实验室电子语音器设计与制作

I摘要设计一种由红外控制的实验室语音播报系统，将这种系统运用于实验室智能化语音服务。利用单片机STC89C51和红外模块控制ISD4004来实现实验室语音播报。首先要完成该系统总体框架的设计，确定了系统的设计目标和系统芯片的选型。然后实现了主控模块、录放音模块和红外模块等系统电路的搭建，其中对录放音模块进行了完整性分析，最后完成设计方案和系统仿真，使系统可以实现语音录放的功能。通过测试分析后，整个录放系统可以正常运作，由于该设计的低成本，高性能，在外部设备的扩展下，可让它运用在更多的场合。关键词：语音播报，STC89C51，ISD4004，红外控制IIAbstractThedesignofasystembyinfraredcontrollaboratoryspeechbroadcast,thissystemwillbeusedinthelaboratoryofintelligentvoiceservice.UsingsinglechipmicrocomputerSTC89C51andinfraredcontrolmoduleofISD4004torealizethelaboratoryvoicebroadcast.Thefirsttocompletethedesignoftheoverallframeworkofthesystem,determinethetypeselectiondesigntargetandsystemchipsystem.Andthendesignsandimplementsthemaincontrolmodule,soundrecordingmoduleandinfraredmoduleofthesystemcircuit,whichcarriedoutthecompleteanalysisoftherecordingmodule,finallyfinishthedesignschemeandsystemsimulation,thesystemcanimplementvoicerecordingfunction.Throughtestandanalysis,therecordingsystemcanbenormaloperation,duetothelowcost,thedesignofhighperformance,intheexpansionofexternalequipment,soitcanapplyinmoresituations.Keywords:broadcast;STC89C51;ISD4004;infraredcontrolIII目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1设计介绍.41.2国内外研究情况.41.3发展前景.41.4设计理念及思路.5第二章硬件介绍.62.1STC89C51.62.2ISD4004.82.3红外模块.102.4其他模块.11第三章总体设计.133.1系统框图.133.2系统电路图.133.3模块电路原理说明.15第四章软件设计.194.1软件开发环境.194.2软件程序.194.3软件流程.19第五章测试分析.245.1硬件调试.245.2软件调试.245.3实物测试.25第六章总结.27参考文献.28致谢.29附录.300前言本次设计的任务是设计一个由行人控制的实验室介绍语音器，当有行人经过实验室门口时，电子语音器就会发出”您好，这是*实验室，要了解实验室情况，请按0”的语音提示，当行人按0之后，电子语音器能语音介绍实验室的相关情况。语音是人类最自然、方便、快捷的交流方式让人和机器能够通过自然语音进行交流是人们长期以来的梦想。随着人类社会的不断进步，随着语音芯片的普及，语音录放被广泛应用于车站报站器，语音型数字万用表，出租车语音报站器，排队机等，并且面向家庭个人使用的方向发展，更加人性化。随着电子技术的广泛应用，其自动化程度越来越高，使用范围越来越广。语音播报技术是计算机语音处理技术的一种应用，属于语音再生合成技术范畴。录放系统具有电路简明、应用方便、单片录放、不怕掉电、音色纯正、性价比高等特性，与此相关的语音系统已广泛地用于通信、工控、医疗、报警示讯等领域。同时，随着大规模语音处理集成电路的发展，在传统的控制领域，语音播报的应用也越来越广泛。因为用户对各种计算机应用系统提出了更高的要求。语音技术的进展给这种应用需要提供了一种有力的技术支持，并逐渐被广大用户所接受，广泛用于各种需要语音响应的场合。智能仪器、仪表、监控设备、工业控制系统等都有这种需求。所以研究语音录放器对生产，生活都有极其重要的意义。语音芯片的发展是极其迅速的，随着技术的发展，新产品不断涌现，原来可望而不可及的昂贵品种也能进入廉价的市场领域，原来设计控制都极为复杂的品种也随着集成技术的发展变得非常简单，因此，语音这个领域充满了生机和活力。1第一章绪论1.1设计介绍现今我们不难看到在饭店，宾馆，公司等地都需要有迎宾小姐欢迎与指引客人，这些举动虽然提高了竞争力，但却浪费大量的物力资源，而且随着时代的发展人们已经不再满足于键盘输入、屏幕输出这样传统的输入输出方式，他们希望拥有更好更方便的人机界面与操作方式，于是出现了具有语音功能的单片机系统，利用电子语音来取代人为播报成为了主流。如今的语音播报系统已经广泛的应用到各个角落，如语音报站器，电子语音阅读器，语音迎宾器，公车报站器，出租车语音播报器，排队机等，实验室方面也打算利用语音播报提供方便，对此，我进行了深入的研究，设计了一套方便实用的电子语音播报系统。1.2国内外研究情况语音是人们在社会中最重要的交流工具，它支持了人们最基本的社会活动。语音通过空气产生与传播，它是一种特殊的信息交流方式，并不会留下任何记录证明，直到爱迪生发明了世间第一部机械留声机，才使语音能够保存下来。在那之后，人们做了更多的实验与发明，最后科学家相继开发了载波线，胶片，磁带，磁盘，磁芯，光盘等各种可以保存语音的载体。虽然这些产品在当时对语音的发展起到了很大的作用，但这些保存语音的载体都有共同的巨大缺点，就是这些载体需要非常精密而复杂的仪器操作，而且这些仪器功耗大，成本高，最关键是无法直接与集成电路相连，这些问题导致这些发明并不能成为主流。但是，人类对于语音的探索从未停止。在二十世纪60到70年代，语音集成电路的出世，迎来了一个语音合成技术的新时代。特别是在那个时代中电话，电视等家用电器已经大量进入市场，特别需要新的语音集成技术的加入。随着语音技术在各领域的迅速发展，人们意识到它的巨大价值，于是语音电路从之前的特殊化变为平民化，在电子行业拥有语音技术也成为衡量它的价值的重要指标。语音技术的发展，让人们享受到了方便而又人性化的人机交互。目前，语音技术的应用已经相当成熟，在各领域中都有很好的发展。1.3发展前景对于过多的指示灯或者按键来说，语音提示提供了更方便更有效的人机交互，语音对话使得人与机器对话走向了人与“人”对话的路上，这是语音技术上的大突破。事实上，这距离真正意义上的的人与“人”对话还有很大的距离，在这其中还需要一些重要2的技术领域上的突破，但是，随着语音识别，语音合成，信息集成等一系列技术的出现于发展，人们对于这个愿望的实现，必然不会太远，我们应该相信它的未来是光明的，是精彩的。虽然语音合成集成电路的发展历史比较短，但其发展的速度却是迅猛无比，而且这一项技术的体系大，应用的范围广，其展的前景远大，没有什么其他集成电路产品可以比得上语音合成集成电路。如今的语音集成电路不再如之前一样单一，而是面向了多功能化，智能化语音集成电路，这一改变，使得它成为众多产品的技术支持。在微电子技术的高速发展下，更多的新技术，新设备和新也产品随之而产生，为此也开拓出了更广阔的应用领域，并向更好的质量，更好的智能，更灵活的方向发展。1.4设计理念及思路本次设计为当有人经过实验室时，通过感应来感应，当感应接收到目标后产生中断，通过单片机解码后放出语音模块录好的声音，如果行人想更加了解关于实验室的资料时，按0键，单片机将控制语音模块放出第二段录音，介绍实验室情况。（1）感应设计传统的感应器分为红外感应与光敏感应，光敏感应器的工作原理是利用人体可以反射光线来运作的，当光线发生较大变化时会被光敏电阻所感应，此时电路将产生变化电流触发电路，物体的反射率越高光敏电阻的灵敏度越高。红外感应器是对人体辐射的红外线进行探测，滤掉其它波长的红外线由，这样形成了一种专门用作探测人体辐射的红外感应器。由于光敏感应的条件是光，受到的局限性比较大，比如黑夜之中光敏感应基本无效，在各方面不如红外感应，所以本次设计选用红外感应，通过红外感应人的进入行动，将其转化为电路中的电信号，传入到单片机中，这次设计将采用红外对管。（2）单片机单片机在选择上有很多，现在普遍运用的有AT89Cxx系列、AT89Sxx系列，STC89Cxx系列，对于初学者而言选择89C51是明智的选择，AT89C系列与STC89C系列在功能上差不多，操作也都很简单，STC单片机是一款增强型51单片机，完全兼容MCS-51，而且AT89C51已经停产，所以在市场价格方面偏高，所以本次设计选用STC89C51作为核心单片机，STC89C51是一种功耗低、性能高的8位微控制器,在它的芯片上，拥有高效率8位CPU和系统可编程Flash，可以为多种电路提供选择方案。（3）语音模块ISD系列芯片是国内大多数语音芯片厂家的首选，比如ISD2100、ISD1700、ISD4004等语音芯片。相对于这次设计所要满足的录放音条件，各个芯片都可以使用，基于资源有理化与价格上的考虑，我选择了ISD4004语音芯片，而且ISD4004有SPI接口，可以3串行控制，使电路更加简单明了，ISD4004音质也好，适用于多数电子产品中。在设计中录音时通过按键控制，放音时通过红外感应与按键控制。4第二章硬件介绍2.1STC89C51图2-1STC89C51芯片STC89C51RC如图2-1所示，它采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，其内部含有8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，STC89C51兼容大部分51单片机的引脚数据，它的芯片内部集成了通用的8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程特性，通过PC端的控制程序就可以将用户所需要的程序代码下载到单片机内部，这样就可以不用购买通用编程器也可以实现功能，而且速度更快。STC89C51RC系列单片机是单时钟，高速运作，低功耗的新一代8051单片机，它拥有全新的精简指令集结构,并且内部集成MAX810专用复位电路。2.1.1性能参数（1）内置标准51内核，机器周期：增强型是6时钟，普通型是12时钟;（2）工作频率范围：040MHZ，相当于普通8051的080MHZ;（3）STC89C5xRC对应Flash空间：4KB8KB15KB;（4）内部存储器（RAM)：512B;（5）定时器计数器：3个16位；（6）通用异步通信口（UART）1个；（7）中断源:8个；（8）有ISP(在系统可编程）IAP(在应用可编程),无需专用编程器仿真器；（9）通用IO口：3236个；（10）工作电压：3.85.5V；（11）外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。52.1.2引脚功能图2-2STC89C51引脚STC89C51芯片的引脚如2-2所示，它的引脚功能如下：（1）VCC:电源电压（2）GND:地（3）P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。（4）P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。（5）P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。（6）P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。（7）RST:复位输入。（8）EA/VPP:外部访问允许。（9）XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。（10）XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。（11）数据存储器：89C51有256个字节的内部RAM。（12）中断：89C51共有6个中断向量:两个外中断，3个定时器中断和串行口中断。（13）时钟振荡器:89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器。62.2ISD4004图2-3ISD4004芯片ISD4004芯片如图2-3所示，它是由美国ISD公司推出的新产品，具有可多次录放，存储时间长的特点，它记录时间不需要进行A/D转换。芯片采用的是CMOS技术,内含振荡器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪等存储。芯片的操作是由微控制器来控制,串行通信接口将指令送入单片机中。芯片采用的存储技术为多电平直接模拟量,它将每个采集到的信号都存储在片内FLASH存贮器中,因此可以掉电不丢失，并且语音清晰，自然。采样频率可为多种情况,当采样频率数值较低时,录放音的时间就会变得更长，相应的，对该段录音的音效会有较大的影响。2.2.1性能参数（1）单片8至16分钟语音录放（2）内置微控制器串行通信接口（3）3V单电源工作（4）多段信息处理（5）工作电流25-30mA,维持电流1A（6）不耗电信息保存100年（7）10万次录音周期（8）自动静噪功能72.2.2引脚功能图2-4ISD4004引脚ISD4004芯片的引脚如2-4所示，它的引脚功能如下：（1）电源:(VCCA,VCCD)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。（2）地线:(VSSA,VSSD)芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。（3）同相模拟输入(ANAIN+)这是录音信号的同相输入端。（4）反相模拟输入(ANAIN-)差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。（5）音频输出(AUDOUT)提供音频输出,可驱动5K的负载。（6）片选(SS)此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令。（7）串行输入(MOSI)ISD的串行输入端（8）串行输出(MISO)ISD的串行输出端。（9）串行时钟(SCLK)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。（10）中断(/INT)本端为漏极开路输出。（11）行地址时钟(RAC)漏极开路输出。（12）外部时钟(XCLK)本端内部有下拉元件。（13）自动静噪(AMCAP)当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱。82.2.3SPI指令接收表ISD4004系列语音芯片都是由微控制器控制来完成所有的操作，操作命令可通过SPI(串行外设接口)数据总线送入。SPI协议是一个同步串行数据传输协议。SPI的接口指令表如表2-1所示。表2-1SPI指令接口表指令8位控制码，16位地址码操作摘要POWERUP00100xxx上电：等待TPUD后器件可以工作SETPLAY11100xxx(A15-A0)从指定地址开始放音，后跟PLAY指令，放音继续PLAY11100xxx从当前地址开始放录音SETREC10100xxx(A15-A0)从指定地址开始录音，后跟REC指令，录音继续REC10110xxx从当前地址开始录音SETMC11101xxx(A15-A0)从指定地址开始快进，后跟MC指令，快进继续MC11100xxx执行快进，直到EOMSTOP0x110xxx停止当前操作STOPPWRDN0x01xxxx停止当前操作并掉电RINT0x110xxx读状态2.3红外模块图2-5RPR-220RPR-220如图2-5所示，它是一种的反射型光电探测器，它是由发射器与接收器组成的，发射器是砷化镓红外发光二极管，可以发射出人眼无法识别的红外线，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管，专门吸收由发射器发出的红外线，使电路不易受到干扰。这种对管调理电路十分简单，工作性能稳定，可运用在多种场合。2.3.1性能参数（1）电流传输比：50%（2）高隔离电压：5000V（3）正向电流：50mA（4）峰值正向电流：1A（5）反向电压：6V（6）功耗：70mW（7）集电极发射极电压：35V9（8）发射极集电极电压：6V（9）集电极电流：50mA（10）集电极功耗：150mW（11）总功耗：200mW（12）工作温度：30+100（13）集电极发射极饱和电压：0.1V（14）截止频率：80kHz（15）电流传输比：50%600%2.4其他模块（1）LM386图2-6LM386引脚图图2-7LM386结构图LM386的引脚图如2-6所示，它的结构图如图2-7所示，它是由美国一家半导体公司生产的音频集成功效放大器，因为它功耗低，所需接的器件少的特点，它广泛应用于需要对声音做放大效果的仪器中，如录音机或收音机。在交流电源的控制下,它的静态功耗一般都比较低，只有20mw左右，因为它的消耗低，使它特别适合由电池来供电的场所。LM386的封装形式分为两种，一种为双列直插式，还有一种为贴片式插入。10（2）晶体振荡器晶体振荡器是由石英晶体片制成的，主要是利用其压电效应产生振动。在交变电场的作用下会使石英晶体的薄片产生机械振动，当这两者的频率大小一致时，会使振动变大，这种反应就是晶体谐振的特性。因为这种特性的存在，使得LC谐振回路和滤波器都被石英谐振器所取代。由于石英振荡器的体积小、重量轻、可靠性高，所以被广泛应用于家用电器和通信设备这些频率比较稳定的振荡电路中。其中的片内晶振电路的输入线外接石英晶振和微调电容，当石英晶振起振后，可以在XYAL2线上输入一个3V左右的正弦波，使得电路按与石英晶振相同的频率自激振荡。11第三章总体设计3.1系统框图本研究采用STC89S51单片机作为系统核心以及必要的电路模块实现对系统的控制。实现录音和语音播报等工作。单片机处于等待红外中断，当接收到有人经过这个命令时，单片机通过解码后，根据命令进行录放音操作，把解码出来的地址码传送给ISD4004，启动ISD工作。系统框图如图3-1所示。单片机STC89C51电源模块语音芯片ISD4004红外接收模块放大模块LM386图3-1系统组成方框图3.2系统电路图本次设计主要由单片机STC89C51和语音芯片ISD4004构成的语音播报系统。本系统可以分为以下几个部分组成。单片机负责控制部分、语音芯片负责录放音部分、红外对管负责接收触发部分。其中单片机STC89C51所构成的控制电路中包含有复位电路，晶振电路等外围电路。ISD4004芯片则构成录放音电路，包含相匹配的功放电路等。该设计的硬件系统电路图的连接方式如图3-2所示。12CS1MOSI2MISO3VSSD4NC5NC6NC7NC8NC9NC10VSSA11VSSA12OUT13CAP14NC15IN-16IN+17VCCA18NC19NC20NC21NC22VSSA23RAC24INT25XCLK263VCC27SCLK28U3ISD4004GND1IN2OUT3U17530VCCC2104pC1104p12单单1C8104pC7104pR510KR610KR71KC910UFR310K132R410K单单单单C4104pC51ufGAIN1IN-2IN+3GND4OUT5VS6BYP7GAIN8U5LM386C1010UFR101KVCCC1310UFC1510UFC14104pR111012单单1P32P33P34P35P36图3-2系统电路RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P101P112P123P134P145P156P167P178U4单单单12单单112MC1122PC1222PC610UFR810KVCCSW2SW1SW3SW4D1R91KVCC1243U2单单单单R210KR11kC3104VCCP32P33P34P35P36133.3模块电路原理说明3.3.1主控模块电路RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P101P112P123P134P145P156P167P178U4单单单12单单112MC1122PC1222PC610UFR810KVCCSW2SW3SW4D1R91KVCCP32P33P34P35P36图3-3主控模块电路主控电路采用的是STC89C51组建的最小系统，它是控制整个程序运行的流程，协调各个功能模块的工作，如图3-3所示，P1口接红外对管，利用P1.0和P1.1可分别作为定时/计数器2的外部计数输入和输入的功能，使按键1可以播放出第二段录音。EA作为外部访问允许，当它接高电平时，使CPU执行内部程序存储器中的指令。（1）晶振时钟电路RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P101P112P123P134P145P156P167P178U4单单单12单单112MC1122PC1222PP32P33P34P35P36图3-4晶振时钟电路单片机XIAL1和XIAL2分别接22PF的电容，中间再并个12MHz的晶振，形成单片机的晶振电路，晶振电路如图3-4所示。14（2）按键电路RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P101P112P123P134P145P156P167P178U4单单单SW3SW4D1R91KVCCP32P33P34P35P36图3-5按键电路P2.0与P2.1分别接两个按键，当P2口用于对外部程序或16位地址外部数据进行存取时，如图3-5所示，按下3键时可以通过单片机内部信号的传输，可以将录音的内容存在寄存器中。当对外部8位地址数据存储器进行读写时，它将之前放在寄存器的内容顺序输出，此时按下4键时可以放出录音的内容。（3）复位模块电路RST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P101P112P123P134P145P156P167P178U4单单单C610UFR810KVCCSW2P32P33P34P35P36图3-6复位模块电路复位电路的作用就是通过利用它，可以将运行中的电路恢复到最开始的状态。计算器的清零按钮效果和它的作用相似，按下计算机就会回到原始的样子，然后就可以输入数字重新进行计算。而复位电路与计算机按钮还是有一定的区别。如图3-6所示，本次设计是通过用手动按按钮来实现复位效果，要只有在输入端上加入高电频输入才来完成复位效果。大多数情况下都是在输入端与电源电压之间加入一个按键来实现复位。当按下按键时，由于人的反应时间所以会使按键长按一定时间，这段时间足以使电路完成复位效果，复位产生的原因是由于按键按下后，电压会转移到输入端上，导致电路复位。153.3.2录放音模块电路CS1MOSI2MISO3VSSD4NC5NC6NC7NC8NC9NC10VSSA11VSSA12OUT13CAP14NC15IN-16IN+17VCCA18NC19NC20NC21NC22VSSA23RAC24INT25XCLK263VCC27SCLK28U3ISD400412单单1C8104pC7104pR510KR610KR71KC910UFR310KC51ufP32P33P34P35P36图3-7录放音模块电路本系统采用的是ISD4004语音模块作为录放音模块，如图3-7所示，P3.4接的是ISD4004的片选引脚，这个引脚的作用是连接ISD4004，使其可以正常选通。P3.3接的是ISD4004的串行输入引脚，该引脚的作用是将放音的地址读进ISD4004中。P3.2接的是ISD4004的串行输出引脚，该引脚的作用是ISD4004将输出此次放音的地址。P3.5接的是ISD4004的串行时钟引脚，让单片机接入内部时钟信号。P3.6接的是中断引脚/INT，管理语音模块的中断处理。其中音频信号输出引脚OUT通过一个滤波电容与扬声器连接，此处的滤波电容取值为104p。CAP是ISD4004模块的自动静音端，它的连接方法为连一个电容接地，电容的取值为1u。IN+与IN-信号通过耦合电容输入，两端的耦合电容值应用相同，这里使用104p的电容。3.3.3放大模块电路GAIN1IN-2IN+3GND4OUT5VS6BYP7GAIN8U5LM386C1010UFR101KVCCC1310UFC1510UFC14104pR111012单单1图3-8放大模块电路本次设计采用的是LM386功率放大器，以此来提高对扬声器的驱动能力。LM386是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路，其中差分放大电路的有源负载是使用镜像电流源支持的，这样可以让单端输出电路的增益大致上与双端输出电容的增益相同。第二级是共射放大电路，它的有源负载不同于一级的镜像电流源而是恒流源，这样就可以16增大电路的放大倍数。第三级电路中有PNP型管，这里可以与NPN型管的输出级互相互补，来达到放大效果。如图3-8所示，引脚2是反向输入端，引脚3是同向输入端，引脚5是输出端，应该先接输出电容然后接负载电阻，信号将从引脚3输入，经过放大处理后从引脚5输出，C15为输出电容，使电路只需单电源供电，在这里取值10uF，引脚6接的是电源电压而引脚4与地相接，引脚1与引脚8是对电压增益的设定端，一般在1脚与8脚之间需要外接电阻与电容串连的电路，可使电压的放大倍数达到到200左右。引脚3可外接可调电阻，可使集成功放电压20200之间变化。3.3.4红外模块电路1243U2单单单单R210KR11kC3104VCC图3-9红外模块电路红外收发对管是一种利用红外线来达到开关电路效果的开关管，它的运行原理是接收管的电阻在接收到红外射线与没接受到红外射线时的大小不一样。在运行时单片机可以感受到外围电路输出时产生的电平发生明显的高低变化，对此加以识别，从而实现智能控制。一般情况下人们见到的红外控制系统都分为发射管和接收管两部分。如图3-9所示，左边为分发射管，右边为接收管，发射部分的发射元件叫红外发光二极管，它将发出人眼不可见的红外线，从外官上看它所发出的光与普通发光二极管发出的光大致相同，在颜色方面却有明显的不同之处。而接收部分的红外接收管属于一种光敏二极管，这种二极管在使用时要给需要给它加上加反向偏压，这样可以使它工作正常而且它的灵敏度可以获得提高。17第四章软件设计4.1软件开发环境KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它相较于其他的汇编语言而言，它使C语言在功能、结构与维护上相比其他软件有明显的优势，而却这种软件的学习十分简单易懂，也是其优势所在。Keil还提供了许多其他开发方案，比如C语言编译器，连接器，库管理和仿真器等，这些部分都是被一个集成开发环境全部组合在一起。Keil对于C语言编程来说是最好的选择，如果你不需要用到C语言，而是其他汇编语言，Keil中的软件调试工具会让你的编写变得更加简单。4.2软件程序这次设计的程序主要包括主程序和这录音子程序两部分。STC89C51单片机在软件中起到了接收指令，传输指令的作用，它将相应指令传给ISD4004，同时单片机还起到监控ISD4004的中断输出的作用。当按下录音开关时，单片机将读取ISD4004的状态寄存器，从中根据OVF和EOM这两者的状态来进行相应的处理。如果OVF=1，也就是存储器溢出时，则不管当前程序进展到何种地步都会将ISD4004的地址置零，并且继续运行原有的指令；当EOM=1时，当前状态只可能为放音。4.3软件流程如图4-1所示，主程序正处于接收等待中断的状态，单片机将根据接收到的命令码来进行相对应的操作处理。18图4-1主控模块框图使电路与电源相连接，此时程序要完成初始化操作，随后进入确定按键操作的过程，这时系统是处于待机状态的。当人为按下按键时，程序将根据按下的按键是录音按键还是放音按键而执行不同的命令。如果为录音键，会录入当前的语音，并记录下录音结束的地址，如果为放音键，则会播放指定的录音，并有使放音指示灯亮的指示。它的运行过程如图4-2所示。上电初始化结束判断是录音还是放音使用录音程序使用放音程序录音放音图4-2控制过程当芯片发出SETREC与REC这两条指令时，ISD4004语音芯片开始录音。此时单片开始初始化等待中断是否有放音操作选对应段放音操作是否有录音操作选对应段放音操作YYNN19机中的定时器将会被启动，定时器会对ISD4004芯片的行地址时钟信号RAC进行计数，并对这次录音的时间长度进行记数，以便在停止录音时方便计算出下一段的录音在ISD4004中的首地址在哪里。图4-3为启动录音子程序流程图。首地址=0启动录音子程序录音段号=0？从EEPROM取本段首地址将首地址赋给A0A15发送SETREC命令使能CPU及外中断INTO#地址计时器清零发送REC命令结束YN图4-3启动录音子程序停止录音子程序使ISD4004处于停止状态，并记录下此次录音的时间长度，如果现在单片机进行录音，语音芯片就会开始读取定时器中对RAC计数的数值，并通过内部计算得出下一段录音的首地址在语音芯片中的存储位置在哪里，并将这个地址写入到EEPROM中。第二段语音信息首地址=第一段语音信息首地址+定时器中的数值+1。图4-4是停止录音子程序的流程图。20停止录音子程序禁止中断发送STOP命令停止TO读地址计数器中定时长度取本语音段首地址下段首地址=本段首地址+定时长度+1将下段首地址写入存储器结束图4-4停止录音子程序要实现播放ISD4004语音芯片中正确的录音顺序，在执行放音指令时，要先从EEPROM中领取之前存储在其中的该语音信号的首地址数据。并且对ISD4004语音芯片输出的语音信号进行检测。图4-5为启动放音子程序流程图。21首地址=0启动放音子程序录音段号=0？从EEPROM取本段首地址将首地址赋给A0A16发送SETREC命令使能CPU及外中断INTO#发送PLAY命令结束YN图4-5启动放音子程序22第五章测试分析5.1硬件调试硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。先排除硬件电路故障，包括设计错误和工艺性故障。（1）检测电路是否有短路、断路、虚焊等，检测芯片引脚焊接是否有错位。用万用表来检查电路中的各器件及引脚是否连接正确，经过仔细检查，与正常数据对比后，电路中并无上述所说的故障。（2）检查电路中电源电压的幅值与极性在通电前，用万用表测试各电源电压，确定无误后上电进行测试。（3）检测单片机上各电路是否正常。用万用表测量单片机的电源是否正常工作，晶振电路是否正常工作，复位电路是否正常工作。在测量中，电源值为正常值。复位引脚在系统复位时测得为高电平，在单片机工作时测得为低电平，根据结果，复位电路正常。5.2软件调试软件的调试主要是利用仿真软件进行调试，分别对各个模块进行调试，除了可以发现程序错误之外，还能检测出硬件的问题。（1）使用单片机P3口与语音芯片的连接，从而检测出单片机P3口程序是否正确。P3.2连接串行输出引脚，P3.3连接串行输入引脚，P3.4接连接片选引脚，P3.5连接串行时钟引脚，调试程序见附录，经过测试，单片机与语音芯片正常连接，两者可以正常通信，P3口程序正确。（2）使用单片机P2口实现开关K1，K2控制录放音，从而检测出单片机P2口程序是否正确。P2.0连接开关K1，P2.1连接开关K2，P2.2连接放音指示灯，调试程序见附录，经过测试，当按下K1时，语音芯片录入了第一段录音，当按下K2时，语音芯片放出了第一段录音，并且放音指示灯点亮，P2口程序正确。（3）使用单片机P1口实现红外传感器与按键控制放音，从而检测出单片机P1口程序是否正确。P1.0连接开关0，P1.1连接开关红外传感器，调试程序见附录，经过测试，当红外传感器接收到信号后，语音芯片放出第一段录音，当按下0键时，语音芯片放出第二段录音，P1口程序正确。235.3实物测试图5-1实物图K1K2复位0键红外对管图5-2实物图讲解整个设计分为录音键K1，放音键K2，复位键，实验室介绍键0和红外对管感应器。当录音键是按下就开始录音，直到松手录音结束，放音时，按下松手即可放音。（1）录放音功能是否能实现24当按下K1键时，可以录下第一段录音，松手停止录音后，系统将录音时间保存的单片机内部EEPROM中，掉电不丢失。再次按下K1时可以录下第二段录音。当按下K2键时，可以放出第一段录音，再次按下K2时，可以放出第二段录音。测试结果：在按下复位键之后，直接按下K1说话录取第一段录音，再按K1录取第二段录音，之后按下K2，喇叭中播放了第一段录音：您好，这是*实验室，要了解实验室情况，请按0，再按下K2，喇叭中播放了第二段录音：本实验室是。结果与预期相同。（2）传感器功能是否能实现通电之后如果红外被遮挡住，则会播报第一段录音：提示按键的录音，按下0键时，则会播放第二段录音：冠以实验室介绍内容。测试结果：将卡片或钥匙之类的物品放入红外对管中，喇叭中播放了第一段录音：您好，这是*实验室，要了解实验室情况，请按0。听过录音后再按下0键，此时喇叭中播放了第二段录音：本实验室是。结果与预期相同。25第六章总结本次设计是使用STC89C51单片机来控制的语音的录音与放音系统，利用ISD4004语音芯实现语音的存储，通过红外感应或者按键来实现对语音的播放。通过这次对单片机控制语音录放模块的设计，我学到了许多关于实践的知识，最重要的是认识到了将理论知识与实际操作联系到一起的重要性与真实性。对于这次的设计，我首先在图使馆查阅了大量的资料，这些知识不但巩固了我已经学会的知识，还让我从中学习到了一些以前不知道的理论知识。不过，光在书本中获取知识是没用的，能在实践中理解书本上的知识才是最好的学习方法，毕竟我们学习的最终目的就是要将知识与实际相结合，做到学以致用。这次设计就是一次绝好的体验机会。在这次整个设计过程中，我也遇到过许多问题，我觉得在这次设计中最难的还是焊接，在焊接前还需要有排版布线这个过程，在看一些设计好的电路图的排版，觉得人家的连线简单明了，但是到了自己做的时候才发觉排版并不是一件简单的事。之前没有注意，到焊接时才发现自己排版没有排好，直接影响到整个电路的美观和焊接时的难度，这样导致我不得不第二次进行排版这个过程，浪费了大量的时间。在焊接结束后需要测试电路有没有短路、虚焊、漏焊，在调试时就因为虚焊导致最后电路运行不了，在经过大量时间的检查之后才找到问题所在，成功解决了问题，这也是粗心惹得祸，加大了工作量也浪费了时间，所以今后要多在这个方面加强练习。本此设计是语音播报系统，在实际应用中还是具有较大的实用性，由于时间和能录的关系，这次设计在各个方面都还存在很多不足的地方，还需要在更进一步改进，相信在接下来的学习中，我能完善这次设计，加强自己的能力。26参考文献1张文.基于MATLAB的语音信号滤波设计与实现J.山西电子技术，20082杨易华;吴效明;岑人经.基于ISD4004的红外遥