. . .基于SPCE061A的出气宝宝系统设计与实现毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题目的与意义21.3 课题研究现状21.4 本文主要容及结构安排4第2章 硬件设计52.1 硬件器件的选择52.1.1 SPCE061A单片机52.1.2 MMA7260QT三轴加速度传感器82.2 系统电路的连接92.3单片机控制单元的硬件设计102.3.1 输入/输出控制单元设计112.3.2 模拟数字转换设计142.3.4 DAC方式音频输出设计192.4 传感器控制单元设计212.5 本章小结22第3章 软件设计233.1 软件系统的开发设计233.2 音频设计243.2.1 音频处理方案243.2.2 语音自动播放函数设计253.2.3 语音文件压缩设计273.3 I/O接口及A/D转换设计283.3.1 I/O接口设计283.3.2 A/D转换设计283.4 主程序设计303.5 本章小结33结论34参考文献36致谢37附录138附录242附录347附录452附录566.参考资料. . .第1章 绪论1.1 课题背景随着时代的进步，人们自我认知水平的不断提高，心理问题逐渐引起了人们的广泛关注。多年前，不健康的成长环境、先天的生理缺陷等情况就一直是心理问题的主要成因。而近年来，由于生活、工作、学习的节奏加快，人们往往承受着巨大的压力。心理问题也就被摆到一个更为普遍的层次，任何人都或多或少的承受着心理方面的负担。心理问题往往引起一些不正常的反应。人们会难以集中注意力、容易分神、记忆力减退、选择性思维失调、期待性焦虑、郁郁寡欢、冷漠偏执、自卑多疑、消沉空虚、无端烦恼、遇事暴躁尤其令人担忧的是，具有心理问题的人还会容易狂热和冲动，对外界产生敌对情绪，且常常带有攻击性。近年来社会上由于心理问题造成的悲剧，引起了人们的普遍重视。合理的调节心理、控制情绪，对实现人的全面发展、对改善人际交往关系、对我国构建和谐社会都有着积极的作用。生活中矛盾和事件所引起的心理反应，主要是情绪反应，所以心理调节和控制的最基本点，可以说是调节和控制情绪。其中，情绪的舒缓与疏导显得尤为重要。当人们承受着巨大的精神压力时，可以用合理的方式把这种压力表达释放出来。情绪的释放有多种方式，比如说找人谈话、培养乐观生活态度等。而通过玩具等辅助手段来释放情绪的方法也越来越引起人们的关注。这种方式不仅简单方便、易于操作，还具有很多趣味性。在当今的市场中，情绪调节类的玩具多种多样。但是，其中大多数的设计原理都比较简单。比如说，有的是基于一些常见的物理学现象，有的则纯粹以外观设计取胜。通观整个情绪调节类玩具的市场，其中依靠芯片控制的智能玩具的开发尚属少数。因此，设计情绪调节类的玩具，也便在智能化方向上出现了创新的空间，昭示了很广阔的市场前景。智能化情绪调节类玩具的优点是很突出的。通过微控制器控制的智能玩具可以进行部数据处理，控制产生不同的效果。若再辅以各类外部传感器模块的特殊功能，智能玩具还可以与用户进行多种方式的互动1。这样一来，智能玩具在改善用户情绪方面，无疑会带来显著的作用。1.2 课题目的与意义本设计拟采用SPCE061A开发板控制加速度传感器实现一个“出气宝宝”系统，在人们发泄情绪打击出气宝宝的时候，根据打击力度发出对应的“哭声”。通过这样的方式，人们以娱乐的方式合理表达了攻击性，发泄了心的种种压抑情绪，进而实现了心理调节。为了达到使用户发泄情绪的目的，本系统需要检测、读取外部的打击力，并根据该打击力的大小发出对应音量的“哭声”。外力信息的采集与转化需要通过设计加速度传感器模块来实现。我们把SPCE061A开发板作为本次设计的核心部分。SPCE061A开发板的输入输出接口、模数转换以及音频发声等功能都作为系统设计中的重点。通过SPCE061A开发板对传感器输出的电压数据进行读取、转化、分析，便可以控制播放压缩好的“哭声”。本设计最终的目的是一方面使用户合理表达了攻击性，释放了情绪；另一方面通过“哭声”的回应，得到慰藉或娱乐的效果。所谓的“哭声”，通常理解为事先准备好的哭声音频，可以是婴儿哭声、男声、女声。而广义的“哭声”又可以理解为一段音乐或者幽默的语句。这样的设计，无疑更增加了产品的趣味性与娱乐效果，从而更好的实现了调节情绪的目的。基于SPCE061A的“出气宝宝”系统设计，可以看作是一款智能玩具的开发。该系统具有调节心理、缓解情绪的作用，适应了当代心理问题比较突出的社会现实。这样的开发设计无疑拥有开阔的市场和广大的受用人群，会对调节人们的心理健康、改善人们的工作学习氛围、增进生活氛围的和睦、乃至促进社会和谐都有着重要的意义。1.3 课题研究现状基于SPCE061A的智能玩具设计，尤其是调节情绪类玩具的设计，目前在国外市场上都比较罕见。鉴于本设计的思路比较新颖，同类产品的应用设计较少，我们对课题研究状况的介绍将主要围绕设计的关键部分，即凌阳SPCE061A单片机与加速度传感器的发展应用来展开。随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU核采用最新推出的Microcontroller and Signal Processor16位微处理器(以下简称nSP)通用核结构。nSP的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位乘法运算指令和积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得nSP系列运用在复杂的数字信号处理方面很便利，嵌32K字的闪存(FLASH)，能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。其汇编指令近似C语言，具有较高的C语言编程效率。而且它还有I/0口功能丰富、集成度高、体积小、可靠性好、功耗低且性能价格比高等特点。因此，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于录音、放音、数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。目前已经投入国外市场的产品，包括语音播报温度计、智能交通灯、嵌入式汽车运营图片信息采集系统、数码语音录音及播放系统、空调智能控制系统等。可以说基于SPCE061A的“出气宝宝”的设计与上述产品的技术手段、基本原理相类似。然而就应用角度来说，“出气宝宝”思路新颖，具有一定的创新性和时代特色，昭示了广阔的市场前景2。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是：对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力，除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出3。 本系统设计所采用的MMA7260QT三轴加速度传感器就是利用了压电效应的原理。由于加速度造成的晶体变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。又由惯性定理可知：A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)。这样，在质量M为已知常量的前提下，加速度与外力成正比例关系。输出电压对应着加速度的线性变化，也同样对应着外力的线性变化。机械力也就转化成可以控制单片机的电信号，达到了系统设计的要求4。1.4 本文主要容及结构安排本文着重于对基于SPCE061A“出气宝宝”系统设计的阐明，详细介绍了设计的思路、方法与具体的流程。本文的主要容也是以实际设计为骨架，辅以对必要知识的介绍，构成了一个重点突出、条理鲜明、容丰实的整体。通观全篇，整个系统的设计可大致分为硬件设计与软件设计两部分。硬件设计包括外部电路的设计与连接、单片机的I/O口设计、AD转换设计、音频设计、传感器电路等。软件设计包括I/O输入的初始化、AD转换的初始化、传感器输入数据的处理、声音播放函数的编写、音频的压缩与调用等。本文的结构主要安排为三章，具体容分布如下：第一章：绪论，阐述课题的开发背景，提出该课题的研究依据和意义；介绍了SPCE061A与单片机的发展现状；容概述对整篇论文起提纲挈领。第二章：硬件设计，主要包括硬件元器件的选取、系统整体外围电路的连接、单片机中各控制单元的实现以及传感器的电路等。第三章：软件设计，主要分为软件系统的开发、音频的设计、I/O口与A/D转换的定义、主程序设计四方面的容。.参考资料. . .第2章 硬件设计2.1 硬件器件的选择本次设计的整个系统主要由SPCE061A开发板和加速度传感器模块两部分构成。因此，硬件器件我们选择了61板和MMA7260QT三轴加速度传感器。61板是SPCE061A EMU BOARD的简称，是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路(含MIC输入部分和DAC音频输出部分)、复位电路等，采用电池供电。MMA7260QT三轴小量程加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。对于本设计来说，能够较为精确地出反映“出气宝宝”受击打力后的运动情况。下面，我们将对所选的这两部分硬件结构分别予以介绍。2.1.1 SPCE061A单片机SPCE061A是一款16位结构的微控制器，主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号5。图2-1 61板框图我们在设计中选择的硬件是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，简称61板，其硬件框图如图2-1所示。它是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。关于61板的硬件框图说明如表2-1所示。表2-1 61板框图简要说明POWER5v&3.3v供电电路PLL锁相环外部电路*PowerPower-电源指示灯*SleepSleep-睡眠指示灯K4复位按键RESET复位电路S5EZ_PEOBE和PROBE切换的3pin单排针PROBE在线调试器串行5pinEZ_PROBE下载线的5pin接口J32pin喇叭插针MIC麦克风输入电路DAC一路音频输出电路VRTA/D转换外部参考电压输入接口OSC32768晶振电路K1-K3扩展的按键：接IOA0-IOA2R/C其它外围电阻电容SPCE061A61板核心：16位微处理器PORTA/B32个I/O口61板的核心是凌阳16位单片机SPCE061A，封装形式为PLCC84，具有丰富的功能引脚。图2-2中显示了61板上的各个接口分布。其