基于51单片机的数字语音存储与回放系统设计

键入文字 I 基于 51 单片机的数字语音存储与回放系统设计 摘摘 要要 该文采用 AT89C51 单片机和 ISD2560 语音芯片设计一款实时语 音录放系统 能实现录音时间达 60s 录放音受按键控制 可复位且 音量可调等诸多功能 整个系统共有三大模块 单片机控制模块 语音录放模块 功放 模块 控制模块核心是 51 单片机的口线功能 通过对按键的识别来 控制语音录放模块的工作模式 语音录放模块能实现对声音的处理 存储以及复原的功能 功放模块能对复原好的音频信号加以放大 使 声音更加清晰明亮 整个设计围绕以下三方面进行研究 总体方案设 计 硬件电路设计 软件设计 关键词 AT89C51 单片机 语音存储 语音回放 键入文字 II DESIGN OF VOICE RECORDING AND PLAYBACK SYSTEM BASED ON AT89C51 ABSTRACT The propose of this paper is to design a real time speech recording system with AT89C51 microcontroller and ISD2560 voice chip it can realize the recording time of 60s sound recording and playback controlled by button can reset and voice can adjust The system includes three modules single chip microcomputer control module voice recording module power amplifier module Core of control module is 51SCM mouth line function through the identification of key to control the voice recording module work model voice recording module can realize voice processing storage and playback power amplifier module for audio signal amplified to make the sound more clear and bright The whole design around the following three aspects the overall design hardware circuit design and the design of software Key Words AT89C51 phonetic storage phonetic playback 键入文字 III 目录目录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 目录目录 III 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 语音存储技术的发展前景 2 1 4 设计任务与要求 3 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 4 2 1 总体方案论证 4 2 2 器件选择 5 2 2 1 单片机的选择 5 2 2 2 语音芯片选择 6 2 2 3 功放选择 6 2 3 各芯片详细说明 6 2 3 1 AT89C51芯片 6 2 3 2 ISD2560语音芯片 8 2 3 3 LM386集成功率放大器芯片 12 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 15 3 1 硬件电路总体设计 15 3 2 AT89C51 的外围电路设计 15 3 2 1电源 15 3 2 2晶振电路设计 15 3 2 3 复位电路设计 16 3 3 语音电路设计 17 键入文字 IV 3 4 功放电路设计 18 3 5 键盘输入电路和状态显示电路设计 19 第第 4 章章 软件设计软件设计 20 4 1 主要变量说明 20 4 2 主程序流程图 21 4 3 子程序流程图及代码 22 4 3 1 录音子程序 22 4 3 2 放音子程序 23 第第 5 章章 系统调试与实验结果系统调试与实验结果 25 5 1 系统调试 25 5 2 实验结果 27 第第 6 章章 总结总结 28 参考文献参考文献 29 附录附录 30 致谢致谢 35 作品使用说明书作品使用说明书 36 键入文字 1 第第 1 章章绪论绪论 1 11 1课题研究背景课题研究背景 随着生活节奏的日益加快 城市智能化建设的不断发展 在智能仪器仪表和 工业控制系统中增加语音录放功能成为了极为普遍的现象 添加语音功能不仅使 得机器更加 聪明 和人性化 还能让使用者操作更加得心应手 当前把语音作为 服务手段的行业越来越多 如电脑语音钟 语音型数字万用表 移动手机智能语 音系统 叫号机 语音监控报警系统 公交车报站器和卫星导航系统等 1 可以 说 语音系统是社会生活和生产不可缺少的东西 它的发展是社会进步的必然结 果 语音系统需要建立在硬件基础之上 而其系统的控制核心一般是使用单片机 单片机具有体积小 功耗低 控制功能强 扩展灵活 微型化和使用方便等优点 它几乎渗透到我们生活的各个领域 军事领域的各类导航系统 计算机网络通讯 与数据传输系统 各类工控企业的自动化实时控制和数据处理系统 各类智能 IC 卡 汽车的报警 导航 安全 娱乐系统 录音 摄像机 全自动洗衣机系 统以及各类发生遥控玩具和电子宠物等等 可以说 单片机体现的是它强大的控 制能力 数字语音录放技术是指利用数字化技术对语音信号进行采集 处理 并且在 一定存储设备中进行存储 并可在需要时进行输出的过程 相对于模拟设备来说 数字设备易于集成 小型化 成本更低 同时更为稳定 且操作更为直接 方便 使得数字语音录放系统目前在各种领域中都得到了广泛的应用 2 例如监控环境 中使用的语音采集系统 再如家庭或学校中使用的语音复读机等 都可看作是数 字语音录放系统的典型应用 在对语音信号的处理方面 常规方法是采用滤波器处理接收到的模拟语音信 号 通过模数转换成为数字信号 再由单片机控制存储到存储器中 在需要输出 键入文字 2 语音信号时 亦可由单片机控制从存储器中输出 再经数模转换成模拟信号 通 过 I V 变换成电压信号 滤波后通过功放将语音信号输出 但是这种方法的缺点 是 输出不稳定 语音信号有杂音或者变音 这是模拟电路所不能避免的缺点 3 为了解决这个问题 我们可以采用专用的语音芯片 利用其模拟信号技术直 接存储技术来解决上述问题 语音芯片可以很方便的和单片机系统相结合 其体 积和重量也能符合单片机系统的要求 因此 基于单片机和语音芯片的语音系统 应运而生 1 21 2国内外研究现状国内外研究现状 近年来 语音信号处理技术的发展可谓日新月异 新技术的出现为语音录放 系统的发展指引了新的方向 对语音信号的前期采集 中期的处理从之前的对波 形进行编码和压缩转变为现在的参数编码和压缩 从而大大减少了需要存储的数 据 节省了硬件存储空间 举例来说 原始语音一般都是采用 8KHz 抽样 16bits 的线性 PCM 编码进行采集 在一般的系统中就直接将采集后的数据进行 存储 而如果采用参数编码对采集后的数据进行压缩 存储量则可以大大减少 当需要恢复语音时 可利用编码后的参数进行合成 可以得到质量令人满意的结 果 目前比较典型的语音器件有早些的 ISD2560 ISD1420 到现在的 ISD4004 ISD1700 ISD 系列是由美国 ISD 公司研发的专业语音处理芯片 芯片 采用模拟信号直接存储技术 将声音信号直接写入存储单元而不经 A D 或 D A 转换 所以使用 ISD 芯片能非常好的再现语音 可避免因一般固体语音电路的量 化和压缩所引起的量化噪声和失真情况 另外芯片功能强大 即录即放 语音可 掉电保存 10 万次的擦写寿命 手动操作和 CPU 控制兼容 可多片级联 无需 开发系统等等 确实给欲实现语音功能的单片机应用设计人员提供了解决方案 现在市场上已有公司将以 AT89C2051 单片机与 ISD 语音芯片组成的语音组合板 用串口通信 芯片里固化有一些常用语音词汇 用户不需了解语音功能的工作原 理 只需通过串口按一定协议发送代码即可送出语音 键入文字 3 1 31 3语音存储技术的发展前景语音存储技术的发展前景 未来语音存储技术的革新主要是硬件技术 处理能力 以及语音编码技术的 进步 单片机技术的发展越来越快 未来将向低功耗 微型化发展 以 51 为基 础的模式不会动摇 但在容量和性能上将作出很大提高 而串行总线结构可以使 得单片机系统结构更加简单和规范 语音存储与回放技术的核心是语音编码 它 是现代语音技术的三大核心之一 语音识别 文本语音转换 语音编码 在未 来 实现速度在 2 4 4 8Kbps 的高质量的加密方式 另一方面 将采用更先进的 技术对语音信号进行处理 减少存储空间 而在整体的语音技术发面 智能语音 将是未来发展的主要方向 语音识别技术和语音合成技术 将是未来的主导 他 们将推动语音技术向语境真实化和多模态化发展 但是面临的核心技术也将越来 越难 4 而在另一方面 未来数字化和信息化的联系日益紧密 继而影响科技进步和 现代化进程 在现代社会 推动时代发展的根本力量 仍然是信息化和科技进步 推动的全球经济一体化 像语音存储技术一样的数字化技术的进步 一方面能推 动人类社会的发展 另一方面 人类综合能力 实践能力和创新能力的提高 也 会推动数字信息化在更高领域里德创造 1 41 4设计任务与要求设计任务与要求 本文的设计任务是用 AT89C51 单片机设计一款数字语音存储与回放系统 要求整个系统录音时间达到 60s 放音效果真实清晰 采样频率达 8KHZ 工作 电压 5V 系统录放音可受按键控制 可复位且音量可调有较强的抗干扰能力 设计要求 首先要确定总体的设计方案 绘制出总体结构框图 分析系统的 工作原理以及各个元器件的功能作用 再完成各单元具体电路的设计 包括单片 机最小系统硬件电路 外围 语音录放 功放 键盘输入等电路 最后用编程软 件完成程序编写和烧入并对系统进行调试 键入文字 4 第第 2 章章总体方案设计总体方案设计 2 1 总体方案论证总体方案论证 方案一 利用单片机及其外围硬件电路 包括 A D D A 滤波及放大电路 等 就能完成语音信号的数字化采集 存储和回放的功能 系统主要由 ATMEL 公司的 AT89C51 ADC DAC 及闪速存储器组成 它的原理图如图 2 1 所示 录音时 模拟语音信号先通过 MIC 转换成微弱的电信号 再经专用的音频前置 放大器放大和带通滤波器滤波后 由模数转换器 A D 转换成数字信号 单片机 控制数字信号存储在存储器中 在需要放音时 单片机控制数字信号从存储器中 读出 再经 D A 的转换还原成模拟信号 再通过滤波 放大后由扬声器输出 5 这种方法过程简单 但是语音信号容易受到外界的干扰而失真 并且信号的压缩 存储比较复杂 硬件电路不宜调试 键入文字 5 AT89C51 带带通通滤滤波波器器带带通通滤滤波波器器 A D转转 换换 D A转转 换换 采采样样保保持持 闪闪速速存存储储器器 MIC放放大大器器放放大大器器 Speaker 图 2 1 方案一系统原理图 方案二 可采用单片机与专用的语音处理芯片来设计语音存储与回放系统 实现对语音的录放功能 采用语音芯片技术来处理语音信号 系统具有抗干扰能 力强 存储方便 调试简单 可作为语音服务的子系统等纵多优点 在一块芯片 上集成有麦克风前置放大器 自动增益控制电路 抗混淆和平滑滤波器 模拟存 储阵列 扬声器驱动器 控制接口和内部精确的参考时钟 加上麦克风 扬声器 开关和少数的几个电容 电阻和电源 就可构成一个完整的语音录放系统 我们 以 ISD 公司的生产的 ISD2560 系列语音芯片为例 系统原理框图如图 2 2 所示 模拟语音语音信号进过麦克风之后直接送入 ISD2560 芯片加以处理和存储 放音 时 ISD2560 芯片再把存储好的数字信号还原成模拟信号 再通过放大器把信号 放大 最后用扬声器放出来 6 该系统具有重复录放 音质好 低功耗 抗强干 扰等优点 单单片片机机控控制制 ISD2560SpeakerMIC 按按键键控控制制 功功率率放放 大大器器 键入文字 6 图 2 2 方案二系统原理图 通过有效性和实用性对比 发现方案二具有更强的优势 因此选择方案二 下面 就针对此方案做具体的介绍 2 2 器件选择器件选择 2 2 1 单片机的选择 单片机是一种集成电路芯片 即在一块集成电路芯片上集成微处理器 存储 器 I O 接口电路 从而构成单芯片的微型计算机 它具有中断 独立定时器 计 时器等功能 有着出色的控制能力 进过数十年的研究发展 目前单片机家族复 杂庞大 包括 STC 单片机 PIC 单片机 MCS 系列单片机 ATMEL 单片机 TI 单片机和 AVR 单片机等等 单片机有着强大的线控能力 和我们日常生活 生 产息息相关 本文选用目前普遍使用的 ATMEL 公司的 51 系列单片机作为控制核心 以 下是两款 51 单片机的性能对比表 AT89C51 是带 4K 字节 FLASH 存储器的低电 压 高性能 8 位单片机 有两个定时计数器和六个中断源 而 AT89C2051 作为 AT89C51 的精简版本只带 2K 字节闪存且口线较少 不利后期口线拓展 因此我 们选 AT89C51 单片机 表 2 1 AT89C51 和 AT89C2051 主要性能对比 项目 AT89C51AT89C2051 存储器 4KB 可编程 Flash 存储器2KB 可编程 Flash 存储器 存储器保密三级程序存储器保密两级程序存储器保密 内部 RAM128 字节128 字节 静态工作频率0Hz 24MHz0Hz 24MHz 定时 计数器2 个 16 位定时 计数器2 个 16 位定时 计数器 串行通讯口1 个串行通讯口1 个串行通讯口 中断源6 个中断源6 个中断源 I O 引线 32 条 I O 引线15 条 I O 引线 2 2 2 语音芯片选择 语音芯片分语音 IC 和音乐 IC 它内部集成有麦克风前置放大器 自动增益 键入文字 7 控制电路 抗混淆和平滑滤波器 模拟存储阵列 扬声器驱动器 控制接口和精 确的参考时钟 它能自动完成语音数据的采集 分析 压缩 存储等步骤 一次 录放音包括 ADC 和 DAC 两个过程 语音信号通过采样转化为数字 存储在 IC 的 ROM 中 再通过电路将 ROM 中的数字还原成语音信号 本设计要求系统录音时间达到 40s 以上 采样频率达 8KHz 因此可选用普 遍使用的 ISD2560 语音芯片 2 2 3 功放选择 为使系统外围元件最少 信号谐波失真率小和信号增益调节范围大 我们可 使用美国国家半导体公司生产的 LM386 音频集成功率放大器 2 3 各芯片详细说明各芯片详细说明 2 3 1 AT89C51 芯片 AT89C51 单片机是一款自带 4KB 字节 FLASH 存储器的高性能微处理器 分辨率为 8 位 该器件采用 ATMEL 独有存储技术制造 兼容工业标准的 MCS 51 指令集 以下是它的主要特点 1 与 MCS 51 兼容 2 4k 字节可编程 Flash 闪速存储器 3 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 4 全静态操作 0Hz 24MHz 5 三级加密程序存储器 6 128 8 字节内部 RAM 7 32 个可编程 I O 口线 8 2 个 16 位定时 计数器 9 5 个中断源 10 可编程串行 UART 通道 11 低功耗空闲和掉电模式 12 片内振荡器和时钟电路 键入文字 8 AT89C51 芯片引脚排列详见附录 1 下面就本设计的相关的引脚作功能介绍 P0 口是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口 当访问外部数据时 它是地 址总线 低 8 位 和数据总线复用 外部不扩展而单片应用时 则作一般双向 I O 口用 P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载 P1 口是具有内部提升电路的双向 I O 端口 准双向并行 I O 口 其输出可 以推动 4 个 LSTTL 负载且仅可以作为用户的输入输出端口 P2 口也是具有内部提升电路的双向 I O 端口 准双向并行 I O 口 如果程 序访问的是外部 ROM 时 它是作高 8 位地址 当仅使用内部 ROM 时 则作一 般双向 I O 口 每一个引脚输出可以推动 4 个 LSTTL 负载 7 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的复用功能 如表 2 2 所示 RST 复位输入 VCC AT89C51 的正极 输入 5V 电压 GND 电源接地端 XTAL1 接外部晶振的一个引脚 在单片机内部 它是一反相放大器输入端 这个放大器构成了片内振荡器 当它采用外部振荡器时 一些引脚应接地 表 2 2 P3 口复用功能表 端口引脚复用功能 P3 0 RXD 串行通信输入 P3 1TXD 串行通信输出 P3 2INT0 外部中断 0 输入 低电平有效 P3 3INT1 外部中断 1 输入 低电平有效 P3 4T0 计数器 0 外部事件计数输入端 P3 5T1 计数器 1 外部事件计数输入端 P3 6WR 外部随机存储器的写选通 低电平有效 P3 7 RD 外部随机存储器的读选通 低电平有效 XTAL2 接外部晶振的一个引脚 在片内接至振荡器的反相放大器输出端和 内部时钟发生器输入端 当采用外部振荡器时 则此引脚接外部振荡信号的输入 EA VPP 当该引脚为低电平时 单片机读取的是外部的程序存储器中的程 键入文字 9 序来执行 因此对于 8031 来说 EA 脚必须接低电平 因为它无片内程序存储器 而对于 AT89C51 或其它内部有程序存储器的单片机来说 当初引脚接高电平时 单片机首先会在片内程序存储器中取指令 当 PC 的内容超过 FFFH 时系统会自 动转向片外程序存储器中取指令 2 3 2 ISD2560 语音芯片 用 ISD 系列语音芯片进行录音可具有音质自然 单片存储 反复录放 低功 耗等优点 一块 ISD 芯片上集成有麦克风前置放大器 AMP 自动增益控制 电路 AGC 抗混淆和平滑滤波器 模拟存储阵列 扬声器驱动器 控制接口 和内部精确的参考时钟 加上外部元件 液晶 麦克风 扬声器 开关和少数电 阻 电容 再加上电源即可组成最简单语音系统 ISD2560 语音芯片是美国 ISD 公司较为成熟的语音录放产品 它是一种永久 记忆型语音录放电路 录音时间达 60s 可重复录放 10 余万次 芯片采用多电平 模拟量直接存储专利技术 无需外围的 A D D A 转换电路 每个采样数据值直 接由芯片自动存储在片内 ROM 单元中 播放时直接将存储的数据导出 所以它 能十分真实地再现人声 音乐 语调和声效 可避免一般固体录音电路因量化和 压缩造成的量化噪声和 金属声 ISD2560 集成度较高 内部有前置放大器 自 动增益控制 内部时钟 定时器 采样时钟 滤波器 逻辑控制 模拟收发器 解码器和 480K 的 EEPROM 等 8 2 3 2 1 ISD2560 引脚说明 ISD2560 的引脚排列详见附录 1 各引脚的主要功能说明如下 A0 M0 A6 M6 A7 A9 地址线 ISD 器件可以实现 1 600 段录放语音功 能 每段录放音都有一个起始端 该起始地址的选择由 A0 A9 确定 当 A8 A9 同时为高电平时可以选择工作模式 AUX IN 当和为高 放音不进行 或处于放音溢出状态时 本端 CERP 的输入信号通过内部功放驱动喇叭输出端 VSSD VSSA 数字地和模拟地 这两脚最好在引脚焊盘上相连 SP SP 扬声器输出 键入文字 10 VCCA VCCD 模拟电源 数字电源 尽可能在靠近供电端处相连 MIC 本端连至片内前置放大器 外接话筒应通过串联电容耦合到本端 耦 合电容值和本端的 10K 输入电阻 MIC REF 本端是前置放大器的反向输入 当以差分形式连接话筒时 可减 小噪声 提高共模抑制比 AGC AGC 动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化 使得录制 变化很大的音量时失真都能保持最小 响应时间取决于本端的 5K 输入阻抗外 接的对地电容的时间常数 释放时间取决于本端外接的并联对地电容和电阻的时 间常数 470K 和 4 7uF 的标称值在绝大多数场合下可获得满意的效果 ANA IN 芯片录音信号输出端 它通过外接电容与话筒的 ANA OUT 端相 连接 ANA OUT 前置放大器的输出 前置电压增益取决于 AGC 端电平 芯片处于存储空间末尾时本端输出低电平脉冲表示溢出 之后状态 OVF 随端变化 直至 PD 端变为高电平 CE 当低电平有效时 而且 PD 为低 允许语音芯片进行录放操作 芯 CE 片在本端的下降沿锁存地址线和端的状态 RP PD 当该端为高电平时 芯片停止工作 且不耗电 芯片发生溢出 即 端输出低电平后 本端口短暂变高电平 只有复位芯片 才能使之再次工 OVF 作 EOM 是在录音时由芯片自动插入到语音信息的结尾作为结束的标志 EOM 当放音时 一遇到 EOM 本端口即刻输出低电平脉冲 芯片内部会检测电源电 压以维护信息的完整性 当电压低于 3 5V 时 本端变低 芯片只能放音 XCLK 外部时钟输入端 本端内部有下拉元件 不用时应接地 本端口状态在的下降沿锁存 为高电平时选择放音 为低电平时 RP CE 选择录音 录音时 由地址端提供起始地址 录音持续到或 PD 变高 或内 CE 存空间溢出 如果是前一种情况 芯片自动在录音结束处写入 EOM 标志 说明 录音结束 放音时由地址端提供起始地址 放音直至遇到 EOM 停止标志 如果 键入文字 11 一直为低 或芯片工作在某些操作模式 放音会忽略 EOM 继续进行下去 CE 由于 ISD2560 内置了若干种操作模式 因而可用最少的外围器件实现最多的 功能 操作模式也由地址端控制 当最高两位 A8 A9 都为 1 时 其它地址 端置高可选择某个 或某几个 特定模式 因此操作模式和直接寻址相互排斥 具体操作模式如表 2 3 所示 操作模式可由微控制器也可由硬件实现 表 2 3 模式控制说明表 模式控制功能典型应用 A0 M0信息检索快速检索信息 A1 M1删除EOM标志 在全部语音录放结束时 给出EOM标 志 A2 M2未用当工作模式 操作时 此端应接低电平 A3 M3循环放音从0地址开始连续重复放音 A4 M4连续寻址可录放连续的多段信息 A5 M5CE电平触发允许信号中止 A6 M6按钮控制简化器件接口 使用操作模式时需要注意两点 1 任何操作模式都是从 0 地址开始 随着不同操作模式 继而对应相应的 地址 当系统录音转为放音或进入省电状态时 地址计数器复位为 0 当 CE 变 低且最高两地址位同为高时 执行操作模式 这种操作模式将一直有效 直到 CE 再次由高变低 芯片重新锁存当前的地址 模式端电平并执行相应的操作为止 2 操作模式位不加锁定 可以在 MSB A8 A9 地址位为高电平时 CE 电平变低的任何时间执行操作模式操作 如果下一片选周期 MSB A8 A9 地 址位中有一个 或两个 变为低电平 则执行信息地址 即从该地址录音或放音 原来设定的操作模式状态将丢失 2 3 2 2 ISD2560 的分段录放音功能 2500 系列最多可分为 600 段 只要在分段录 放音操作前 不少于 300 纳秒 给地址 A0 A9 赋值 录音及放音功能均从设定的起始地址开始 录音结束由停 止键操作决定 芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志 EOM 而放 键入文字 12 音时芯片遇到 EOM 标志即自动停止放音 2500 系列地址空间是这样分配的 地址 0 599 作为分段用 见表 2 4 地址 600 767 未使用 地址 768 1023 为工作模式选择 表 2 4 2500 系列地址空间表 十进 制 二进制信息时间 秒 A9A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 256 0 25752590 00000000000000 5000001100105 06 257 50 100000110010010 012 5015 00 250001111101025 031 2537 50 300010010110030 037 5045 00 400011001000040 050 0060 00 500011111010050 062 5075 00 599100101011159 974 8789 85 2 3 2 3 ISD2560 的应用电路 ISD2560 芯片内部 EEPROM 存储单元被均匀分为 600 行 共 600 个地址单 元 每个地址单元指向其中一行 每一个地址单元的地址分辨率为 100ms 共计 60s ISD2560 控制电平与 TTL 电平兼容 接口简单 使用方便 图 2 3 是 ISD2560 语音录放的基本电路原理图 9 键入文字 13 图 2 3 ISD2560 基本电路原理图 录音时按下录音键 S2 S3 接地 使节电控制键 PD 端 录放模式键端 RP 为低电平 此时启动录音 结束时松开按键 单片机又让录放模式键端回 RP 到高电平 即完成一段语音的录制 同样的 按下录放模式键接高电平 RP 使节电控制键 PD 端为低电平启动放音功能 结束时 松开按键 即完成一段语 音的播放 2 3 3 LM386 集成功率放大器芯片 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器 主要应用于低电压 消费类电子产品的放大 它起始内部电压增益为 20 因此可以节省大量外部电 路元件 但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容 便可将电压增益调为任 意值 直至 200 LM386 芯片的电子特性如表 2 5 所示 输入端以地位参考 同时输出端被自 动偏置到电源电压的一半 在 6V 电源电压下 它的静态功耗仅为 24mW 使得 LM386 特别适用于电池供电的场合 输入电压范围可由 4V 12V 无动作时仅消 耗 4mA 电流 且失真低 键入文字 14 表 2 5 LM386 电子特性表 项目测试环境规格 工作电压Vs V 4 5 输入电压Vin V 0 4 0 4 输入阻抗Ri k 50 静电流Iq mA Vs 6V Vin 0V4 8 输出功率Pout mW Vs 6V Rl 8 THD 10 250 325 Pin1 8开路26 电压增益 dB Pin1 8以10 F连接46 Pin1 8开路300 频宽 kHz Pin1 8以10 F连接60 LM386 的引脚排列详见附录 1 引脚 2 为反相输入端 3 为同相输入端 引 脚 5 为输出端 引脚 6 和 4 分别为电源和地 引脚 1 和 8 为电压增益设定端 使 用时在引脚 7 和地之间接旁路电容 通常取 10 F LM386 的电源电压为 4 12V 静态消耗电流为 4mA 电压增益为 20 200dB 在 1 8 脚开路时 带宽为 300KHZ 输入阻抗为 50K 音频功率为 0 5W 尽管 LM386 的应用非常容易 但是在器件上电 断电瞬间 甚至平稳工作 后的插拔音频插头 旋音量调节钮等操作都会带来的瞬态冲击 使喇叭产生非常 讨厌的噪声 所以使用时需要做好相应除噪措施 各引脚外围电路的接法介绍如下 1 通过在 1 脚 8 脚间接入电容和电阻 1 脚接电容 极 来改变增益 断开时增益为 20dB 2 选好调节音量的电位器 阻值不要太大 10K 最合适 太大也会影响音 质 3 尽可能采用双音频输入 输出 好处是 输出端可以很好地抵 消共模信号 故能有效抑制共模噪声 4 第 7 脚 BYPASS 的旁路电容不可少 实际应用时 BYPASS 端必须 外接一个电解电容到地 起滤除噪声的作用 工作稳定后 该管脚电压值约等于 电源电压的一半 增大这个电容的容值 减缓直流基准电压的上升 下降速度 键入文字 15 有效抑制噪声 在器件上电 掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致 5 减少输出耦合电容 此电容的作用有二 10 隔直与耦合 隔断直流电压 直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈 耦合音频的交流信号 它与扬声器负载构 成了一阶高通滤波器 减小该电容值 可使噪声能量冲击的幅度变小 宽度变窄 太低还会使截止频率 提高 经测试 发现 10uF 4 7uF 2 1CoutRLfc 最为合适 键入文字 16 第第 3 章章硬件电路设计硬件电路设计 3 1 硬件电路总体设计硬件电路总体设计 本系统主要可分为三个部分 单片机控制部分 语音录放部分 功放部分 采用 51 单片机作为控制核心 利用 ISD2560 实现语音的录放 采用 LM386 集成 功放使声音放大 简单易行且控制方便 ISD2560 与单片机 AT89C51 的接口电路以及外围电路 11 见附录 1 单片机的 P1 口 以及 P2 口中的部分口线分别与 ISD2560 的地址线相连 用来设置语音段 的起始地址和控制操作模式 此外 P2 口还控制录放音状态 P0 连接按键 供 录放音使用以及接发光二极管 用以提示当前录放音状态 3 2 AT89C51 的外围电路设计的外围电路设计 3 2 1 电源 为设计使用方便 可采用外部适配器供电 5 0V 300mA 通过 USB 线与 整个电路相连 3 2 2 晶振电路设计 单片机是一种时序电路 必须要提供时钟脉冲信号它才能正常工作 时钟信 号是整个单片机系统时间基准 能为各种指令的执行提供时钟节拍 通常单片机 有两种方式得到系统时钟信号 内部振荡 外部振荡 键入文字 17 图 3 1 晶振电路设计图 本系统采用的是 12MHz 的晶振 电容采用 22pF 的陶瓷电容 其具体设计如 图 3 1 所示 3 2 3 复位电路设计 当任何一个复位信号产生时 C51 的所有 I O 端口都会立即复位成它们的初 始值 并不需要时钟源处于运行状态 在复位信号撤消后 硬件系统将调用一个 计数延时过程 经过一定的延时后 才能进行系统内部的真正复位启动 采用这 种形式的复位启动过程 可以保证电源达到稳定后才使单片机进入正常的操作 复位启动的延时时间可以由用户通过对程序的编译来定义 51 单片机有 3 种复位方式 12 1 上电复位 当系统接通电源时 RST 引脚获得高电平且保持 2 个机器周 期以上 单片机产生复位 2 按键复位 与上电复位类似 当一个高电平加到 RST 引脚且超过 2 机器 周期时 单片机产生复位 3 看门狗 WDT 复位 其工作原理是 看门狗芯片和单片机的一个 I O 引 脚相连 该 I O 引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平 或 低电平 这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的 一旦单片机 由于干扰造成程序 跑飞 后而陷入死循环状态时 写看门狗引脚的程序便不能 被执行 这个时候 看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号 便在它和单 片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号 使单片机发生复位 即程序从程 序存储器的起始位置开始执行 这样便实现了单片机的自动复位 因此 看门狗 键入文字 18 复位方式可以有效的监控系统的运行情况 提高了系统自身的抗干扰能力 使系 统能够在具有一定干扰的环境中正常工作 图 3 2 复位电路图 本系统使用的是外部按键复位方式 高电平通过复位端电阻与 Vcc 电源接通 而实现的 电路如上图 3 2 所示 为了提高系统可靠性 再加上一个 10uF 的电 解电容来消除高频干扰和杂波 3 3 语音电路设计语音电路设计 本系统采用 ISD2560 语音芯片 其语音电路图如图 3 3 所示 13 图 3 3 语音录放电路图 各引脚外围电路的接法可参考前文所述的引脚说明 扬声器输出信号与功放 相连 将声音信号放大 键入文字 19 3 4 功放电路功放电路设计设计 为使从语音芯片出来的信号稳定不衰减 特加入功放电路 如图 3 4 所示 14 15 图 3 4 功放电路图 信号从 ISD2560 的 14 脚出来进入 LM386 的运放脚 经放大后与扬声器相接 第 1 脚和第 8 脚之间接入一个电容和电阻 可是 LM386 增益达 200dB 键入文字 20 3 5 键盘输入电路键盘输入电路和状态显示电路和状态显示电路设计设计 单片机作为控制核心 它只要任务是控制语音芯片的录放音功能 图 3 5 单片机控制键盘输入和状态显示电路图 我们可以通过按键识别来分别控制录音和放音过程 16 因此该系统具有 2 个 按键 录音按键 放音按键 状态显示通过发光二极管来完成 3 盏灯分别对应 的芯片开始工作 录音开始和放音开始 3 种状态 这部分的电路图如图 3 5 所示 键入文字 21 第第 4 章章软件设计软件设计 如果说一个系统的硬件好比人的身体 那么软件就是人的灵魂 软件的设计 基础是硬件 若硬件无法正常工作 再优秀的软件也无法实现任何功能 同样的 如果没有软件 再强大的硬件也只是一个空壳 我们在确定了一项设计所要实现 的功能后 根据要实现的功能设计出相应的硬件系统 硬件系统搭建起来之后 若调试无误 才进行相应的软件模块的设计 本系统采用 51 系列单片机作为硬件核心 单片机的软件部分采用汇编语言 开发 软件采用符合汇编语言的 Keil 编译器编译 本设计的软件功能主要完成 以下过程 初始化 当单片机扫描录音键按下时 置端为低电平 芯片开始 CE 录音 然后一直扫描 RECORD 所表示的录音按键是否松开 若按键松开 则置 端为高电平 录音结束 当放音键按下后 置 PR 端为 1 进入放音状态 将 CE 端置为低电平 启动播放 播放过程中等待语音段结束信号 EOM 当 CE EOM 0 时 提示语音信号结束 返回主程序并进行下一步操作 4 1 主要变量说明主要变量说明 程序中的主要变量及相关功能如下 LED1 LED3 描述发光二极管的关断 当这 3 个变量分别为 1 时 二极管 熄灭 当变量为 1 时 二极管点亮 RECORD 描述录音键按下的状态 该变量为 1 表示录音键按下 为 0 表示 录音键松开 PLAY 描述放音键按下的状态 该变量为 1 表示放音键按下 为 0 表示放 音键松开 PD 控制芯片的工作状态 PD 0 时 芯片开始工作 PD 1 时 芯片停止 键入文字 22 工作 进入节电状态 PR 控制语音芯片所处的工作模式 该变量置为 0 时 芯片处于录音模式 置为 1 时 芯片处于放音模式 CE 对芯片进行片选 当 CE 0 且 PD 0 时 允许芯片进行录放的的操作 CE 1 时 无法进行录放操作 EOM 信息结束的标志 一段语音信号录制完毕后 EOM 标志由芯片自动 插入到信息结尾 放音过程中 若 EOM 0 说明信号结束 停止播放 4 2 主程序流程图主程序流程图 本系统中单片机控制语音芯片录放的程序主要是单片机对 ISD2560 芯片的控 制字的写入 程序流程图如图 4 1 所示 17 ISD2560 虽然提供了地址输入线 但它的内部信息段的地址却无法读出 需 要采用直接寻址模式进行寻址 其实现方式有两种 一是由于 ISD2560 的地址 分辨率为 100 ms 所以可用单片机内部定时器定时为 100 ms 然后再利用计数 器对单片机定时次数进行计数 则计数器的计数值为语音段所占用的地址单元 该方式能充分利用 ISD2560 内部的 EEPROM 在字段较多时可利用该方法 二 是语音字段如果较少 则可根据每一字段的内容多少 直接分配地址单元 一般 按每秒说 3 个字计算 60s 可说 180 个字 再根据 ISD2560 的地址分辨率为 100ms 即可计算出语音段所需的地址单元数 本系统完成的是语音单段录放的 功能 可不必采用直接寻址模式 而是设置 A8 A9 和 A6 的电平为高 利用按 钮控制操作模式完成对单段语音信号的录放即可 在这种模式下 语音存储的起 始地址默认从 0 开始 程序首先是系统的初始化 设置 P1 的状态使得语音芯片 处于按键控制的操作模式下 后将 PD 端置为 0 芯片启动 再置 PR 端为 0 设 置芯片在录音状态 此后循环扫描 RECORD 和 PLAY 键按下的状态 RECORD 键按下后 进入录音模式 调用录音子程序开始录音 PLAY 键按下后 进入放 音状态 调用放音子程序开始放音 放音结束后 PD 端置 1 芯片停止工作 其程序代码见附录 2 键入文字 23 开始 系统初始化 PD端置0 芯片开始工作 灯1点亮 PR端置0 设为录音状态 录音键按下 延时10ms去抖动 调用录音子程序 开始录音 放音键按下 调用放音子程序 开始放音 结束 Y N Y N 芯片停止工 作 灯1熄灭 图 4 1 主程序流程图 4 3 子程序流程图及代码子程序流程图及代码 4 3 1 录音子程序 录音子程序流程图如图 4 2 所示 键入文字 24 CE置0开始录音 点亮灯2熄灭灯1 是否松开录音键 录音结束 熄灭灯2点亮灯1 Y N 返回 图 4 2 录音子程序流程图 录音键按下后 置端为低电平 芯片开始录音 然后一直扫描 RECORD CE 所表示的录音按键是否松开 若按键松开 则置端为高电平 录音结束 程 CE 序段如下 CLR CE 开始录音 CLR LED2 SETB LED1 灯 2 亮 灯 1 灭 JNB RECORD SETB CE 录音键松开后 录音结束 SETB LED2 CLR LED1 灯 2 灭 灯 1 亮 4 3 2 放音子程序 放音程序的流程图如图 3 3 所示 键入文字 25 置放音状态 CE置0启动放音 灯3点亮灯1熄灭 语音结束信号EOM为0 灯3熄灭灯1点亮 Y N 返回 图 4 3 放音子程序流程图 放音键按下后 置 PR 端为 1 进入放音状态 将端置为低电平 启动播 CE 放 播放过程中等待语音段结束信号 EOM 当 EOM 0 时 提示语音信号结束 返回主程序并进行下一步操作 放音程序段如下 SETB PR 置放音状态 CLR CE 启动播放 CLR LED3 STEB LED1 灯 3 亮 灯 1 灭 NOP NOP TURN JB EOM TURN 等待语音段结束信号 SETB LED3 CLR LED1 灯 3 灭 灯 1 亮 键入文字 26 第第 5 章章系统调试与实验结果系统调试与实验结果 5 1 系统调试系统调试 1 按硬件电路设计图焊接好实物 图 5 1 实物效果图 键入文字 27 图 5 2 背面焊接图 2 用 Keil 软件将程序烧入 51 单片机中 图 5 3 程序编写图 3 接通电源 按下开关 系统电源指示灯亮 电路显示正常并开始工作 图 5 4 电路工作图 键入文字 28 4 按下录音键不放录音指示灯亮 系统键入录音状态 将音源对着 MIC 进行 录音 图 5 5 系统录音图 5 录音结束后 按下放音键放音指示灯亮 系统开始放音 图 5 6 系统放音图 5 2 实验结果实验结果 经测试 整个系统录音时间可达 60s 录放音操作简单方便 声音输出较清 键入文字 29 晰 音质较好 无明显杂音 整个系统电路简单明了 无需过多元器件即可正常 工作 因此具有良好的实用性 可用于生活生产各个领域 第第 6 章章总结总结 本文设计的语音系统硬件电路简单 调试方便 即可作为生活中常见的语音 设备的系统 又可作为语音服务系统的子系统 针对 ISD 语音芯片的特点 设计 出的一种由单片机控制 能够实现录放功能的语音电路 可作为录音机 复读机 录音笔 音频记录仪使用 既节省存储空间 又降低成本 具有很高的实用价值 和推广意义 ISD 语音芯片精度高 集成度高 能够使得微机的语音输出结构大大的简化 能使生产的造价大大的降低 由于 ISD 芯片的抗干扰性强 所以在恶劣的环境的 系统中也能正常使用 例如 机动车辆 语音室里都能正常的输出语音 信息保 存时间长 工作可靠 输出可以高保真的再现原声 可将 ISD 芯片用于语音及声 音信号的检测或模拟系统 能实现语音的非定长录制 对于该系统的改进 主要有 2 个方面 一是硬件部分的改进 利用 AT89C51 芯片余下的管脚可以外接一显示模块 对当前录放音的状态进行显示 二是对于 软件部分 可以利用 ISD2560 直接寻址模式对语音信号分段录放 ISD2560 最大 录音时间为 60s 对声音信号分段录音 设置各录音段的起始地址 存储在芯片 的存储器中 放音时 直接寻找到起始地址就能实现对各段语音信号的播放了 虽然该款芯片已渐渐退出历史舞台 更加先进和强大功能的 ISD4000 系列和 ISD1700 系列以取代它的低位 但是它犹如 51 单片机一样 后来的产品都是由 它发展而来 学习完 ISD2560 芯片 对于掌握其他同类功能的芯片将是一个良好 的基础 键入文字 30 参考文献参考文献 1 王立凤 戴明 基于 ISD2560 语音芯片的录放电路设计 J 电子元器件应用 200 9 09 42 43 2 曲洪权 李柯南 张北南 基于 FPGA 控制的数字语音存储与回放系统 J 电子 技术 2010 12 30 31 3 姚尧 语音技术的发展与应用 J 通信世界 2001 24 3 4 4 戴佳 戴卫恒 51 单片机 C 语言应用程序设计 M 北京 电子工业出版社 200 6 5 唐宏文 基于 AT89C51 的语音录放系统 J 硅谷 2011 9 21 22 6 史红梅 余祖俊 刘盾 赵爱菊 ISD 语音芯片的开发与应用 J 现代电子技术 199 8 09 11 14 7 陈娟 基于 CAN 总线的汽车电动机控制系统研究与设计 D 南京 2007 8 Winbond 公司 ISD Series Single Chip Voice Device Data Book Z Winbond Inc 2000 9 金宝华 黄维萍 ISD 语音芯片应用开发环境与实现 J 郑州轻工业学院学报 20 02 01 15 16 10 汪晓峰 电子综合设计实验设备的研制音频处理电路的设计 J 硅谷 2008 01 50 51 11 肖海荣 王凤瑛 杨金清 孙玉凤 基于 AT89C2051 和 ISD2560 的录放音系统 设计 J 微计算机信息 2004 01 163 165 12 李建忠 单片机原理及应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2002 13 林敏 简易数字化语音存储与回放系统 J 仪器仪表 2008 10 24 25 14 Texas Instruments 公司 MSC121X Precision ADC and DACS with 8051 Microc ontroller and Flash Memory User s Guide Z Texas Instruments