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微格教室语音控制系统,毕业设计
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摘 要 本设计主要在于设计一种微格教室语音控制系统，该系统主要运用 89C51 单片机作为主控芯片，运用 ISD1720 作为录音播放芯片，同时安排有显示电路。其功能包括了定时，显示，和录放。在声音的播放处理中，添加了 4 阶 巴特沃思低通滤波器，使播放的声音更加清晰。从而提高了电路系统的整体性能。同时该系统运用芯片 ISD1720 的独立模式，而非 SPI 模式。这样使得编程变得简单，性能也比较优越，提升了该系统的实用性。 nts目 录 1.引言 1 1.1 选题背景及现状 2 1.2 设计思想 2 1.3 论文安排 2 2 单片机和语音芯片选取 2 2.1 微处理器选取 3 2.2ISD1720 结构 4 3 定时语音提示系统硬件电路设计 7 3.1 定时语音提示系统的组成 7 3.2 定时语音提示系统硬件电路 7 3.3 时钟复位电路 7 3.4 语音电路设计 8 3.5 电源电路设计 10 3.6串口 4位数码显示电路 11 3.7 滤波电路 12 3.4语音输出电路设计 13 3.9系统软件设计 14 结论 15 致谢 15 参考文献 16 附录一 17 程序清单 18 nts1.引言 1.1 选题背景及现状 随着经济的进步，大规模集成技术的高度发展和计算机技术的飞速前进，推动着语音技术的发展。在数字音频技术和多媒体技术迅速发展的今天，传统语音录放电路设计十分复杂，开发工具十分昂贵，语音录制及软件编制工作量巨大，而且语音效果也不甚理想，尤其在投资不大的产品系统中最为突出，从而制约了这一技术的应用和发展。 在越来越多的领域里，人们逐渐意识到使用语音交互界面的巨大价值，已经开始尝试采用语音技术，并且在不少的领域里取得了喜人的成果。语音技 术已经从锦上添花的点缀，变为实实在在为用户提供便利的重要特征与内涵，也成为衡量电子电器产品的一个重要标志。近几年集成电路技术飞速发展，国内外单片语音集成电路领域出现了重大变革，产生了许多新的技术和产品，开拓了更广泛的应用领域，语音电路已经迅速发展成为当前 “会说话 ”电子产品，是家电产品、通信产品和网络化产品中不可或缺的重要集成电路器件，并且成为一个多品种、多规格、多系列、多元化的庞大语音集成电路体系。朝着更大容量，更优音质，更高智能，更具有灵活性的方向发展。在通讯设备、电话机、智能仪器仪表、治安报警系统、语音 报站 /报数 /报价器、语音复读机、教学仪器、智能玩具、高档电子礼品等场合获得了广泛的应用。在师范教学过程中，微格教学是一个很重要的教学活动。大量研究表明，微格教学是一种行之有效的师资培育策略，它既能获得相当多的受教者的喜爱与支持，也能积极引导受教者改变教学态度与教学观念，更能有效协助受教者学习教学技巧与策略。微格教学是一种花费昂贵的师资培育策略。无论 是方便新颖的电化器材、配备齐全的实验教室、内容 丰富的行为量表、具体可观的教学录像带、均构成微 格教学之巨额花费，而其系统化过程所耗费的人力、时间与反馈资源，功 能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于各行各业。本选题将充分利用单片机技术实现微格教学的定时控制与提醒功能。 单片机的应用在后 PC 时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展也成为巨大的投资。尤其对教育经费贫乏大量师资需要培育的发展中国家来说，经费的 投入不能不考虑。单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机具有体积小、功耗低、控制，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以 “单片 ”解决问题，而不像多年 前以 MCS51/96 等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域 8 位、 16 位、 32 位单片机共同发展 这是当前单片机技术nts发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以 8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭， 32 位单片机应用得到了长足发展。低电压与低功耗自 80 年代中期以来， NMOS 工艺单片机逐渐被 CMOS工艺代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由 3m 工艺发展到 1.5、 1.2、 0.8、 0.5、 0.35 近而实 现 0.2m 工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。 Motorola 最近推出任选的 M.CORE 可在1.8V 电压下以 50M/48MIPS 全速工作，功率约为 20mW。可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。所集成的部件越来越多； NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。随着半导体工艺 技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。 1.2 设计思想 从众多的语音芯片的性价比上看，美国 ISD 公司的生产的语音芯片可谓是一支独秀。在对 ISD 语音芯片的开发运用中，可分为两种设计思路。第一种是只单独应用 ISD 语音芯片设计进行录 /放功能的电路。第二种是将 ISD 语音芯片与单片机相结合的电路，用单片机进行控制，实现更多的功能，根据不同的外界情况有目的得进行语言交流。 本设计采用第二种设计思路，即用 ISD1720 语音芯 片与 AT89C51 单片机相结合。用单片机控制语音芯片。来实现对语音的分段录音和循环播放。单片机性能可靠，程序设计灵活方便，抗干扰能力强，运行稳定，从而使这一技术得到了广泛的应用。 1.3 论文内容安排 论文第一章引言主要阐述选题的背景及现状、论文的设计思想，指明了论文的设计方向，第二章是对单片机和语音芯片选取分析，第三章和第四章分别是语音录放系统的硬件设计和软件设计，在参阅相关资料的基础上完成了对语音的分段录取和播放，在硬件设计方面，由单片机、语音芯片和存储电路等电路共同实现对语音的分段录音和播放，软件设计 方面，采用汇编语言独立编写了程序。介绍 ISD1720 语音芯片应注意的问题，以及进一步的改进方向，整篇论文层次鲜明，结构严谨。 2 单片机和语音芯片的选取 nts2.1 微处理器芯片选择 ATMEL 公司生产的 AT89C51 和 AT89C2051 单片机都是一种低电压，高性能的 CMOS8 位微处理器，带几 K 字节可编程可擦除 FLASH 存储器。采用高密度非易失存储制造技术，都与标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和 FLASH 存储器组合在单个芯片中，它们都是高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种 灵活性高且价廉的方案。两种芯片引脚分布见图 1。 图 1 AT89C51 和 AT89C2051 的引脚图 由表 1 可比较它们的不同之处，以便我们选择使用 。 AT89C51 AT89C2051 4K 可编程 FALSH 存储器（可擦写 1000 次） 2K 可编程 FLASH 存储器（可擦写 1000 次） 静态工作频率： 0Hz-24MHz 静态工作频率： 0Hz-24MHz 128 字节内部 RAM 128 字节内部 RAM 2 个 16 位定时 /计数器 2 个 16 位定时 /计数器 一个串行通讯口 一个串行通讯口 6 个中断源 6 个中断源 32 条 I/O 引线 15 条 I/O 引线 表 1 AT89C51 和 AT89C2051 主要性能表 以上可以看出它们大体相同，由于 AT89C2051 的 I/O 口线很少，导致它无法外加 RAM 和程序 ROM，片内 Flash 存储器也少，但它的体积比 AT89C51 小，它们各有其特点但其核心是一样的，在这里我考虑到用户的以后扩展，所以选择了扩展接口较多的 AT89C51，以便在用户需要的时候能够扩展功 能。 AT89C51是一个低电压，高性能 CMOS 八位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦 写的只读程序存储器（ PEROM）和 128bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置有通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出nts（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 AT89C51 具有 PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保 存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.2 ISD1720 的 结构 ISD1720 芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放 芯片 ,用来代替已经停产的 ISD1400 系列及 ISD2500 系列芯片 . ISD1720 芯片不仅在录音时间上有了更多的选择 ,而且在功能上继承了 14 及 25 系列的所有录放功能 ,音质也较 14 及 25 系列有明显提高 . ISD1720 是一种高度集成度 ,高性能的芯片 .它可以多段录音 ,可工作在独立按键模式和 SPI 控制模式 .芯片内有存储管理系统来管理多段语音 ,这样在独立 按键模式下也能进行多段语音录放 .此芯片内有振荡器 ,可通过外部电阻来调节其振荡频率 :还带有自动增益控制的话筒运放 ,模拟线路输入 ,抗锯齿滤波器 ,多机存储阵列 ,平滑滤波器 ,音量控制 ,直驱动喇叭的 PWM 输出与外部功放的电流/电压输出。 ISD1720 还有新录音提示功能，当有新的录音后， LED 会每次闪一次来提示用户有新的录音。此外还有四种音效来提示用户的操作结果，如开始录音，停止录音，擦除，下一曲和全部擦除等。录音数据存储在芯片的 FLASH 内，没经过任何压缩，所以有较好的音质和断电存储。芯片有两路独立的语音信号输入通到 ，话筒输入与模拟信号输入。独立按键模式下，当某 种 操作完成后芯片会自动进入掉电模式来降低功耗，在 SPI 模式下，用户可对芯片进行更多的功能操作。 语音芯片主要特点： 1. 录，放音十万次，存储内容可断电保留一百年。 2. 控制方式，两种录音输入，两种方音输出方式。 3. 处理多达 159 段以上的信息。 4. 丰富多样的工作状态提示。 5. 多种采样频率对应多种录放时间。 6. 音质好，电压范围宽，应用灵活，价廉物美 。 nts7. 工作电压： 2.4V-5.5V.，最高不能超过 6V。 8. 静态电流： 0.5-1uA 工作电 流 20mA。 9. 用户可利用震荡电阻来自定芯片采样频率，从而决定芯片的录放时间。 图 2 ISD1720 引脚图 引脚序号 引脚名称 功能 1 Vccd 数字电源正极 2 LED 状态显示，平常为高电平 3 RESET 复位，低电平有效，内有上拉电阻 4 MISO 数据在时钟下降沿输出 SPI 接口的串行输出。 ISD1720 在 SCLK 的下降沿之前的半个周期将数据移到 MISO 端。数据在 SCLK 下降沿移出。 5 MOSI 数据在时钟上升沿输入，内部有上拉电阻。 SPI 接口的数据输入端口。主控芯片的SCLK 上升沿之前的半个周期将数据放在 MOSI 端。数据在 SCLK 上升沿被锁存在芯片内。次管脚在空闲的时候应该被来高。 6 SCLK 时钟口，芯片空闲是应该被拉高。 7 SS 片选，低电平有效内有上拉电阻。 为低时，选择该芯片成为当前被控设备并且开启SPI 接口。空闲是应拉高 8 Vssa 模拟地 9 AnaIn 线路输入，需要串一个 0.1uF 的耦合电容，且输入信号的峰 -峰值不超过 1V；芯片录音或直通时，辅助的模拟输入，需要一个耦合电容且输入信号的峰 -峰值不超过 1V。APC 寄存器的 D3 可以决定 AnaIn 信号被立刻录制到存储器中，与 MIC 信号混合被录制到存储器中，或者被缓存到喇叭端并经由直通线路从 AUD/AUX 输出。 10 MIC+ 话筒差分信号的正向输入端；输入信号需经过耦合电容；次电容与内部的 10K 电阻决定了带通滤波器的剪切频率 。 nts11 MIC- 话筒差分信号的负向输入端；输入信号需经过耦合电容 12 Vssp2 PWM 反向地，负极 PWM 喇叭驱动地。 13 SP- PWM 反向输出 ,喇叭输出。 14 Vccp PWM 电源正极。 PWM 喇叭驱动器电源。 15 SP+ PWM 正向输出 ,喇叭输出。 16 Vssp1 PWM 正向地，正极 PWM 喇叭驱动地 17 AUD/AUX AUD 是单极音频电流输出。 AUX 是单极音频电压输出，接外部功放，默认值为 AUD,辅助输出决定于 APC 寄存器的 D7， 18 AGC 自动增益控制，此脚需要接一个 4。 7uF 的电容到地使 AGC 工作；若直接接地，则增益最大，若直接接到 Vcca,则增益最小。 19 VOL 8 级音量调节，每个下降沿降低 1 级音量，到最低后有脉冲则增加音量到最高，然后重复。 20 Rosc 振荡电阻，决定 内部工作频率，振荡电阻 Rosc 用一个电阻连接到地 21 Vcca 模拟 电源正 22 FT 直通：在独立模式下，当此引脚置低是开启直通功能，即线路输入信号将从 SP 与AUD/AUX 输出，并可控制音量；在 SPI 模式下可用命令控制此功能开关，优先级高于独立模式。在独立芯片模式下，当 FT 为低时， AnaIn 直通线路被激活， AnaIn 信号被立即经由音量控制线路发射到喇叭以及 AUD/AUX 输出。 23 PLAY 播放。下降沿脉冲触发播放一段录音，播放时有下降沿时则停止播放。保持低电平则进入循环播放，高电平则停止。 24 REC 录音，低电平录音，高电平停止。 25 ERASE 擦除，下降沿脉冲触发并擦除当前曲，但只有当前曲为首段或末段是才可擦除。保持引脚为低电平一段时间将会擦除全部录音 26 FWD 播放下一曲 27 RDY/INT RDY：录音，放音，擦除与下一曲操作是为低电平；闲时为高电平。 INT：执行完一个 SPI 指令后将此管脚置低，需收到清除指令后才将此脚置高。 28 Vssd 数字地 表 2 引脚功能表 ROSC 录放时间 采样频率 80K 8s 8.0KHz 100K 10s 6.4KHz 120K 12s 5.3KHz 160K 16s 4.0KHz 200K 20s 3.2KHz 表 3 振荡电阻和取样率表 ntsAT89C51ISD1720 语音处理 复位电路 时钟电路 四位串口显示 电源电路 3 定时语音提示系统硬件电路设计 3.1 定时语音提示系统的组成 语音录放系统主要由 AT89C51 单片机、 ISD1720 语音芯片、语音输出电路、电源电路、按键控制等部分组成。其框图如图 3 所示 。 图 3 语音提示系统方框图 3.2 定时语音提示系统硬件电路 定时语音提示系统电路原理图见附录一。 该电路设计简单，应用十分方便。使用了可提供录放时间达 20 秒高质量的音频录放语音芯片 ISD1820，控制灵活、功能强大的 AT89C51 微型单片机，通用的整流滤波电路提供稳定的 5V 直流电源， 7 段共阳极数码管与 74LS164 串口显示电路简单容易布线，平衡输入单端输出的低电压音频功率放大器 TDA2822，可供 0.5W 的喇叭输出。 3.3 时钟复位电路 AT89C51 芯片是电路的核心元件，下面根据图 4 对其在电路中的作用说明如下 。 时钟 和复位 电路如图 5 所示： E A /V P31X119X218R E S E T9IN T 012IN T 113T014T115P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728RD17WR16P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U?8 9C 5 1Y?C R Y S T A LC1C A PC?C A PR3R E S 2C2C A PV C C图 4 时钟 复位 电路 时钟引脚 XTAL1 和 XTAL2： XTAL1，引脚 18，内部振荡器外接晶振的一个输入nts端， XTAL2，引脚 19， 内部振荡器外接晶振的另一个输入端。 AT89C51 内部有一个高增益的反相放大器， 在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接石英晶体振荡器及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器 。 上图中两个电容器通常 选择 30PF。可稳定频率并对振荡频率有微调功能。振荡脉冲频率范围为 1 24MHz。 本设计中 Y1 为石英振子，电容通常选择 30PF，振荡频率范围为 1 12MHz，本实验选用 12MHz。 控制引脚 RST，引脚 9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上 2 个机器周期的高电平可以实现复位操作。本文采用 上电复位，上电 复位要求接通电源后，自动实现复位操作。图中电容 C13 和电阻 R10 对 +5V 的电源来说构成微分电路，使在刚启动电源时向 RST 引脚输入高电平信号，完成系统的复位操作。 3.4 语音电路的设计 ISD1720 芯片是语音电路的核心芯片，下面根据语音电路 ISD1720 接口电路图说明其作用。 ISD1720 接口如图 7 所示 。 R E CP L A YE R A S EF W DVOLR E S E TFTSSS C L KM O S IM IS OM IC +M IC -A n a l nR o s cAGCL E DV c c dV s s dV c c aV s s aV c c pV s s p 1V s s p 2S P +S P -AUDIN TJ P 1S1S2S3S4S5S6V C CR1 R2R4C1M K 1C2C 1 0R5C 1 1R3D1L E DV C CC3C5+C6+C4C8+C7+C9C 1 2图 5 ISD1720 接口电 路 如图所示 ISD1720 芯片工作于独立按键工作模式。在这个模式下电路非常简单，而且功能强大。不仅有录，放功能控制，而且还有快进，擦除，音量控制直通放音和复位等功能，这 些功能都是通过相应的按键来完成。在按键工作模式时，芯片可以通过 /LED 管脚给出信号来提示芯片的工作状态。 ntsFT： 直通键 在独立模式下，当此脚置低是开启直通功能：即线路输入信号将从 SP 与 AUD/AUX 输出，并可控制音量。在 SPI 模式下可用命令来控制此功能，优先级高于独立模式。 RESET： 复位键 低电平有效，有内部上拉电阻。 VOL： 音量键 8 级音量调节，每个下降沿降低一级音量，到最低后有脉冲则增加音量直到变为最高，然后重复。 FWD： 快进键 播放下一曲。 ERASE： 擦除键 擦除，下 降沿脉冲触发并擦除当前曲，但只有当前曲为首段或末段是才可擦除。保持此脚低电平一定时间将会全部擦除。 PLAY： 播放键 下降沿脉冲触发播放一段，播放时有下降沿时则停止；保持低电平将进入循环播放，高电平则停止。 REC： 录音键 录音低电平录音，高电平停止。 电路的具体操作如下。 录音操作：按下录音键 REC，则该管脚变低后开始录音，知道松开按键使电平拉高或者芯片录满时结束。录音结束后，录音指针会自动移向下一个有效地址。而放音指针则指向刚刚录完的那段语音地址。 放音操作： 点按一下快进键 FWD 将该管脚拉低，会 启动快进操作。快进操作用来将播放指针移向下一段语音信息。当播放指针到达最后一段语音时，再次快进，指针会返回到第一段语音。当下降沿来到 /FWD 端时，快进操作还要决定于芯片当时的状态： （ 1）如果芯片在掉电状态并且当前播放指针的位置不在最后一段，那么指针会前进一段到达下一段语音处。 （ 2）如果芯片在掉电状态并且当前播放指针的位置在最后一段，那么指针会返回到第一段语音处。 （ 3） 如果芯片正在播放一段语音（非最后一段），那么此时放音停止，播放指针前进到下一段，紧接着播放新的语音。 （ 4）如果芯片正在播放最后一段语 音，那么此时，放音停止，播放指针返回到第一段语音，紧接着播放第一段语音。 擦除操作：擦除操作分为 单段擦出和全体擦除两种擦除模式，区别如下： （ 1）单个擦除：只有第一段和最后一段语音可以被单个擦除。电击一下ERASE 键将 /ERASE 管脚拉低，这时具体擦除的情况还要看播放指针的状态： (a)如果芯片空闲并且播放指针指向第一段语音，则会删除第一段语音，播放指针指向新的第一段语音（执行擦除前的第二段）。 （ b）如果芯片空闲并且播放指针指向最后一段语音，则会删除最后一段语音，播放指针指向新的最后一段语音（执行擦除操作 前的倒数第二段）。 nts（ c）如果芯片空闲并且播放指针没有指向第一段或最后 一段，则不会删除任何语音，播放指针也不会改变。 （ d）如果芯片当前正在播放 第一段或最后一段语音，点按 ERASE 键会删除当前语音。 复位操作： 如果用 RESET 控制此管脚，建议 /RESET 管脚与地之间连接一个 0.1uF 的电容，当 /RESET 被触发，芯片将播放指针和录音指针都放置在最后一段语音位置。 音量操作： 点按一下 VOL 键将 /VOL 管脚拉低改变音量。每按一下，音量会减少一档，再到达最小档后再按的话，会增加音量到最大档，如此循环。总共有 8 个音量控制档供用户选择每一档会改变 4dB，复位操作会将音量档放在默认位置。即最大音量。 FT 直通操作： 将 /FT 管脚与 GND 短接，持续保持在低电平会启动直通模式。出厂设定的是在芯片空闲状态，直通操作会将语音从 Analn 端直接通向喇叭端或 AUD 输出口。在录音期间开启 FT 功能，会同时录下 Analn 端进入的语音信号。 3.5 电源电路的设计 电源电路 图 8 是 7805 作为输出电压 V0 固 定的典型电路图 。系统采用 220V供电， 220 交流电经过变压器 T1 降压、二极管 D1 D4 整流、电容 C1 滤波后产生 12V 直流电，可以作为控制继电器的驱动电压。 12V 电压经过稳压器 7805稳压后产生 5V 电压，作为控制电路的主电源。 电路中靠近引脚处接入的电容C1 和 C2 用来实现频率补偿，防止 稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入高频干扰， C3 是点解电容，以减小稳压器输出端由输入电源引入的低频干扰，二极管 D 是保护二极管，当输入短路时，给输出电容 C3 一个放电通路，防止 C3两端电压作用于调整管的 be 结，造成调整管的 be 结击穿 而损坏 。 在设计的过程中，滤波电容 C1 要尽量选择的大，因为在单片机向 EEPROM 中写数据的过程中，持续时间很长，典型时间为 8ms，这里选用的是 2200uF。所以只有选用较大容量的电容，才能在系统突然断电的情况下保证单片机有足够的时间将RAM 中的数据写入 EEPROM 中。 ntsT1T R A N S 3CR1K B P C 8 1 0 C1C A PC2C A PV in1GND2V o u t3U2 V O L T R E GD1D IO D E+C3图 6 电源电路 3.6 串口 4 位数码显示电路 显示电路与单片机联接采用串口方式，由 8 位移位寄存器 74LS164 和共阳极LED 数码管组成。在单片机系统设计中，如果采用并口进行传输，至少会占用十几个端口，若要使用多个数码管的话，则需要进行端口扩 展，这样不仅会使电路设计复杂化，同时也增加成本；相比之下，单片机的串行口在设计中一般没有其它方面的应用，那么可以采用串行输入并行输出的移位寄存器来扩展并行 I/O口，可以节约单片机端口资源。设计过程中，经过多方面的对比和考虑，决定选用 74 系列的 74LS164 芯片进行并行扩展， 74164 是一个 8 位串行移位寄存器，额定的工作电压 5V，极限电压 7V，可以在 -65o 150o 范围进行储存，工作环境温度一般在 0o 70o 之间，适合于本设计硬件系统所处的工作环境，并且 74164芯片还具有复位功能。当 74164 的复位端为低 电平时，它的所有输出端均输出低电平。串行数据输入端 DSA、 DSB 可以控制数据的传输。当清除端（ CLEAR）为低电平时，输出端（ QA QH）均为低电平，通常使用时要将清除端置为高电平。串行数据输入端（ DSA， DSB）可以控制从单片机接收到的数据。当输入端A、 B 任意一个为低电平时， 74164 芯片将禁止新数据的输入，在时钟端脉冲上升沿作用下， Q0 输出为低电平。当 DSA 和 DSB 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在时钟的上升沿作用下来决定 Q0 的状态。 本设计中将第一个 74LS164 的 DSA， DSB 联在一起，接 收由单片机串口送来的信号，它的 Q7 输出端又与下一个 164 的 DSA、 DSB 端联在一起，以此类推，实际组成了 N 8 位的移位寄存器，与数码管联接，可 同时显示多位数字。在设计中为了节省芯片资源，采用了汇编语言实现了日期和时间分屏，仅采用五个 74164 驱动五位的数码管，显示由于数码管实际上是由多个正常工作电压为3V 的发光二极管组成的，系统没有必要单独为数码管提供电源，而是直接从主nts电源上引出一路为数码管供电，在实际应用中，可以在数码管电源与系统主电源之间加上三个二极管来降压，刚 好使其端电压为 3V 左右，符合数码管长时间工作的要求。数码 管显示电路的具体联接方式图 9 所示 。 1122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCP VCCGNDQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q774LS1641122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCP VCCGNDQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q774LS1641122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCP VCCGNDQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q774LS1641122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCP VCCGNDQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q774LS164abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 1D P Y _7 -S E G _D PabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 2D P Y _7 -S E G _D PabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 3D P Y _7 -S E G _D PabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD S 4D P Y _7 -S E G _D P图 7 串口 4 位数码显示电路 3.7滤波电路 因为此电路中的录音芯片 ISD1720 是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，因此在其工作过程中易受内部和外部无规泽信号的影响 。这种无规则信号在此系统中主要表现为录音时话筒噪声和外界电压变化引起的噪声，它们的存在严重影响力系统的工作。因此要在录放芯片的输出端加上一个滤波电路如下图所示。 次滤波电路属于 4 阶巴特沃思低通滤波器， 这种滤波器其第一和第二级放大器的放大倍数都有 规定。 并且随着其阶数的增加，其频率特性就越好。 其具体如下表 阶数 n 2 4 6 8 增益 G 一阶 1.586 1.152 1.068 1.038 二阶 2.235 1.586 1.337 三阶 2.483 1.889 四阶 2.610 表 4 巴特沃思低通滤波器特性 电路中的元件参数确定如下，两级中的截止都工作在同一频率下，此电路处理的是语音信息， 人声男 ： 低 音 82 392Hz，基准音区 64 523Hz， 男中音123 493Hz，男高音 164 698Hz， 女：低音 82 392Hz，基准音区 1601200Hz， 女低音 123 493Hz，女高音 220 1.1KHz。从上面的信息可知，人的声音频率大致在 1KHz 左右。因此，选取截止频率为 1KHz。为了减少nts运放对滤波电路的负载效应，同时便于调节，现选用 TDA2822。电容 C 的容量宜在微法级以下，现选择电容 C3=C1=C2=C6=0.1uF 7788665522441133J P 2C A PR 1 1R E S 2R 1 2R E S 2R 2 2R E S 2R 2 1R E S 2R 1 4R E S 2R 1 3R E S 2R 2 4R E S 2R 2 3R E S 2C1C A PC3C A PC2C A PC6C A PV C C图 8 滤波电路 3.8 语音输出电路的设计 ISD1720 语音芯片的音频输出功率很小，不能直接驱动扬声器，需要加音频功率放大器。语音播放输出电路由集成功率放大器和扬声器组成，设计 中采用的集成功率放大器为常用的 TDA2822，使用简单，可靠。 语音输出电路图如图 11所示 。 本设计采用集成功率放大器 TDA2822 作为语音放大器的功放级， TDA2822是 8 脚 DIP（双列直插）封装结构（ 1 脚为输出端， 2 脚为正电源端， 3 脚输出端，4 脚为接地端， 5 脚为反向输入端， 6 脚为输入端， 7 脚为输入端， 8 脚反向输入），消耗的静态电流约为 4mA，是应用电池供电的理想器件。该集成功率放大器同时还提供电压增益放大，其电压增益通过外部连接的变化可在 20 200 范围内调节。其供电电源电压范围为 4 15V，在 8 欧姆负载下 ，最大输出功率为 325mW，内部没有过载保护电路。功率放大器的输入阻抗为 50000欧姆，频带宽度 300kHz。 语音输出电路与 滤波电路输出端相连接 。与扬声器输出引脚和集成功率放大器相连的 R33 起到了分压作用 . R34 和 C10 构成扬声器补偿网络，可吸收扬声器的反电动势，用以抵挡扬声器线圈电感在高频是产生的不良影响，改善功率放大电路的高频特性和防止高频自激。由于 TDA2822 支持双声道， 7 脚与 6 脚分别为 TDA2822 脚的输入端。在设计中只使用到了一个声道，所以在电路中将 7脚接地。 nts7788665522441133J P 1C A PC4C A PR 3 1R E S 2R 3 2R E S 2R 3 3R E S 2R 3 4R E S 2C9C A P C 1 0C A PC5C A PV C CL S 1S P E A K E R+C7图 9 TDA2822 典型应 用电路 3.8 系统软件设计方案 系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、倒计时子程序、时间比较子程序、开关子程序、显示刷新子程序等共同组成。 系统程序框图如下 。 nts 图 13 程序流程图 结论 本文介绍了以 AT89C51单片机为基本核心元件，针对 ISD1820语音芯片的特点所构成的语音录放系统。 系统硬件电路简单，调试方便， AT89C51的扩展接口较多，便于在用户需要的时候能够扩展他的功能。 而且体积小，使用起来更加方便。该设计可用于微格 教学实践活动，既可以提高实习效果，又降低成本，具有较高的实用价值。 致谢 四个多月的毕业设计结束了，这次毕业设计让我学到了很多东西。毕业设计是大学四年所学知识的综合应用，为以后的工作打下坚定的基础。经过这次毕业设计，使我对 单片机 的工作原理有了进一步的了解。在设计中我得到了 田 老师的开始 系统初始化 按键输入扫描 有键按下 时分秒数值调整 启动键是否按下 倒计时开始 定时时间到否 暂停键是否按下 语音 提示 N Y Y Y N N N nts悉心指导，他的渊博知识、严格要求、严谨作风都给我留下了很深刻的印象，将使我受用一生，在此对 田 老师表示感谢，另外在设计当中也得到了很多同学的支持，在此感谢他们。 鉴于作者的水平有限，难免存在一些错误和漏洞，望各位专家、学者不吝赐教，在 此向大家表示衷心的感谢。 参考文献 1 余永权 . ATMEL89系列单片机应用技术 . 北京航空航天大学出版社 .2002.4 2 李 鸿 . 单片机原理及应用 .湖南大学出版社 . 2004.8 3 夏继强 . 单片机实验与实践教程 .北京航空航天大学出版社 . 2001.1 4 王南阳 . 单片优质语音录放集成电路应用手册 .机械工业出版社 .2006.1 5 马淑华、王凤文、张美金 .单片机原理及接口技术 .北京邮电大学出版社 .2005.10 6 陈欢庆 .电子制作理论与实践 M.浙江大学出版社 .2005.3 7 靳达 .单片机应用系统开发实例导航 .人民邮电出版社 .2003.6 8 朱定华 .微型计算机原理及应用 M.北京：电子工业出版社 .2000 9 高峰 .单片微机应用系统设计及实用技术 M.北京：机械工业出版社 .2004 10 彭为，黄科 . 单片机典型系统设计 . 电子工业出版社 .2006 11 张大明 . 单片微机控制应用技术实操指导书 . 机械工业出版 .2005.6 12 董晓红 . 单片机原理及接口技术 .西安电子科技大学出版社 .2004.8 13 赫建国 . 单片机在电子电路 设计中的应用 . 清华大学出版社 .2006.5 14 元洪波，蒋晓松，程广才 .ISD2500系列语音芯片的特性及应用 .电声技术 .2000(9) 3335 15 翟祺，金文臣 .ISD系列单片语音录放电路的原理及应用 .山西电子技术 . 2001（ 3） 26-29. 附录一 nts EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1 89C51Y1 CRYSTALC1 CAPC13CAPR6 RES2C2CAPVCCVCC1122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCPVCCGNDQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS1641122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCPVCCGNDQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS1641122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCPVCCGNDQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS1641122334455667788991010111112121313DSADSBCLKCPVCCGNDQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774LS164ab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS1DPY_7-SEG_DPab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS2DPY_7-SEG_DPab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS3DPY_7-SEG_DPab fcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS4DPY_7-SEG_DPVCCVCC7788665522441133JP2CAP7788665522441133JP1CAPR11RES2C4 CAPR12RES2R22RES2R21RES2R14RES2R13RES2R24RES2R23RES2C1 CAPC3 CAPC2 CAPR31RES2R32RES2R33RES2R34RES2C9 CAPC10CAPC5 CAPC6 CAPVCCVCCLS1SPEAKERRECPLAYERASEFWDVOL RESETFT SS SCLKMOSIMISOMIC+MIC-AnalnRoscAGCLEDVccdVssdVccaVssaVccpVssp1Vssp2SP+SP-AUD INTJP1S1 S2 S3 S4 S5 S6VCCR1R2R4C1MK1C2 C10R5C11R3D1 LEDVCCC3 C5+C6+C4C8+C7+C9C12S7 SW-PBR7 RES2nts 程序清单ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP SERVE ORG 0030H MAIN:MOV DPTR,#TAB MOV TMOD,#01H MOV TL0,#78H MOV TH0,#0ECH MOV R2,#100 MOV R3,#00H MOV R4,#03H CLR A MOV 30H,A MOV 31H,A MOV 32H,A MOV 10H,A MOV 11H,A MOV 12H,A SETB ET0 SETB EA SETB TR0 LCALL XS S1: JB P1.2,S4 LCALL YS JB P1.2,S4 CLR P1.3 CLR P1.4 JNB P1.2,$ SETB P1.3 SETB P1.4 INC R3 CJNE R3,#01H,N1 MOV 10H,#50 MOV 12H,#50 LJMP S4 N1:CJNE R3,#02H,N2 MOV 11H,#50 MOV 12H,#50 LJMP S4 N2:CJNE R3,#03H,S4 MOV R3,#00H S4:JB P3.7,S5 LCALL YS JB P3.7,S5 CLR P1.7 CLR P1.3 MOV R5,#40 S41:CJNE R3,#01H,S42 INC 31H MOV A,31H CJNE A,#60,S43 MOV 31H,#00H AJMP S43 S42:CJNE R3,#02H,S45 INC 30H MOV A,30H CJNE A,#24,S43 MOV 30H,#00H S43:JB P3.7,S45 LCALL YS SETB P1.3 nts SETB P1.7 S44:LCALL YS DJNZ R5,S44 MOV R5,#15 JNB
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