基于单片机AT89s51的录放音系统的设计.doc

目 录1 绪论11.1 设计课题的背景和意义11.2 国内外发展现状11.3 设计要求21.4 论文的主要工作22 系统的硬件设计32.1 语音录放音系统硬件电路设计32.2 AT89C51芯片的特点及工作原理32.2.1 AT89C51引脚功能42.3 ISD4004芯片引脚及功能介绍62.3.1 ISD4004芯片的主要特点62.3.2 ISD4004的芯片引脚图62.3.3 ISD4004芯片引脚特点和功能表7 2.3.4 ISD4004的内部结构82.4 SPI串行外部接口8 2.4.1 SPI串行控制端口82.4.2 SPI 控制寄存器82.4.3 SPI的接口指令功能表92.5 系统的功能实现92.5.1 硬件电路连接图103 系统软件的设计113.1 语音录放系统的软件设计程序流程113.2 录放音程序的设计流程图113.2.1 录音子程序流程图113.2.2 停止录音程序流程图113.2.3 放音子程序流程图124 设计结果演示124.1 设计结果演示图135 结束语13参考文献：13基于单片机的录放音系统的设计李玲(渭南师范学院 物理与电气工程学院 电子信息科学与技术专业10级1班)摘要：本文设计一个基于单片机AT89C51的语音录放音系统，介绍了芯片AT89C51和ISD4004的引脚特点和功能及SPI的串行外部接口的应用，ISD4004采用直接模拟量存储技术推出的语音录放器件，该系统主要由单片机的控制语音芯片ISD4004通过SPI外部串行接口来实现语音系统的录放功能。关键词：AT89C51；语音录放；SPI串行外部接口；ISD4004；1 绪论人类早期的语音系统是通过磁带的记录、存储实现语音系统的录放，现在市场上基于这一原理的电子厂品已经为数不多，主要在于这些产品的体积较大携带不便、成本较高、适用范围受到了一定的限制，单片机则很好的解决了这一问题。本文主要介绍了一种基于单片机AT89C51的语音录放音系统的实现与设计，该设计主要是将微处理器和语音芯片ISD4004相结合来进行语音的录放实现，ISD4004语音芯片是一种长久记忆性的语音芯片，其音质清晰自然、使用方便、反复录放、单片存储、低功耗、低电压、不怕掉电、存储量大等优点，因此在电子产业得到了广泛的认同和应用。此设计简单易行、使用方便、开发周期短、成本低廉，具有较好的扩展性和较高的实现性。1.1 设计课题的背景和意义随着社会和科技的进步，语音系统的应用早已被人们所熟知，其在民航、金融、航海、公安、铁路、银行一些部门对语音录放系统的需求也与日俱增。语音系统生成技术用于多媒体查询系统、自动应答系统、工业监控系统、自能仪表和家用电器中，使它们具有相应的语音输出功能，在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态、提示信息、警告信息等，提高人机的通信功能、减少对错误处理信息的遗漏、提高整个系统性能、降低人类的工作强度、提高工作效率等方面都大有裨益。单片机具有很高的可靠性、高性价比、低功耗、低电压等优点使其在电子产业迅速发展并得到强有力的推广，广泛的应用于数据采集系统机通讯设备、工业自动化控制、治安报警系统、智能化仪器仪表、高档电子礼品、日常消费类产品、语音讲解系统、智能玩具等，利用单片机实现语音的录放具有很大的研究价值和发展前景。1.2 国内外发展现状 语音始终是人们从事各种社会活动最重要、最基本、最有效的交流工具之一，人们早期的交流沟通是通过语音来完成的，因此语音对于整个社会的进步和人类生存的发展起着不可或缺的作用。我们从出生到终老都在不停地学习应用它，从中学物理课本中声音的特性，到现在我们在大学课本中的所学习研究的基于单片机的语音采集系统。毫无疑问语音是很好的信息媒介的载体，我们一直都在付出很大的努力在试图去扑捉它，去保存它，去完善它。从早期的留声机到现在的磁带、磁芯、磁盘、激光唱片等各种保存原生的载体。虽然早期发明的一些语音的存储与回放装置在过去都扮演着很重要的角色，但是它们本身都存在着很多的缺点，如体积大、成本高和机械磨损、介质损耗、耗电多等。然而通过人们不断的努力，在上世纪中期语音集成电路的诞生，为语音技术的合成开创了新纪元。 近几年来随着集成电路技术的迅猛发展，尤其是单片机与语音相互结合形成单片机的语音采集系统，使语音技术在电子市场上从锦上添花的点缀，成为真真切切的为用户提供方便的重要特征与功能，也成为衡量电子电器产品智能化的一个重要标志。目前在国内外，语音技术已经得到了广泛的应用和好评。1.3 设计要求1) 熟悉电路的工作原理；2) 掌握电路的元器件的识别与应用；3) 熟悉电路的简单调试方法；4) 熟悉电路简单的故障分析法；5) 论文符合格式、字数的基本要求，内容要充实，图片要严谨；1.4 论文的主要工作 本文主要用按键功能来实现电路的操作，用微处理器控制语音芯片ISD4004进行系统的录放音，通过SPI接口实现，录音时，将麦克风输入的音频信号经过放大器处理，在语音芯片ISD4004完成信号的存储和转换。然后通过SPI串行外部端口传送至AT89C51单片机控制其进行录音，放音时，由AT89C51单片机通过SPI串行外部端口控制ISD4004进行放音，最后通过音频放大电路对信号放大输送给扬声器进行语音的录放。 1) 初始化部分：单片机控制语音芯片ISD4004的初始化。该程序主要是完成单片机系统与语音芯片ISD4004的初始化，使得整个语音系统能够自然有序的进行下去。2) 单片机控制部分：此部分主要完成单片机与ISD4004语音芯片的连接和对ISD4004语音芯片的控制功能，并根据系统单片机发送的命令形式作出一定的操作。3) 录音程序部分：此部分主要是对语音芯片ISD4004进行录音控制，延时操作程序，复位操作程序等。4) 放音程序部分：此部分主要是对语音芯片ISD4004进行放音控制，延时操作程序，复位操作程序等。2 系统的硬件设计2.1 语音录放音系统硬件电路设计 该系统的硬件电路部分主要由单片机AT89C51，三极管放大电路，音频放大电路，ISD4004语音芯片，时钟电路，录放指示灯，录放按键及扬声器构成。图1-1为其硬件结构框图1 硬件结构框该系统的核心是AT89C51系统，控制ISD4004芯片的存储和还原通过SPI外部串行接口实现语音的录放功能。2.2 AT89C51芯片的特点及工作原理 AT89C51单片机是一种集成度很高的芯片，其包括微处理器、256字节的数据存储器RAM、4KB程序存储器ROM、I/O口、定时器、串行接口、中断系统等电路集成在一块芯片上构成单片微型计算机。由于体积轻巧，携带方便、成本低廉使得它在很多领域得到大范围的应用。它具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，具有低功耗的闲置和掉电模式，片内有振荡器、复位电路、时钟电路。此外，AT89C51配置的振荡频率为0Hz，通过软件设置省电模式。空闲模式下，处理器中止工作，然而数据存储器、串行输入/输出口、定时计数器、外部中断系统可以继续工作，掉电模式冻结振荡器从而保存数据存储器的数据，停止芯片其它功能申请处理直到硬件复位或着外部中断激活。此芯片具有TQFP、PLCC和PDIP多种封装形式，用来适应市场不同的产品需求。图2 AT89C51的引脚结构 2.2.1 AT89C51引脚功能40个引脚按功能分为：(1)电源和时钟引脚VCC、VSS，XTAL1、XTAL2。(2)控制引脚PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST（RESET）。(3)I/0口引脚PO、Pl、P2、P3为8位4个I/O口的外部引脚。下面根据AT89C51图介绍其各引脚的功能。 电源和时钟引脚 1）主电源引脚接入单片机的工作电源。1 VCC（40引脚）：接+5V电源。2 VSS（20引脚）：接数字地（接+5V电源地端）。 2）时钟引脚1 XTAL1（19引脚)：时钟发生器电路和单片机内振荡器反相放大器的输入端。当采用外接时钟时，其引脚外接时钟振荡器的信号；当使用单片机内部振荡电路时，其引脚外接石英晶体及微调电容。2 XTAL2（18引脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当单片机片内振荡器使用时，该引脚外接石英晶体及微调电容；当采用外部时钟源时，该引脚悬空。 控制引脚1) RST（RESET，9引脚）：该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端（复位信号输入端，高电平有效）。在该引脚出现持续时间两个机器周期的高电平，单片机实现复位操作，是单片机回复到初始状态。单片机正常工作时，该引脚应为小于等于0.5 V的低电平。2) EA/ VPP(31引脚)：EA为片外程序存储器选用端。该引脚为低电平时，选用片外程序储存器，高电平或悬空时选用片内程序存储器3) ALE/PROG(30引脚)：地址锁存信号输出端，ALE在每个机器周期内输出两个脉冲，ALE为CPU访问外部程序存储器ROM或外部数据存储器RAM提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。4) PSEN（29引脚）：片外程序存储器的读选通信号输出端，低电平有效。在从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期信号有效两次，通过数据总线P0口读回指令和常数。在访问片外程序存储期间，PSEN信号不出现。 并行I/O口引脚1) P0口（P0.0P0.7,3932引脚）：P0是一个8位漏级开路双向I/O口。2) P1口（P1.0P1.7,18引脚）：P1是具有上拉电阻的8位准双向I/O口。3) P2口（P2.0P2.7,2128引脚）：P2是一个具有上拉电阻的8位双向I/O口。4) P3口（P3.0P3.7,1017引脚）：P3是具有8位内部上拉电阻的双向I/O口。P3口还具有第二功能，也是AT89C51的一些特殊功能口，P3.0 /RXD（串行输入口）；P3.1 /TXD（串行输出口）；P3.2 /INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）；P3.3 /INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）；P3.4 /T0（定时计数器0外部计数脉冲输入端）；P3.5 /T1（定时计数器1外部技术脉冲输入端）；P3.6 /WR（外部数据存储器写信号，低电平有效）；P3.7 /RD（外部数据存储器读信号，低电平有效）；P3口作为通用的I/O接口时，第二功能输出线为高电平，与非门3的输出取决于锁存器的状态，这是P3口是一个准双向口，它的工作原理、负载能力与P1、P2口相同，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号15。2.3 ISD4004芯片引脚及功能介绍ISD4004语音芯片是由美国ISD（Information Storage Device）公司生产的一种具有较强功能的实现语音录放功能的集成电路。该器件打破了传统的A/D和D/A转换模式,采用直接模拟量存储技术，是一种的长久的记忆型语音录放集成电路，其可在断电情况下保存100年,工作电压为3V,工作电流2530mA，维持电流1A，录音时间一般为8至16分钟，可以重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术将每个采样值直接存储在片内闪烁存贮器中，因此该语音芯片非常清晰、自然地再现语音、音调、音乐以及效果声，避免了由一般固体录音电路因采样、压缩和量化造成的量化噪声及金属声。由于设计成和微处理器通过串行接口控制芯片的方法,使本器件引出端数减到最少。该器件的采样频率为8.0kz，同一系列的产品采样频率越低，录放音时间越长，但音质和通频带会有所下降。此外，ISD4004语音芯片还省去了数模和模数转换器。其集成度很高，芯片采用CMOS 技术,具有振荡器、平滑滤波器、音频放大器、防混淆滤波器、自动静噪和高密度多电平闪烁存贮陈列。因此只需要很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统，因为AT89C51没有硬件SPI接口，所以AT89C51通过I/O引脚采用软件模拟的方式实现SPI的接口。2.3.1 ISD4004芯片的主要特点1) 满足长时间语音录放的记录，单片8 至16 分钟语音录放；2) 高质量、自然语音的技术，足够多的采样频率；3) ISD芯片具有抗断电、音质好、携带方便、无须专用的开发系统；4) 自动静噪功能；5) 片内免调整时钟,可选用外部时钟；6) 灵活方便的控制方式，可以随心所欲地进行客户所需要的各种对语音的操作；7) 内置微控制器串行通信接口；8) 具有多段信息处理能力，工作电源 3V，工作电流25-30mA,维持电流1，10万次录音周期； 9) 非易失性信息存储； 2.3.2 ISD4004的芯片引脚图ISD4004集成度很高，具有28引脚的TSOP，28引脚PDIP和28引脚SOIC三种封装形式，本篇文章主要介绍PDIP和SOIC引脚的封装形式。图2-3-2所示是其引脚排列：图3 ISD4004芯片引脚2.3.3 ISD4004芯片引脚特点和功能表表1 ISD4004芯片引脚特点和功能引脚序号引脚引脚功能功能说明1 SS片选信号此端为低，即选中ISD4004系列2MOSI串行输入端主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD 输入3MISO串行输出端ISD 未选中时,本端呈高阻态4、11、 12、23VSSA，VSSD地线芯片内部的数字、模拟接地线510、15、1922NC空脚一般情况下悬空或者接地13AUD OUT音频输出提供音频输出,驱动5K的负载14AMCAP自动静噪控制信号的衰减16 ANA IN-反相模拟输入 差分驱动时，此为录音信号的反相输入端，信号通过耦合电容输入，最大幅度的峰峰值为16mV17ANA IN+同相模拟输入ANA IN+接电容连至该端，该电容和本端的3输入阻抗决定了芯片频带的附加低端截止频率18、27VCCA，VCCD电源接口为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,24RAC 行地址时钟漏极开路输出25/INT 中断前置放大器的输出ISD 在任何操作(包括快进)中检测到EOM 或OVF 时,本端变低并保持26XCLK外部时钟该端内部有下拉元器件，不用时可以接地28SCLK串行时钟ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI 和MISO 的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在降沿移出ISD2.3.4 ISD4004的内部结构 图4 ISD4004的内部结构2.4 SPI串行外部接口2.4.1 SPI串行控制端口SPI有两个串行接口，即：串行输入端和串行输出端，其有个硬件控制位MISO和MOSI,端口控制如下所示：图5 SPI串行外部端口控制2.4.2 SPI 控制寄存器其主要控制每个器件的功能,如录音、放音、上电/掉电、信息检索(快进)、开始和停止操作、忽略地址指针等。详细操作见下表：位值功能位值功能RUN=10允许/禁止操作开始停止PU=10电源控制上电掉电P/R=10录/放模式放音录音IAB=10 操作是否使用指令地址忽略输入地址寄存的内容使用输入地址寄存的内容MC=10快进模式允许快进禁止P15-P0A15-A0行指针寄存器输出输入地址寄存器表2 SPI 控制寄存器2.4.3 SPI的接口指令功能表表3 指令功能表指令8位控制码（16位地址）功能说明POWERUP00100xxx上电：等待TPUD后器件可以工作SET PLAY11100xxx(A15A0 )从指定地址开始放音，后加PLAY指令，使放音继续PLAY11100xxx 从当前地址开始放音直到OVF或EOMSET REC10100xxx(A15A0 ) 从指定地址开始录音，后加REC指令，使录音继续REC10110xxx 从当前地址开始录音直到OVF或停止SET MC11100xxx(A15A0 ) 从指定地址开始快进，后要加MC指令，使快进继续MC11111xxx 进行快进，直至EOM，若没有消息，进入VOFSTOP0x110xxx 停止当前的操作STOP WRDN0x11xxxx 停止当前的操作并掉电RINT0x110xxx 读状态：EOM和VOF2.5 系统的功能实现该系统的核心体系为AT89C51单片机，AT89C51具有快速8051内核，AT89C51是4K字节的FLASH存储器的低电压、高性能的8位的微处理器，完全符合该系统硬件设计要求。语音芯片ISD4004器件，其工作电源 3V，工作电流2530mA,维持电流为1，具有10 万次的重复录音周期，采样频率可为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0kHz，可以作为控制总线及微总线的接口，根据其采样频率的不同，其相应的采样时间为8分钟、10分钟、12分钟、16分钟，以供客户选择，并能够接收单片机发送的指令，当接受录音指令时，将从麦克风传出的语音段直接保存至片内闪烁寄存器中；当接收放音指令时，按照单片机给定的地址，从存储器中取出语音段并驱动扬声器，从而得到语音段。2.5.1 硬件电路连接图如图所示AT89C51与ISD4004的芯片连接图，ISD4004芯片的低位地址与P0口连接，并由P0口给语音芯片录放的初始化地址。AT89C51单片机的外围电路使用的晶振为11.0592M（即一个机器周期是1us）,采用的是按键复位方式，复位后，录放音从第一段开始。图6 系统硬件连接ISD4004的工作电源为3V，工作电流2530mA,维持电流1，10 万次录音周期，以单片机AT89C51为核心微处理器，外接控制每个语音段录放开始和停止的按键。外部的存储器EEPROM用来保存每个语音的地址。该系统分为三部分，单片机控制部分、显示部分、录/放音部分。控制部分主要由单片机89C51担任，包含必要的复位电路、按键电路、看门狗电路等外围操作电路。放音部分主要由语音芯片ISD4004担任，其内包含配套的变压电路和功放电路等。图中AT89C51和语音芯片ISD4004之间的连接端口比较少，单片机P1.0口接录放音指示灯，显示按键后的录放音状态，P1.1口控制录放音过程中的录放音与否和录放音内容。单片机的P1.2P1.3引脚主要接录放按键，分别执行和复位录放音操作，P1.4口接ISD4004的串行时钟（SCLK）控制时钟的输入与输出，P1.5和P1.6分别接ISD4004的串行输入端和串行输出端，数据在SCLK上升沿锁存到ISD4004中，下降时移出ISD4004，P1.7接ISD4004的片选引脚/SS,来控制ISD4004的选通与否，P3.2接ISD4004的中断引脚/INT，ISD4004还需连接音频输出AUDOUT，该引脚通过一个滤波电容与扬声器连接，此外，ISD4004的14引脚具有自动静噪也被连接，单片机控制信号的衰减，由于单片机的工作电源为5V，ISD4004的工作电源为3V,故需要使用一个变压器SPX1117M3得到3V的电压供ISD4004使用。3 系统软件的设计3.1 语音录放系统的软件设计程序流程 语音录放系统的软件设计包括：启动录音程序，停止录音程序，启动放音程序，停止放音程序，检测EOM和VOF外部中断等子程序模块，核心部分的流程图如图7，图8，图9所示。 3.2 录放音程序的设计流程图 3.2.1 录音子程序流程图 图3-2-1 录音子程序流程 3.2.2 停止录音程序流程图 图3-2-2 停止录音程序流程3.2.3 放音子程序流程图 图3-3-2 放音子程序流程图4 设计结果演示4.1 设计结果演示图5 结束语单片机具有体积小，功耗低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度宽，可以很方便的实先多机和分布式控制等优点，因而被广泛的应用于控制系统中，本文采用了单片机AT89C51和ISD4004语音芯片的设计完成系统的语音录放，并且阐述了单片机作用下的硬件电路和软件设计，并详细的阐述各芯片和系统的工作原理，此系统操作简单、具有优秀的抗干扰能力、录放音存储时间长，而且放音效果很清晰、真实，ISD4004语音芯片录音方便，耗能低、体积小、单片存储、不掉电、反复存储、音质高等优点，该系统具有很高的实际应用价值。（指导教师：苏变玲）参考文献：1谭浩强.C程序设计（第三版）北京：清华大学出版社，2005.3 张常年.ISD4004语音芯片的工作原理及智能控制系统的应用J.电子元器件与材料20014 肖海荣.基于AT89C51和ISD4004的录放音系统设计J.微计算机信息，2004,20.5 刘欣.安欣赏.ISD语音器件分段地址的获取J.电子技术的应用1999. 6张建华.ISD4004语音芯片在语音报站器中的应用，2003. 7 王南阳.单片机语音录放电路模块及其应用J.电子世界，1997. 8 冯志慧.一种基于单