一種語音控制計算器設計

楊陳晨，張 艷，李增科，楊 忠，吳有龍，田小敏，許佳彤，馬彥琪

（1.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

據研究報告《2021—2026 年中國計算器行業深度分析及發展前景預測報告》分析得出：近年來國內計算器市場持續低迷。時間的推移，社會的發展，傳統的計算機鍵盤和機械按鈕操作早已無法滿足人們的需求[1-2]，尤其手工輸入鍵盤效率低，不便于老人、兒童、殘障人士等特殊人群使用，更方便、更自然、更人性化的人機交互方式成為必然的發展趨勢[3-4]。如今語音識別技術已成為世界上最熱門和最具發展前景的技術之一[5-6]，通過這項技術可以讓語音成為人類和機器溝通的橋梁，可以使人類的日常生活變得更加簡便、快捷。文獻[7-8]中利用語音識別技術設計一套智能家居系統，文獻[9]中設計一套語音識別點菜系統。本文利用Syn6288 語音識別模塊設計一種語音控制的多功能高級計算器，可以實現語音輸入、語音播報和極限、矩陣、房貸的高級運算，更加便捷。

1 系統設計

具有高級運算功能的語音控制計算器總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

計算器電源供電后即進入工作狀態，硬件終端完成語音或者按鍵的信號輸入，計算結果可以通過音頻信號和液晶顯示器同時輸出，存儲模塊用于數據的存儲。主控芯片以STC89C52 單片機為控制核心，計算處理數據能力強，功能多樣化，留存了多個外設接口。語音模塊采用Syn6288 語音識別模塊，它是一款性價比高、效果自然的中高端語音合成芯片，其核心是嵌入式微處理器，外圍是非特定人語音識別芯片及相關電路，具有體積小、功耗低、可靠性高、投入小、安裝靈活等優點[8]。產品用戶在使用語音喚醒或語音識別功能時，上位機把啟動語音喚醒功能或語音識別功能發送給語音模塊，語音模塊把從麥克風采集到的語音數據，通過內部的識別功能模塊轉換成相應的識別結果，借助通信接口回傳給控制器。

嵌入式軟件終端主要包含上位機計算軟件。系統采用MQTT 協議實現硬件終端與上位機之間的數據傳輸。在MDK V5 集成開發環境上使用C 語言編寫嵌入式硬件終端控制程序；借助C 語言，設計并開發上位機的計算軟件，實現計算器的復雜計算功能，使其運行于嵌入式硬件終端上。

2 功能闡述

2.1 按鍵輸入計算

用戶通過計算器上的按鍵輸入計算內容，計算器將計算結果顯示在液晶顯示器，同時通過語音播報出來。

2.2 語音輸入計算

用戶首先通過語音輸入，再通過聲音控制模塊，該計算器可以識別使用者的語音命令，進行計算，然后語音播報計算結果。語音輸入如圖2 所示，對應語音播報如圖3所示。

圖2 語音輸入

圖3 語音播報

3 相關技術

3.1 單片機技術

該計算器使用的STC89C52 是一種高性能、低功耗的8 位微控制器，片內有8 KB 的在線可重復編程、快速擦除、快速寫入程序的存儲器。STC89C52 芯片原理如圖4所示。

圖4 STC89C52 芯片原理圖

3.2 語音輸入輸出技術

語音輸入輸出采用Syn6288 語音識別模塊，它的核心是嵌入式微處理器，外圍是非特定人語音識別芯片及相關電路。Syn6288 系統構成圖如圖5 所示。產品用戶在使用語音喚醒或語音識別功能時，上位機把啟動語音喚醒或語音識別信號發送給語音模塊，語音模塊把從麥克風采集到的語音數據，通過內部的識別功能模塊轉換成相應的識別結果，借助通信接口回傳給控制器。

圖5 Syn6288 系統構成圖

3.3 LCD1602 液晶顯示屏

該計算器使用到的1602 液晶模塊內部的控制裝置共有11 條控制信號，豐富的指令能夠完成液晶的工作方式設置、時序控制和數據顯示等。模塊內部自帶字符發生存儲器（CGROM）工作時，第一步要對顯示模塊進行初始化操作，第二步是控制光標的位置，用SBIT 指令選擇液晶顯示的控制端口；第三步是設置清屏、關閉顯示、歸位、打開顯示、顯示位置的首地址等。工作流程如圖6 所示。

圖6 顯示模塊流程

3.4 MQTT 協議

該計算器通過MQTT 協議調用計算機程序，由計算機執行復雜的高級計算功能，并傳回計算結果，實現語音播報。MQTT 是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議。它提供了一對多的消息分發機制，從而實現與應用程序的解耦。阿里云、機智云、OneNET 等物聯網組件都支持MQTT 協議。MQTT 協議的主要特點有：

（1）MQTT 客戶端和MQTT 服務器通過長連接的方式，減少重新建鏈開銷，支持消息實時通知，有豐富的推送內容。

（2）MQTT 協議簡單，是一種輕量級的通信協議，每個消息頭都可以縮短為2 個字節實現。因此，MQTT 協議的開銷較小，不需要太多額外的數據文本。

（3）MQTT 協議對終端的硬件配置要求低，適用于CPU等硬件資源有限的場合，能夠降低終端成本。

（4）MQTT 協議是基于客戶端-服務端模式，云平臺作為服務端，云下設備作為客戶端。

4 結 語

本文設計一種具有高級運算功能的語音控制計算器，并介紹了該系統的功能闡述、結構分析、軟硬件等技術。通過本文設計的語音控制計算器設計，能解決人們頻繁需要手動操作以及視覺的傳感帶來的許多不方便問題，更能讓老年人和殘障人士方便使用，提高生活質量，且極大地提高了普通計算器的運算能力。