语音式吃药提醒器的设计.doc

毕业设计语音式吃药提醒器的设计系 别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号5060725学生姓名杨艳英指导教师王军伟2010年6月15日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第II页语音式吃药提醒器的设计摘 要针对ISD4004语音芯片以及DS1302时钟芯片的特点，设计一种由MCS-51单片机控制的语音提醒系统，能够循环录放，显示当前时间，即节省存储空间，又降低成本，具有较高的使用价值。 本系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分包括89C51单片机，ISD4004语音芯片，DS1302时钟芯片，LED显示器，矩阵键盘，LM386音频放大器，驻极体电容器，扬声器及相关的外围电路。软件部分主要是根据单片机和ISD4004以及DS1302的特点进行程序设计。硬件部分实现的功能：通过驻极体电容器将语音信号录入ISD中保存起来，并在单片机8051的控制下通过音频放大电路，由扬声器放出。软件部分实现的功能：将控制指令传给ISD4004及DS1302，同时监控ISD4004及DS1302的中断输出。关键词：ISD4004，DS1302，51单片机，LM386，循环录放Voice type medication reminder designed Author：Yang Yanying Tutor：Wang JunweiAbstract This paper describes a method that use single chip and voice chip ISD4004 to design one kind of systematic of voice prompt, according as the characteristics of voice chip ISD4004 and DS1302.AND the system is controlled by single chip MCS-51,which not only save the memory space and lower costs ,but also have higher use value. This system is made up of hardware and software, among them, the part of the hardware includes single chip 8051, voice chip ISD4004,clock chip DS1302,Matrix keyboard, LM386 audio-frequency amplifier, MIC, the- loudspeaker and some relevant peripheral circuits. And the part of the software is mainly to design some programs according to the characteristics of single chip8051d,ISD4004 and DS1302. Function that the part of the hardware realizes: Firstly，we should record the voice signal by using the stay body condenser ,then the signal will be emitted through the loudspeaker after having been enlarged by the circuit of the audio frequency ,and all these are controlled under the single chip 8051. Function that the part of the software realizes: The single chip will control the order to pass to ISD4004 and DS1302 and the interrupt output of ISD4004 and DS1302 at the same time .Keywords：ISD4004，DS1302，single chip 8051，LM386，alarm 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第IV页目录1 绪论11. 1 课题提出的背景11.2 市场上已有的此类产品12 方案的比较和论证32.1基于PIC单片机的语音提醒器的设计32.2 基于AT89C51单片机的语音提醒器的设计33 系统总体构思与硬件电路设计53.1 实时时钟DS130253.1.1 DS1302介绍53.1.2DS1302与单片机的连接73.2 LED显示73.2.1LED简介73.2.2 时钟显示电路103.3 ISD4004语音电路113.3.1 ISD4004芯片介绍113.3.2ISD4004与单片机的连接及ISD4004外围电路图163.4 LM386173.4.1 LM386芯片介绍173.4.2 应用电路193.5 矩阵键盘203.5.1矩阵式键盘的结构与工作原理203.5.2本设计使用的键盘电路203.6 光报警203.6.1发光二极管简介203.6.2应用电路203.7 8051单片机203.7.1 单片机主要引脚及功能简介203.7.2 8051存储器配置203.7.3 中断控制204 软件设计204.1 时钟部分204.1.1 数据与代码转换。204.1.2 计时功能的实现与中断服务程序204.1.3 时间控制功能与比较指令204.1.4 时钟部分程序流程图204.2 语音部分20结束语20致谢20参考文献20附录20附录A20附录B20 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第53页1 绪论1.1 课题提出的背景随着生活水平的不断提高，人们对健康的关注程度也越来越高，然而，由于各种各样的原因，总是有人会忘记自己的健康日程。老年人因为记忆力减退等因素，常常忘记自己该吃药了；忙于事业的年轻人则因为快节奏的生活、繁重的工作而忽略自己的健康。本语音提醒器的设计即是针对这些人进行的，可以从视觉和听觉上督促使用者在预设好的时间里用药，其他时间用作电子时钟。1.2 市场上已有的此类产品目前市场上已经有很多用于吃药提醒的产品，其功能有的简单有的复杂，外形多种多样。技术上大都是结合单片机、语言芯片、传感器等，经过系统开发，实现预设的功能。归纳一下，这些产品的形式大致有药盒、药瓶、药箱以及单独的提醒器。下面，对于其中的一些产品，作简单介绍。（1）一种安全用药定时提醒管理器其包括：一个电子装药盒和一个与所述电子装药盒电性连接的定时器，所述电子装药盒包括至少一个承座和若干相互间隔的药格，且所述承座收容所述若干药格，其中，所述承座配设有与各药格对应的指示灯，且所述定时器电性连接各指示灯。特点：使用方便、易于携带且能有效提醒患者及时正确服药，其实用性强，安全性高。（2）定时服药瓶盖此设计涉及一种定时发出声响或语音提醒人们按时服药的定时服药瓶盖，设置在瓶盖上的设定时间间隔机构、声响机构、闪光器及复位开关，其相互电连接；当到服药时间时，闪光器闪光并声响器发出声响提示，服药后，复位开关随瓶盖旋紧在瓶体上而闭合，待到第二次服药时间时，又闪光及发出声响，这样可以在24小内设定多次提醒。包括设置在瓶盖上的定时机构、声响机构、闪光器及复位开关；1.5伏钮扣电池正极电连接由设置在瓶盖体内定时器构成的定时机构，其另一端接地；定时器通过位于瓶盖与瓶体之间的复位开关，分别电连接由设置在瓶盖顶部的声响器构成的声响机构和由放大器及压电陶瓷构成并设置在瓶盖顶部的闪光器，声响器和闪光器的另一端接地。（3）智能药箱包括带有若干个抽屉的药箱，其特征在于：还包括中央控制装置、供使用人输入信号的输入设备、语音输出设备、定时器，所述的抽屉设有明显的编号，抽屉内侧安装有关闭传感器；所述的中央控制装置包括传感监视单元、计算分析单元、信息存储单元；传感监视单元与关闭传感器配合，记录并向计算分析单元发出抽屉的开启和位置信号； 计算分析单元包括按时服药提醒模块、服药确认模块、服药检查模块；连接输入设备的信息存储单元，储存各抽屉的药品名称、各药品的服用时间、用法用量、余量信息；按时服药提醒模块根据预设的服药时间，检查尚未按时服用的药品，向语音输出设备发送提醒信号；关闭传感器向传感监视单元发送抽屉开启信号，传感监视单元向服药确认模块发出请求信号；服药确认模块中的时间判断器判断是服药时间后发送服药信号给准确服药检查处理模块；如果不是服药时间，则通过语音输出单元询问使用人是否想服药，从输入设备得到确认信号后，发送服药信号给服药检查模块；服药检查模块得到确认的服药信号后从信息存储单元获取该时间段可以服用的药物名、正在开启的抽屉内的药品信息，判断器判断打开的抽屉中的药物是否包含在服药名中，判断为真，置这种药在此时间段已经服用的标志为真；判断为假，通过语音输出设备发出报警提示信号。（4）一种定时报警提醒器用于定时服药提醒，属于一种定时器，尤其涉及一种用于提醒患病者按时服药的定时器。本实用新型采用报警器与药瓶整体化结构或分体制造再由使用者将报警器粘贴到药瓶或药盒上的结构，可以切实达到准确有效提醒患者按时服药的作用。另外，本实用新型直接采用几档开关进行定时时间设定，使得中老年患者只需进行开或关的两档操作即完成了多次提醒服药的设定工作，十分便捷。组成：包括信号处理单元、定时单元、报警提醒单元、报警停止部件和电源；所述的信号处理单元分别与定时单元、报警提醒单元和电源连接；其特征在于：所述的信号处理单元为芯片，所述的报警停止部件为一体或分体结构，所述的定时单元为至少包括两个开关的开关组。 特点：没有采用集成化大型编程芯片，成本和造价低，易于市场推广。 2 方案的比较和论证2.1基于PIC单片机的语音提醒器的设计美国Microchip公司的PIC16F877单片机，是Microchip公司推出的一款低功耗，高性价比的8位RISC单片机，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD（In Circuit Debug）功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。PIC系列单片机的主要特点（1）哈佛总线结构。PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的哈佛总线结构，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，便于实现指令提取、流水作业和全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度，并能确保数据的安全性。（2）精简指令集（RISC）技术。指令系统只有35条指令，容易学习、记忆、理解，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来了极大的便利，可谓易学好用。（3）寻址方式简单。只有寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址4种寻址方式，比较容易理解与掌握。（4）运行速度高。由于采用了哈佛总线结构，指令的读取和执行采用流水作业方式，使得运行速度大大提高。PIC系列单片机的运行速度远远高于其他相同档次的单片机，在所有8 bit单片机中，PIC系列单片机是目前世界上运算速度最快的品种之一。（5）功耗极低。其I/O口驱动负载能力较强，每个端口输入和输出电流的最大值可达25 mA，可直接驱动LED、光耦或微型继电器。（6） PIC18F6585芯片具有ADC、I2C和SPI串行总线端口等，并有外接电路，简洁、开发方便，可用C语言编程，程序保密性强等特点。2.2 基于AT89C51单片机的语音提醒器的设计AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。主要特点：与MCS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32条可编程I/O口线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路本设计以单片机作为主控制器，结合ISD4004语音芯片以及DS1302时钟芯片，设计制作具有定时功能的语音提示电路。现有如下两种方案供选择：方案一：以PIC16F877单片机作为主控制器。方案二：以AT89C51单片机作为主控制器。通过前面对PIC16F877和AT89C51的介绍，以及我们对两种单片机的了解，AT89C51单片机的性价比更高，所以本设计采用方案二，以AT89C51单片机作为主控制器。3 系统总体构思与硬件电路设计本设计以单片机为核心，主要分为时钟电路和语音电路两大部分。设计的整体结构如图3.1所示：实时时钟单片机时间显示键盘输入语音录放光报警图3.1 总体框图 3.1 实时时钟DS1302DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。3.1.1 DS1302介绍1、DS1302的引脚功能及结构DS1302的引脚排列如图3.2所示，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。 图3.2 DS1302封装图2、DS1302的控制字DS1302的控制字如图3.3所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。RAMA0A1A2A3A4RAM1KCK 图3.3 DS1302的控制字节3、数据输入输出在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。 4、DS1302的寄存器DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式，其日历、时间寄存器及其控制字如下：CH：时钟停止寄存器2的第7位，12/24小时标志CH=0 振荡器工作允许 bit=1，12小时模式 CH=1 振荡器停止 bit=0，24小时模式WP：写保护寄存器2的第5位，AM/PM定义WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1，下午模式WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0，上午模式TCS：涓流充电选择 DS：二极管选择位TCS=1010 使能涓流充电 DS=01，选择一个二极管TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10，选择两个二极管DS=00或11，即使TCS=1010，充电功能也被禁止此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。 表3.1 RS控制字RS位电阻典型位00没有没有01R12K10R24K11R38K3.1.2DS1302与单片机的连接如图3.4所示，DS1302与单片机的连接很简单，仅需3条线，/RST引脚，SCLK串行时钟引脚，I/O串行数据引脚，VCC为备用电源，外接32.768kHZ晶振，为芯片提供计时脉冲。3.2 LED显示3.2.1LED简介LED数码管是设备的简易显示常用电子元器件，下面将介绍它的性能特点，简单检测方法及应用注意事项等内容。 LED数码管的主要特点如下：1、性能特点 （1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。 （2）发光响应时间极短（01s），高频特性好，单色性好，亮度高。 图3.4 DS1302与AT89C51连接图（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，成本低。因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。2、性能简易检测LED数码管外观要求颜色均匀、无局部变色及无气泡等，在业余条件下可用干电池作进一步检查。现以共阴数码管为例介绍检查方法。将3伏干电池负极引出线固定接触在LED数码管的公共负极端上，电池正极引出线依次移动接触笔画的正极端。这一根引出线接触到某一笔画的正极端时，那一笔画就应显示出来。用这种简单的方法就可检查出数码管是否有断笔（某笔画不能显示），连笔（某些笔画连在一起），并且可相对比较出不同笔划发光的强弱性能。若检查共阳极数码管，只需将电池正负极引出线对调一下，方法同上。LED数码管每笔画工作电流ILED约在5-10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻值可按下式计算：R值=（U-ULED）/ILED其中U为加在LED两端电压，ULED为LED数码管每笔画压降（约2伏）。 利用数字万用表的hFE插口能够方便地检查LED数码管的发光情况。选择NPN挡时，C孔带正电，月孔带负电。例如检查LTS547R型共阴极LED数码管时，从E孔插入一根单股细导线，导线引出端接?极（第脚与第脚在内部连通，可任选一个作为?）；再从C孔引出一根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所对应的笔段。3、使用注意事项 （1）检查时若发光暗淡，说明器件已老化，发光效率太低。如果显示的笔段残缺不全，说明数码管已局部损坏。 （2）对于型号不明、又无管脚排列图的LED数码管，用数字万用表的h距挡可完成下述测试工作：判定数码管的结构形式（共阴或共阳）；识别管脚；检查全亮笔段。预先可假定某个电极为公共极，然后根据笔段发光或不发光加以验证。当笔段电极接反或公共极判断错误时，该笔段就不能发光。4、LED显示驱动LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 A、静态显示驱动： 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位解码器解码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个。故实际应用时必须增加解码驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B、动态显示驱动： 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。 恒流驱动与非恒流驱动对LED数码管的影响主要有以下几点：1、显示效果： 由于LED基本上属于电流敏感元件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动晶片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。 2、安全性： 即使是短时间的电流超载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。另外，我们所采用的超大型集体电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极体的损害。超大型集体电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。3.2.2 时钟显示电路 图3.5 LED显示电路时钟显示电路如图3.5所示。由6个共阴极的数码管组成时、分、秒的显示。P0口的8条数据线P0.0至P0.7分别与两个CD4511译码的ABCD口相接，P2口的P2.0至P2.2分别通过电阻R10至R13与VT1至VT3的基极相连接。本设计采用LED动态显示驱动，这样通过P0口送出一个存储单元的高位、低位BCD显示代码，通过P2 口送出扫描选通代码轮流点亮LED1至LED6，就会将要显示的数据在数码管中显示出来。从P0口输出的代码是BCD码，从P2口输出的就是位选码。这是扫描显示原理。3.3 ISD4004语音电路3.3.1 ISD4004芯片介绍计时器内部时钟XCLK采样时钟ANA IN-5阶有源平滑滤波器-+5阶有源抗混叠滤波器模拟信号收发器ANA IN+3480K单元非易失性存储阵列译码器自动静音AUD OUT放大器控制器件电源电路VssaVccaVssaVssaVssdVccdSCLKAM CAPRACMISOMOSI/SS/INT 图3.6 ISD4004 内部结构图ISD4004系列芯片工作电压3V，单片录放时间8分钟至16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了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”。采样频率可为 4.0，5.3，6.4，8.0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年（典型值），反复录音10万次。1、引脚描述电源（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，并且分别引到外封装的不同管脚上，模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近器件。地线（VSSA，VSSD）：芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入（ANA IN+）：这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值32mV，耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值16mV，与ISD3300系列相同。 图3.7 ISD 4004引脚图反相模拟输入（ANA IN-）：差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值16mV。音频输出（AUD OUT）：提供音频输出，可驱动5K的负载。片选（/SS）：此端为低，即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入（MOSI）：此端为串行输入端，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。串行输出（MISO）：ISD的串行输出端。ISD未选中时，本端呈高阻态。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。数据在SCLK上升沿锁存到ISD，在下降沿移出ISD。 中断（/INT）：本端为漏极开路输出。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。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。OVF标志指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志，只在放音中检测到内部的EOM标志时，此状态位才置1。行地址时钟（RAC）：漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行（ISD4004系列中的存贮器共2400行）。该信号175ms保持高电平，低电平为25ms。快进模式下，RAC的218.75s是高电平，31.25s为低电平。该端可用于存储管理技术。 图3.8 一个RAC周期外部时钟（XCLK）：本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在-6%+4%内，此时建议使用稳压电源。若要求更高精度，可从本端输入外部时钟。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，故推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要，因内部首先进行了分频。在不外接部时钟时，此端必须接地。 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，这样有助于养活无信号（静音）时的噪声。通常本端对地接1mF的电容，构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪功能的翻转点。大信号时，自动静噪电路不衰减，静音时衰减6dB。1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。2、 SPI（串行外设接口）ISD4002工作于SPI串行接口。SPI协议是一个同步串行数据传输协议，协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作，因此对ISD4002语音芯片而言，在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。协议的具体内容为：所有串行数据传输开始于SS下降沿。SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间则保持为高电平。 数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。SS变低，输入指令和地址后，ISD才能开始录放操作。 指令格式是（8位控制码）加（16位地址码）。 ISD的任何操作（含快进）如果遇到EOM或OVF，则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。使用“读”指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时，控制及地址数据也应同步从MOSI端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然，也允许在一个SPI周期里，同时执行读状态和开始新的操作（即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容）。所有操作在运行位（RUN）置1时开始，置0时结束。所有指令都在SS端上升沿开始执行。（1）信息快进用户不必知道信息的确切地址，就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，然后内部地址计数器加1，指向下条信息的开始处。（2）上电顺序器件延时TPUD（8kHz采样时，约为25毫秒）后才能开始操作。因此，用户发完上电指令后，必须等待TPUD，才能发出一条操作指令。例如，从00从处发音，应遵循如下时序：发POWERUP命令；等待TPUD(上电延时)；发地址值为00的SETPLAY命令；发PLAY命令。器件会从此00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音。如果从00处录音，则按以下时序：发POWER UP命令；等待TPUD（上电延时）；发POWER UP命令；等待2倍TPUD；发地址值为00的SETREC命令；发REC命令。器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF（存贮器末尾）时，录音停止。 表3.2 指令表指令8位控制码操作摘要POWERUP00100XXX上电：等待TPUD后器件可以工作SET PLAY11100XXX从指定地址开始放音。必须后跟PLAY指令使放音继续PLAY11110XXX从当前地址开始放音(直至EOM或OVF)SET REC10100XXX从指定地址开始录音。必须后跟REC指令录音继续REC10110XXX从当前地址开始录音(直至OVF或停止)SET MC11101XXX从指定地址开始快进。必须后跟MC指令快进继续MC11111XXX执行快进，直到EOM若再无信息，则进入OVF状态STOP0X110XXX停止当前操作STOP WRDN0X01XXXX停止当前操作并掉电RINT0X110XXX读状态：OVF和EOM注：快进只能在放音操作开始时选择。 （3）SPI端口的控制SPI各端口控制位如图3.9所示。（4）SPI 控制寄存器SPI控制寄存器控制器件的每个功能，如录放、录音、信息检索(快进)上电/掉电、开始和停止操作、忽略地址指针等。详见表3.3。MISOOVFECMP0P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10000MOSIC4C3C2C1C0A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0Message Cueing(MC)Ignore Address Bit(IAB)Power UP(PU)Play/Record(P/R)RUN 图3.9 SPI的端口控制位 表3.3 SPI控制寄存器功能表位值功 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/放模式放取录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注：IAB置0时，录、放操作从A9-A0地址开始。为了能连贯地录、放到后续的存储空间，在操作到达该行末之前，应发出第二个SPI指令将IAB置1，否则器件在同一地址上反复循环。这个特点对语音提示功能很有用。RAC脚和IAB位可用于信息管理。3.3.2ISD4004与单片机的连接及ISD4004外围电路图如图3.1.0所示，ISD4004与单片机的连接仅用了四根线，分别是/SS片选信号线、MOSI串行数据输入、MISO串行数据输出、SCLK时钟输入线。 图3.10 ISD4004外围电路语音芯片要正常工作，还要有外围的辅助电路，除电源外、语音信号的输入、输出电路等，都是语音芯片工作必不可少的。（1）音频输入电路。系统中语音芯片的输入采用了单端输入的方法，麦克风采用小型驻极体麦克风。（2）音频输出。语音芯片的输出功率较小，不能直接驱动扬声器，因此，电路中设置了一个功率放大器LM386，使功率放大到驱动扬声器的要求。为了消除ISD单端输出可能产生的“砰”声，LM386采用差分输入，在通过LM386放大端增加电容电路滤波，消除噪声的干扰，提高语音输出的品质。ISD4004有两个特别的端口INT和RAC，这两个端口都应通上拉电阻同3V电源的正端相连，以保证不受到意外的干扰而触发。3.4 LM3863.4.1 LM386芯片介绍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产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。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。输入端以地为参考，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。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。1、电路特性： 静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电。 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 外围元件少。 电压增益可调，20-200。 低失真度。2、LM386的工作原理LM386内部结构图如图3.11所示，与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。图3.11 LM386的内部结构第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。 LM386的外形和引脚的排列如图3.12所示，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10F。 图3.12 LM386外形及引脚图 3.4.2 应用电路 本设计中，LM386的电路如图3.13所示。 图3.13 LM386放大电路3.5 矩阵键盘3.5.1矩阵式键盘的结构与工作原理 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成44=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。3.5.2本设计使用的键盘电路 图3.14 键盘与单片机的连接如图3.14所示，本设计采用24矩阵键盘，系统的功能选择由SB0、SB1、SB2、SB3、SB4完成。其中SB0为时间校对，定时器调整功能键，按SB0进入调整状态。SB1为功能切换键。第一轮按动SB1依次进入一路、二路、三路定时时间设置提示程序，按SB3进入各路定时调整状态。定时时间到，发出语音提醒，按任意键可终止提醒。如果不进入继续按SB1键，依次进入时间“年”位校对、“月”位校对、“日”位校对、“时”位校对、“分”位校对、“秒”位校对状态。不管是进入那种状态，按动SB2皆可以使被调整位进行不进位增量加1变化。各预置量设置完成后，系统将所有的设置存入RAM中，按SB1退出调整状态。上电后，系统自动进入计时状态，起始于“00”时“00”分。SB4为年月日显示转换键，可使原来显示时分秒转换显示年月日。SB5空闲，无作用。REC和PAL为语音录/放键，按下REC，录音开始；按下PAL，放音开始。键盘是人与微机打交道的主要设备，按键的读取容易引起误动作。可采用软件去抖动的方法处理，软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动，延时时间20ms. 连击功能的实现按下某键时，对应的功能键解释程序得到执行，如操作者没有释放按键，则对应的功能会反复执行，好象连续执行，在这里我们采用软件延时250ms,当按键没释放则执行下一条对应程序。利用连击功能，能实现快速调时操作。3.6 光报警3.6.1发光二极管简介发光二极管在日常生活电器中无处不在，它能够发光，有红色、绿色和黄色等，有直径3mm、5mm和25mm长方型的。与普通二极管一样，发光二极管也是由半导体材料制成的，也具有单向导电的性质，即只有接对极性才能发光。发光二极管符号比一般二极管多了两个箭头，示意能够发光。通常发光二极管用来作电路工作状态的指示，它比小灯泡的耗电低得多，而且寿命也长得多。用发光二极管，还可以构成电子显示屏，证券交易所里的显示屏就是由发光二极管点阵构成的，只是因为各种色彩都是由红绿蓝构成，而