2023年 / 第10期  物联网技术
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0 引 言
据研究报告《2021—2026年中国计算器行业深度分析及发展前景预测报告》分析得出：近年来国内计算器市场持续低迷。时间的推移，社会的发展，传统的计算机键盘和机械按钮操作早已无法满足人们的需求
[1-2]
，尤其手工输入键盘效
率低，不便于老人、儿童、残障人士等特殊人使用，更方便、更自然、更人性化的人机交互方式成为必然的发展趋势[3-4]。如今语音识别技术已成为世界上最热门和最具发展前景的技术之一[5-6]，通过这项技术可以让语音成为人类和机器沟通的桥梁，可以使人类的日常生活变得更加简便、快捷。文 献[7-8]中利用语音识别技术设计一套智能家居系统，文献[9] 中设计一套语音识别点菜系统。本文利用Syn6288语音识别模块设计一种语音控制的多功能高级计算器，可以实现语音输入、语音播报和极限、矩阵、房贷的高级运算，更加便捷。
1 系统设计
具有高级运算功能的语音控制计算器总体设计如图1 所示。
计算器电源供电后即进入工作状态，硬件终端完成语音或者按键的信号输入，计算结果可以通过音频信号和液晶显示器同时输出，存储模块用于数据的存储。主控芯片以STC89C52单片机为控制核心，计算处理数据能力强，功能
多样化，留存了多个外设接口。语音模块采用Syn6288语音识别模块，它是一款性价比高、效果自然的中高端语音合成芯片，其核心是嵌入式微处理器，外围是非特定人语音识别芯片及相关电路，具有体积小
、功耗低、可靠性高、投入小、安装灵活等优点[8]。产品用户在使用语音唤醒或语音识别功能时，上位机把启动语音唤醒功能或语音识别功能发送给语音模块，语音模块把从麦克风采集到的语音数据，通过内部的识别功能模块转换成相应的识别结果，借助通信接口回传给控制器。
图1 系统总体设计
嵌入式软件终端主要包含上位机计算软件。系统采用MQTT 协议实现硬件终端与上位机之间的数据传输。在MDK V5集成开发环境上使用C 语言编写嵌入式硬件终端控制程序；借助C 语言，设计并开发上位机的计算软件，实现计算器的复杂计算功能，使其运行于嵌入式硬件终端上。
2 功能阐述
2.1 按键输入计算
用户通过计算器上的按键输入计算内容，计算器将计算结果显示在液晶显示器，同时通过语音播报出来。
杨陈晨1，张 艳1，李增科1，杨 忠1，吴有龙2，田小敏1，许佳彤1，马彦琪1
（1.金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169；
2.金陵科技学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211169）
摘 要：
计算器是使用广泛的日常用品，然而普通的计算器功能简单、手工输入效率低，不便于残障人士使用。文中设计一种具有高级运算功能的语音控制计算器，运用语音识别技术、单片机技术，有效地增强计算器的功能。该系统使用STC89C52单片机进行计算，搭载Syn6288语音识别模块实现语音控制，通过MQTT 协议与上位机通信，利用上位机实现复杂的高级计算需求，并用LCD1602液晶显示屏将计算结果显示出来。用户在使用时只需通过按键或者语音输入计算内容，系统就会将计算结果播报并显示。结果表明，该设计能够准确便捷地实现计算，达到了预期的设计目标。
关键词：
语音控制；计算器；语音识别技术；单片机技术；液晶显示；MQTT 协议中图分类号：TP323.2      文献标识码：A      文章编号：
2095-1302（2023）10-0105-03收稿日期：2022-10-14  修回日期：2022-11-24
基金项目：金陵科技学院大学生创新训练项目（202213573066
Y ）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目（21KJB12 0003）；江苏省产学研合作项目（BY2021358）
物联网技术  2023年 / 第10期
106报计算结果。语音输入如图2所示，对应语音播报如图3 所示。
图2 语音输入                        图3 语音播报
8位微控制器，片内有8 KB 的在线可重复编程、快速擦除、快速写入程序的存储器。STC89C52芯片原理如图4 所示。
3.2 语音输入输出技术
语音输入输出采用Syn6288语音识别模块，它的核心是嵌入式微处理器，外围是非特定人语音识别芯片及相关电路。Syn6288系统构成图如图5所示。产品用户在使用语音唤醒或语音识别功能时，上位机把启动语音唤醒或语音识别信号发送给语音模块，语音模块把从麦克风采集到的语音数据，通过内部的识别功能模块转换成相应的识别结果，借助通信接口回传给控制器
。
图4 STC89C52在线计算器
芯片原理图
图5 Syn6288系统构成图
3.3 LCD1602液晶显示屏
该计算器使用到的1602液晶模块内部的控制装置共
有11条控制信号，丰富的指令能够完成液晶的工作方式设置、时序控制和数据显示等。模块内部自带字符发生存储器
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显示位置的首地址等。工作流程如图6所示。
图6 显示模块流程
3.4 MQTT 协议
该计算器通过MQTT 协议调用计算机程序，由计算机执行复杂的高级计算功能，并传回计算结果，实现语音播报。MQTT 是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。它提供了一对多的消息分发机制，从而实现与应用程序的解耦。阿里云、机智云、OneNET 等物联网组件都支持MQTT 协议。MQTT 协议的主要特点有：
（1）MQTT 客户端和MQTT 服务器通过长连接的方式，减少重新建链开销，支持消息实时通知，有丰富的推送内容。（2）MQTT 协议简单，是一种轻量级的通信协议，每个消息头都可以缩短为2个字节实现。因此，MQTT 协议的开销较小，不需要太多额外的数据文本。
（3）MQTT 协议对终端的硬件配置要求低，适用于CPU 等硬件资源有限的场合，能够降低终端成本。
本文设计一种具有高级运算功能的语音控制计算器，并介绍了该系统的功能阐述、结构分析、软硬件等技术。通过本文设计的语音控制计算器设计，能解决人们频繁需要手动操作以及视觉的传感带来的许多不方便问题，更能让老年人和残障人士方便使用，提高生活质量，且极大地提高了普通计算器的运算能力。
注：本文通讯作者为张艳。
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作者简介：张 艳（1987—），女，博士，讲师，研究方向为信号传输与控制技术。
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作者简介： 黄道（1984—），男，广东潮州人，硕士，副教授，主要从事电子技术方面的工作。
陈敏敏（1984—），女，广东陆丰人，硕士，副教授，主要从事电子技术、自动化方面的工作。
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