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微格教室语音控制系统,毕业设计

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河南科技学院本科毕业论文（设计）中期 进展情况 检查表 学生姓名 周威 班级 应教 051 指导教师 田泽正 论文（设计）题目 微格教室演讲控制器的设计与研制 目前已完成任务 完成了对语音电路、语音输出电路、电源电路电路、四位串口显示电路和单片机外围电路的设计， 编 写出了部分 程序 ，同时整理了一部分毕业论文。 是否符合任务书要求进度： 符合 尚需完成的任务 电路板的制作和 电路 调试 能否按期完成论文（设计）： 能够按期完成毕业论文。 存在问题和解决办法 存 在 问 题 1.电路板的实际制作经验不足； 2.单片机程序设计 经验 不足； 3.在毕业论文的撰写过程中， 一些文字图片处理软件运用不够熟练。 拟 采 取 的 办 法 在老师的指导和自己的努力下弥补自己的缺陷和不足，多学习和自己毕业设计方面有关的知识和 技术。和同学讨论、交流。确保按时 按质完成毕业设计。 指导教师签 字 日期 年 月 日 教学院长（ 系 主任） 意 见 签字： 年 月 日 nts nts毕业论文（设计）任务书 题目名称 微格 教室演讲控制器设计与研制 学生姓名 周威 所学专业 应用电子技术教育 班级 051班 指导教师姓名 田 泽 正 所学专业 机电 职称 教授 完成期限 2008年 12月 12日 至 2009年 6月 15日 一、 论文（设计）主要内容及主要技术指标 1.主要内容 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 、时间与反馈资源也成为巨大的投资，单片机具有体积小、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。 2.技术指标 （ 1）单片机、语音芯片的选用； （ 2）电源，语音输出的设计； （ 3）能实现倒计时时间设定，时间的数码管显示； （ 4）定时控制要求在定时结束时语音芯片能够进行自动提示； 一、 毕业论文（设计）的基本要求 1.毕业设计报告：有 200字左右的中英文摘要，正文后有 20篇左右的参考文献，正文 中要引用 15篇以上文献，并注明文献出处。 2.有不少于 2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。 3.毕业设计字数在 20000字以上。 4.程序清单和图纸。 三、毕业论文（设计）进度安排 1.2008年 12月 12日 -12月 16日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译 和开题报告。 2. 2009年 2月 25-3月 9日（第 1-2周），指导教师审核开题报告和设计方案。 3. 2009年 3月 10 日 -5月 4日（第 3-10周），毕业设计单元部分设计。 4. 2009年 5月 5-11 日（第 11 周），毕业设计中期检查。 5. 2009年 5月 12-6月 1日（第 12-14周），设计仿真、程序调试、线路板制作调试， 整理、撰写毕业设计报告。 6. 2009年 6月 2-15日（第 15-16周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查 评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。 nts 河南科技学院 2009 届本科毕业论文（设计） 论文题目： 微格教室演讲控制器 设计与研制 学生姓名： 周 威 所在院系： 机电学院 所学专业： 应用电子技术教育 导师姓名： 田泽正 完成时间： 2009 年 5 月 24 日 nts nts 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称 微格教室演讲控制器 设计与研制 学生姓名 周威 专业 应用电子技术教育 学号 20050324122 指导教师姓名 田泽正 所学专业 机电 职称 教授 完成期限 2008 年 12 月 12 日至 2009 年 5 月 20 日 一、选题的目的意义 微格教室通常又被称为“微型教室”，它是由美国斯坦大学艾伦教授等人创立的一种利用现代视听设备（摄像机、录像机等），专门训练学生掌握某种技能、技巧的小规 模教学活动。微格教室是在装有电视摄像、录像系统的特殊教室内，借助摄像机，录像机等媒体，进行技能训练和教学研究的教学环境。一般由于师范院校的学生和在职教师技能培训的模拟教师活动。由于微格教室特殊性，其建立需要巨大的投入。随着现在信息技术的发展，特别是单片机技术的发展，给微格教室的发展提供了新的平台。单片机体积小，功耗低，控制能力强，易于扩展的优点，带动了微格教室基础电子硬件的小型化，方便了微格教室的建立，使得其在各内师范院校得到广泛运用。以单片机为核心的微格教室控制器作为微格教室硬件系统化的重要组成部分，其研 制 必将使我们对单片机原理及运用有更为深入的了解，为以后工作打下一个坚实的基础。 二、国内外研究现状 单 片机自 70 年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势。 1.低功耗 CMOS 化。 MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺 )。象 80C51就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺 )和 CHMOS(互补高密度 金属氧化物半导体工艺 )。 CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 。 2.微型单片化。现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 (CPU)、随机存取数据存储 (RAM)、只读程序存储器 (ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、 PMW(脉宽调制电路 )、 WDT(看门狗 )、有些单片机将 LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD(表面封装 )越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 3.主流与多品种共存。 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品， ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精简指令集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一 统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路 。 nts 三、主要研究内容 1.主要内容 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、时间与反馈资源也成为巨大的投资，单片机具有体积小、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。 2.技术指标 （ 1）单片机、语音芯片的选用； （ 2）电源，语音 输出的设计； （ 3）能实现时间的数码管显示； （ 4）定时控制要求在定时结束时语音芯片能够进行提示； 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 研究方法：在老师的指导下进行整个系统的设计 写作方法：在老师的指导下进行整篇论文的写作。 技术路线：通过图书馆查阅及网上搜索资料的途径，参照国内外部分相关设计，在老师的指导和帮助下完成此设计方案，并将相关的电路图由 Protel 99 SE 绘出，通过 EDA 进行仿真，最终完成整个设计。 五、 主要参考文献与资料 1阎石 .数字电子技术基础 . 北京：高等教育出版社， 1997 2房小翠，王金凤单片机实用系统设计技术北京：国防工业出版社， 1999 3康华光电子技术基础模拟部分北京 :高等教育出版社 ,1999.6 4李朝青单片机原理及接口技术北京：北京航空航天出版社， 1999.3 5康华光 ,邹寿彬电子技术基础数字部分北京 :高等教育出版社 ,1999.6 六、 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 nts nts河南科技学院本科生毕业论文（设计）成绩评定表 学生姓名 周威 院（系） 机电学院 专业 应用电子技术教育 论文（设计）题目 微格教室演讲 控制器的设计与制作 评 阅 教 师 评 语 及 评 分 评阅教师评语： 该设计有一定独特见解，能广泛应用于广泛本专科院校毕业答辩当中，有其独特的实用价值和经济价值； 论文结构严谨，逻辑性强，论述层次清晰，语言准确，文字顺畅 ，并能简明扼要、重点突出地阐述论文的主要内容，能准确流利地回答各种问题 ；实物演示功能成功，并能讲解使用方法和注意事项。 评阅教师评分 ： 评阅教师签字： 年 月 日 nts河南科技学院本科生毕业论文 (设计 )指导过程记录表 论文 (设计 )题目 微格 教室演讲控制器的设计与研制 学生姓名 周威 专业 应用电子技术教育 学生学号 20050324122 班级 051 指导教师姓名 田泽正 职称 教授 第 1次指导： 发派设计任务，确定了设计方向。 指导时间 年 月 日 第 2次指导： 收集资料，确定了可实现设计的方案。 指导时间 年 月 日 第 3次指导： 查询资料，对比方案，确定了设计方案为用单片机实现。 指导时间 年 月 日 第 4次指导： 根据所掌握的资料，确定了所能实现的功能，考虑暂时不能实现的功能如何才能实现。 指导时间 年 月 日 第 5次指导： 确定了单片机硬件实现框图、程序大概实现办法。 指导时间 年 月 日 第 6次指导： 结合程序实现方法，设计出了单片机硬件控制电路、单片机显示电路、语音提示电路。 指导时间 年 月 日 nts续表 第 7次指导： 制作出了单片机控制电路板、显示电路板及主意提示电路板。 指导时间 年 月 日 第 8次指导： 设计出了全部所需程序，软件模拟调试。 指导时间 年 月 日 第 9次指导： 烧写程序，并与硬件联合调试，经调试修改后，功能实现无误，制作出了外包装。 指导时间 年 月 日 第 10次指导： 整理材料，撰写好了论文。 指导时间 年 月 日 第 11 次指导 ： 上交了论文，基本可以，稍作部分修改。 指导时间 年 月 日 第 12次指导： 论文修改可以，可以答辩。 指导时间 年 月 日 说明： 1.此表为指导教师指导学生结业论文 (设计 )的过程记录表，由指导教师填写。 2.要求指导教师每周至少指导学生 2次。每周 集中填写指导记录表 1次。 3. 论文 (设计 )完成后，此表由指导教师交院 (系 )教学秘书处保存。 nts 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。 关键词 : 89C51 ， ISD1720， 独立模式 ， 巴特沃思滤波器 nts Micro-controller Development of classroom lectures and Design Abstract The main design is the design of a micro-class voice-control system using 89C51 single-chip microcomputer as the main control chip, the use of audio players as ISD1720 chip, at the same time showing the circuit arrangement. Its features include a timer, display, and playback. Player in the voice processing, the addition of 4-order Butterworth low-pass filter, so that the voices of players become clearer. Thus enhancing the overall performance of the circuit system. At the same time, the use of the system independent of the ISD1720 chip mode, rather than the SPI mode. This allows easy programming, superior performance and enhance the practicality of the system. Keywords: 89C51 , ISD1720 , Butterworth filter, Stand-alone mode nts 目 录 1 引言 1 1.1 选题背景及现状 1 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 3 2.1 微处理器选取 3 2.2 ISD1720 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 3.8 语音输出电路设计 13 3.9 系统软件设计 14 4 结论 15 致谢 15 参考文献 16 附录一 17 程序清单 18 nts 1 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。 nts 2 单片机和语音芯片的选取 2.1 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 。 表 1 AT89C51 和 AT89C2051 主要性能表 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 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。 AT89C51nts 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。 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 。 （ 7） 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。 nts 图 2 ISD1720 引脚图 表 2 引脚功能表 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 。 11 MIC- 话筒差分信号的负向输入端；输入信号需经过耦合电容 nts 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 3 振荡电阻和取样率表 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 nts AT89C51ISD1720 语音处理 复位电路 时钟电路 四 串口显 示示 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 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 4 所示： E A / V P31X119X218R E S E T9I N T 012I N 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 D10U18 9C 5 1Y1C R Y S T A LC13 0u FC 1 33 0u FR61KC22 2u FV C CV C CS7S W - P BR71K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 124MHz。 本设计中 Y1 为石英振子，电容通常选择 30PF，振荡频率范围为 112MHz，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nts 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。 3.3 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 5 所示 。 R E CP L A YE R A S EF W DVOLR E S E TFTSSS C L KM O S IM I S OM I C +M I C -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 -AUDI N TJ P 1S1S2S3S4S5S6V C CR1 R2R4M K 1C2C 1 0R5R3D1L E DC30 .1 u FC5C8C 1 20 .1 u FC74 .7 u F+ C 1 60 .1 u F+ C 1 50 .1 u F+C 1 40 .1 u F+ C 1 70 .1 u FC 1 14 .7 u F4 .7 K 4 .7 K4 .7 u F4 .7 u F4 .7 K 2 00 K0 .1 u F1K0 .1 u FV C C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。 FT： 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nts 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： 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： （ 1） 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）。 （ 2） 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）。 （ 3）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。 （ 4）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。 nts 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 功率放大器 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 。 T1CR1C10 . 22C20.1V i n1GND2V o ut 3U27805J P ?4 70 uC31 00 u2 20 V图 6 电源电路 3.5 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，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nts 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 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。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 3.6 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nts 下表 表 4 巴特沃思低通滤波器特性 阶数 n 2 4 6 8 增益 G 一 级 1.586 1.152 1.068 1.038 二 级 2.235 1.586 1.337 三 级 2.483 1.889 四 级 2.610 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 绝大部分 在 1KHz 左右。因此，选取截止频率为 1KHz。为了减少运放对滤波电路的负载效应，同时便于调节，现选用 CF412。电容 C的容量宜在微法级以下，现选择电容 C3=C1=C2=C6=0.1uF 由下面的公式： 12f RC （ 1） 求出 R11， R12， R21， R22 为 3.2K 欧，再由第一级增益为 1.152，第二级增益为 2.235，在深度反馈条件下，增益 ： 1 1 4 131VA R R（ 2） 2 2 4 2 31VA R R（ 3） 同时为了降低干扰，放大器两端静态输出电阻保持相等。 1 2 1 1 1 3 1 4 1 3 1 4R R R R R R （ 4） 2 1 2 2 2 3 2 4 2 3 2 4R R R R R R （ 5） 由以上三个条件可得 R14 和 R13 为 3.7K 和 24.3K 欧， R24 和 R23 为 7.2K和 5.8K 欧。 nts R 1 13 .2 KR 1 23 .2 KR 2 23 .2 KR 2 13 .2 KR 1 43 .7 KR 1 32 4 . 3 KR 2 47 .2 KR 2 35 .8 KC10 .1 u FC20 .1 u FC60 .1 u FV C CA R 2O P A M PA R 1O P A M PC20 .1 u F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， TDA2822 是双声道音频功率放大器 ，TDA2822 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 1000mW，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。 其在工作频率为 1KHz 失真率为 10%的条件下，在不同的电压和负载下其输出功率为： 表 5 TDA2822 输出特性 负载 电源电压 典型输出功率 LR=32 CCV=9V 300mW CCV=6V 120 mW CCV=4.5V 60 mW CCV=3V 20 mW LR=16 CCV=6V 220 mW LR=8 CCV=9V 1000 mW CCV=6V 380 mW nts 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 6脚接地。 1 0KR E S 2R 3 34 .7R 3 44 .7C90 .1 u FC 1 00 .1 u FC50 .0 1 uFV C CL S 1S P E A K E R123456678U1B E L LC41 00 u F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、 定时 程序、显示 程序等共同组成。 其中定时程序和显示程序作为中断子程序来完成系统 功能。定时程序是以定时器T0 的中断服务子程序， 其优先级为高级， 显示程序是通用型 串行通信口的中断服务子程序，其优先级为高级。 系统程序框图如下 其中 图 10 主程序 初始化 标志位 为 1 返回 是 否 nts 图 11 定时程序 4 结论 本文介绍了以 AT89C51单片机为基本核心元件，针对 ISD1720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的扩展接口初始化 标志位清零 计数次数加 1 计数次数20 秒加 1 十进制转换 秒 60 分加 1 十进制转换 返回 是 否 否 是 nts 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。 nts 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 .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 . 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