建并完善产品，实现语音交互功能。

3）工程实践应用（课外8学时）

在完成上述要求的基础上，引入工程案例讲解——智能家居系统中语音交互电子钟的设计制作。

1. 深入分析市场上语音交互电子钟的外形与功能现状，挖掘潜在需求与创新点，完成作品外形及功能设计的需求分析，并制定创新性设计方案，进一步优化语音交互电子钟的外观造型与功能体验。

2. 融合3D打印、激光加工等现代技术与掐丝珐琅、刺绣等非遗技艺进行外观设计，通过声音克隆、AI配音完成功能优化，实现个性化电子钟的制作，打造兼具科技感与传统工艺之美的电子产品。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

图3-1 市场上售卖的语音交互电子钟

本实验以智能家居系统的快速发展为契机，以ATmega16为例，设计并制作一款单片机语音交互电子钟，其主要结构包括：时钟信号，功能设置按键，数值调整按键，7段4位数码管，LED，核心处理芯片，时钟芯片，语音识别芯片等。实验内容涵盖单片机、时钟、电源等硬件电路设计，以及基于C语言的软件程序开发。同时，涉及Altium Designer、Proteus、Atmel Studio等开发软件的设计、仿真、调试及万用表、电烙铁等工具的使用。

4. 实验环境条件

实验条件：

电路板设计软件：Altium Designer Winter 09 （图4-1）

色环电阻阻值在线计算器 （图4-2）

单片机仿真软件：Proteus 8.8 （图4-3）

程序编译调试软件：Atmel Studio 7.0 （图4-4）

单片机编程下载器：PROGISP 1.72（图4-5）

自主设计的ATmega16开发板 （图4-6）

图4-1 Altium Designer Winter 09硬件设计 图4-2 色环电阻阻值在线计算器

图4-3 Proteus 8.8仿真调试 图4-4 Atmel Studio 7.0软件开发

图4-5 PROGISP单片机编程下载器 图4-6 自主设计的ATmega16开发板

实验环境：

线下：共300㎡的两间编程实验室和一间焊接实验室；

线上：智慧树SPOC课，雨课堂AI课等。

图4-7 编程实验室1 图4-8 编程实验室2 图4-9 焊接实验室

图4-10 智慧树SPOC课程 图4-11 雨课堂AI课

5. 教学目标与目的（限 150 字）

1）知识目标

通过实验基础知识、硬件设计、软件设计及工具使用4个部分，构建完整的知识体系，使学生掌握电子产品系统化设计的一般方法。

2）能力目标

通过初阶、高阶及工程应用3个层次8个任务，提高学生软硬件设计、调试与实现能力，进一步提升学生实验技能，掌握技术方法，增强实践能力。

3）素质目标

通过与学科竞赛、思政元素的结合，增强学生的家国情怀，激发创新思维，培养工匠精神和团队协作能力。从而实现总体目标——提升学生的实践创新能力。

图5-1 实验教学目标

6. 教学设计与实施进程

6.1学情分析

如图6-1所示，学情分析分为3个阶段：

（1）专业核心能力培养期（本科一年级）

通过对先修课程《C语言》和《电路》的成绩分析，发现学生的理论基础较好，了解数码管等常用元件的工作原理，具备基本的编程能力，但仍存在成绩的两极分化。

（2）实践能力强化期（本科二年级）

通过对先修课程《嵌入式系统综合设计》的成绩和学生参与创新活动的情况分析，发现学生的实践能力较强，创新能力待加强。

（3）视野拓展期（本科三年级）

通过对学生感兴趣方向和设计基础的调查，发现学生对智能产品领域兴趣浓厚，有一定的设计应用基础但产品开发基础欠缺。

图6-1学情分析的3个阶段

本实验的初阶与高阶任务是完成ATmega16开发板的设计制作，并通过编程实现时间显示、时间调整、精确计时、掉电走时和语音交互功能。通过学生的自主学习和适当指导，绝大多数同学能够顺利完成实验任务。

对于工程实践应用部分，鉴于课内学时有限，部分同学可能无法在实验课内完成。为此，提供以下备选方案：①对于有意愿进一步优化和完善作品的同学，可在课后继续完成实验，实验室全天开放，并提供平均8学时的线下集中答疑或线上钉钉会议辅导；②对于对优化完善作品缺乏兴趣的同学，不做强制要求，但需接受相应的实验成绩评定。

6.2设计思路

本实验采用项目驱动、问题导向的教学模式，将先修课程《电路》《模拟电子技术基础》《单片机原理与应用》中的核心知识点（如中断、定时器/计数器、串口通信等）与单片机应用系统设计、C语言程序开发等实践环节深度融合，构建完整的知识体系和开发流程。涵盖硬件设计与编程实现，最终得到一个真正可用的语音交互电子钟，其具体设计思路如下：

（1）项目需求牵引

以智能家居系统中，语音交互电子钟的设计制作为牵引，明确设计任务划分，结合任务要求梳理相关理论知识点，并基于知识点设计实验。构建“项目—任务—实验—达成”四维闭环项目体系，以及“初阶任务、高阶任务、工程应用”3个层次的任务要求，实现工程项目与教学的深度融合。

**（2）**问题导向培养

通过情境式教学法，在理论学习及实践环节重点关注问题设置和方法引导，提高学生解决问题的能力，激发探索精神，增强创新意识。以语音识别芯片为例，引导学生探究其工作原理和特性，并结合单片机系统基础知识，完成语音交互功能的设计与实现。

（3）学科交叉融合

通过实验设计，将先修课程（如电路、模拟电子技术基础、单片机原理与应用等）中的相关知识点（如三极管放大电路、单片机休眠电路等）与本实验的知识点（如中断、定时器/计数器及按键、串口的使用方法等）深度融合，帮助学生深入理解知识点的内在联系，实现学科交叉融合。

在工程实践环节，鼓励学生结合3D打印、激光加工等现代技术制作电子钟外壳，并融入刺绣、掐丝珐琅等非遗技艺设计个性化面板，通过声音克隆、AI配音完成功能优化，打造兼具科技感与传统工艺之美的电子产品。通过机电学科交叉与非遗文化融合，激发学生的创新精神和自主探究能力。

**（4）**虚实结合创新

通过融合理论教学与实践操作、虚拟仿真与实体搭建、硬件设计与软件开发，创新实验项目体系和教学方法，为学生打造多元化的实践学习体验。

6.3实施进程

以学生为中心、创新为目标，从课前“引”、课中“践”，课后“思”3个板块6个步骤完成教学进程的实施。

图6-2 实验教学设计

表6-1 实验教学实施进程

6.4课程思政设计

（1）华为麒麟芯片突破美国制裁

华为突破美国制裁，通过全产业链技术研发，于2023年成功推出麒麟9000S芯片，标志着中国半导体产业在自主创新上的重大突破。并于2025年推出了首款PC级处理器麒麟X90，获得中国信息安全评测中心Ⅱ级安全可靠认证，表明很快将实现PC处理器自由，为国产芯片的自主化进程注入新的动力。通过此案例，培养学生的民族自豪感，增强爱国情怀，引导学生树立科技报国的理想。

图6-3 课程思政素材1——华为麒麟芯片

（2）神舟十六号载人飞船精确时间发射

2023年5月30日9时31分，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。飞船的精确时间发射离不开计时芯片的作用。通过此案例，学生能够深刻理解精确计时在实际应用中的重要性，激发其对时钟芯片的工作原理及编程方法的学习热情。

图6-4 课程思政素材2——神舟十六号载人飞船发射

（3）“大国工匠”李万君和顾春燕

“高铁焊接大师”李万君凭借精湛的焊接技术和不懈的创新精神，攻克高铁转向架焊接难题，助力“复兴号”研发；“针尖上的舞者”顾春燕凭借出色的金线键合技术，为我国的雷达装备“点睛”，点亮了雷达之眼。通过此案例，引导学生学习精益求精、勇于创新、甘于奉献的工匠精神，激励学生从“制造”走向“创造”。

图6-5 课程思政素材3——“大国工匠”李万君和顾春燕

7. 实验原理及方案

1）系统结构

图7-1 系统结构框图

2）实现方案

（1）主控模块

主控模块是语音交互电子钟的核心控制中枢，其电路原理如图7-2所示。ATmega16单片机最小系统由复位线路、晶振线路、AD转换滤波线路、ISP下载接口、JTAG仿真接口、电源等部分组成。

图7-2 主控模块电路原理图

（2）显示模块

本实验采用7段4位共阴极数码管作为时间显示模块，其电路原理如图7-3所示。为节约单片机I/O端口资源，采用数码管动态显示方法，即4位数码管分时轮流点亮。当点亮间隔足够短时，利用人眼的视觉暂存效应，人眼会感知到所有数码管“同时显示”的效果。为确保数码管显示稳定且不出现闪烁，扫描频率需≥25Hz，对于4位数码管而言，即循环扫描周期T≤40ms。通常，单个数码管的点亮时间为1~2ms。

图7-3 数码管显示模块电路原理图

（3）时钟模块

本实验采用具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DS1302，其电路原理如图7-4所示。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。工作电压为2.0V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302的掉电走时功能体现在：BT2提供电源时，当主电源VCC2断电后，VCC1后备供电，DS1302能持续工作。为降低功耗，单片机可进入休眠状态并暂停对DS1302时钟芯片的读取。单片机唤醒时，需重新读取DS1302中的最新时间数据。此时，程序应避免重复初始化DS1302，防止时间恢复为初始值，从而确保单片机唤醒后能正确提取并显示最新时间。

图7-4 时钟模块DS1302电路原理图

（4）语音模块

本实验采用云知声推出的一款低成本、高性能的离线语音识别芯片US516P6，如图7-5所示。其核心电路主要包括：US516P6芯片，电源电路，时钟电路，麦克风电路和音频输出电路。利用云知声AI芯片开发平台，可完成注册和创建产品、配置命令词与应答语、硬件配置、固件烧录及二次开发等。

离线语音识别的原理：

①语音采集：模拟麦克风采集语音信号，通过ADC模数转换将声波转换为电信号。

②信号预处理：将采集到的语音信号通过频域滤波等完成降噪处理、回声消除等处理，提高信号质量。

③特征提取：利用FFT加速器等硬件资源，提取语音信号的特征参数，如频谱、能量等。

④模式匹配：将提取的特征与预设的语音模型进行匹配，识别出用户发出的命令词。

⑤命令执行：识别到的命令词通过GPIO、UART、I2C等接口发送到继电器等设备，执行按键控制等相应的操作。

图7-5 语音模块US516P6实物图及AI芯片开发平台

8. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

（1）设计任务

描述实验项目需要完成的具体任务、目标等。

（2）整体方案设计

描述实验项目的整体实施方案，包括设计思想、结构框图、工作原理等。

（3）硬件电路设计及仿真

分模块描述实验项目的硬件电路设计及实现，包含电路原理图及PCB的绘制、软件仿真调试、元件识别、电路板焊接及调试等。

（4）软件设计及实现

包括软件系统结构框图、程序流程图以及在开发板上的功能实现情况等。

（5）操作方法及实验结果

包括已实现的功能及指标说明、操作说明，列出具体实验结果并附上软件仿真图和电子钟实物图，同组成员的详细分工情况及各自承担的工作比例。

（6）收获与课程建议

阐述实验过程中遇到的问题、原因分析及解决思路，以及实验收获、建议（包括实验内容、任务分配、教学方法、考核模式）等。

9. 考核要求与方法（限 300 字）

本实验项目考核总分为100分，其中资源及预习、画图及仿真等过程性评价占75%，实验报告及答辩等终结性评价占20%,作品优化等加分项占5%。

表9-1 实验考核评分表

10. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1）项目驱动与任务导向

采用1个项目-3个层次-8个任务模式，实现项目教学互补、理论实践结合及学科交叉融合，培养学生自主学习探究能力，激发探索精神。

2）机电学科交叉融合

学生通过3D打印、激光加工、刺绣及掐丝珐琅等进行电子钟外观设计，通过声音克隆、AI配音等完成功能优化，实现个性化电子钟的制作，增强创新意识。

3）数字化与智能化教学

借助数字化平台的AI学伴、讲伴、智能批改及资源检索等功能，提升教学效率、激发学习热情。利用AI讲伴设计闯关任务，引导学生完成传统电子钟的智能化升级，提高实践创新能力。

附件：

[1.教学大纲]{.mark}

《电子产品设计制作》教学大纲(2021修订)

**课程中文名称：**电子产品设计制作

**课程英文名称：**Electronics Design and Manufacture

**课程编号：**216T0004

**学分：**1

学时： 40

先修课程：《工程基础训练》《电路》《模拟电子技术》《数字电子技术》《C语言》《单片机原理与应用》

**适用专业：**物联网工程专业、机械电子工程专业

**课程类别：**专业核心课程/必修

**使用教材：**自编讲义

**开课单位：**XX学院

一、实验性质、目的与任务

本课程以一个MCU控制的电子产品为原型，让学生体验从电路原理设计、电路仿真、电路板设计、电路板制作、焊接组装、软件设计、系统调试等全过程，最后完成一个合格的作品，使学生对所学电子类知识进行全面的、系统的训练。具体任务是让学生了解Altium Designer软件的使用方法，熟悉使用软件设计原理图及电路板；了解PCB板的制备过程；掌握电子元件的选用与焊接方法；掌握电路调试的方法与手段，学会使用常用电子仪器、仪表；掌握单片机编程及调试，完成相应电子产品的设计与制作。

二、教学目标

课程的教学目标分为3个层面：

①知识层面：体验电路原理设计、电路仿真、电路板设计、电路板制作、焊接组装、软件设计、系统调试等全过程，最后完成一个合格的作品，了解电子产品设计制作的全周期过程，学生对所学电子类知识进行全面的、系统的训练；

②能力层面：理解并掌握电路设计、焊接及编程调试方法，具备一定的分析和解决工程性问题的能力；

③价值层面：建立工程性思维，培养严谨务实的做事风格，加强团队合作，锻炼其团队合作意识和技巧，融入思政元素，实现赛教融合，思政育人。

毕业要求与课程教学目标的对应关系

三、实验项目内容及学时安排

四、各实验项目的具体内容及教学目的要求

1．课程概论

主要介绍课程的相关概念，让学生对课程有整体认知，了解课程流程及相关过程所完成的内容。

2．Altium Designer软件的使用

（1）介绍实验所用软件Altium Designer

（2）结合具体实例讲解软件的使用方法

（3）绘制一套电子产品的电路图及PCB

重点、难点

Altium Designer的使用

3．Proteus软件的使用

（1）介绍Proteus软件的使用方法

（2）完成Proteus仿真文件的制作，并了解单片机仿真过程

重点、难点

Proteus的使用

4．电路板介绍及元件焊接

（1）电路板及电子元件的识别

（2）万用表的使用方法

（3）元件焊接

（4）劳动规范养成，主要体现在能够认真并正确的掌握相关方法，养成节约元件、提高效率、认真学习、规范操作的习惯。

重点、难点

元件焊接

5．电路板焊接后测试

（1）测试电路板焊接是否成功

（2）测试程序是否可以下载

（3）示波器等仪器仪表的使用方法

重点、难点

电路板焊接故障检测

6．单片机编程及调试

（1）单片机I/O控制（包括LED、数码管、按键控制等）

（2）单片机定时器的使用

（3）外围电路的编程控制（功能芯片、传感器等）

重点、难点

外围电路的编程控制

五、考核方式及成绩评定标准

1、课程考核方式：

本课程考核方式为考查，课程成绩=实验内容成绩+实验报告及答辩成绩

2、课程成绩评定标准

① 实验内容成绩评分标准

② 实验报告成绩评分标准

[2.实验资源及数据]{.mark}

[3.教学现场照片]{.mark}

[4.实验电路、仿真及实物展示]{.mark}

[5.实验报告（AI智能批改+教师深度批改+“千字”学生档案）]{.mark}