【正文】 ....................................30 致謝 ..................................................................................................................................35 作品使用說明書 ................................................................................................................36 [鍵入文字 ] 1 第 1章 緒論 課題研究背景 隨著生活節(jié)奏的日益加快，城市智能化建設(shè)的不斷發(fā)展，在智能儀器儀表 和工業(yè)控制系統(tǒng) 中增加語音 錄放 功能成為了極為普遍的現(xiàn)象。 關(guān)鍵詞： AT89C51 單片機(jī) ,語音存儲(chǔ) ,語音回放 [鍵入文字 ] II DESIGN OF VOICE RECORDING AND PLAYBACK SYSTEM BASED ON AT89C51 ABSTRACT The propose of this paper is to design a realtime 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 microputer 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?？刂颇K核心是 51 單片機(jī)的口線功能，通過對(duì)按鍵的識(shí)別來控制語音錄放模塊的工作模式；語音錄放模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的處理、存儲(chǔ)以及復(fù)原的功能；功放模塊能對(duì)復(fù)原好的音頻信號(hào)加以放大，使聲音更加清晰明亮。[鍵入文字 ] I 基于 51 單片機(jī)的數(shù)字語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 該文采用 AT89C51單片機(jī)和 ISD2560語音芯片設(shè)計(jì)一款實(shí)時(shí)語音錄放系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)錄音時(shí)間達(dá) 60s、錄放音受按鍵控制、可復(fù)位且音量可調(diào)等諸多功能。 整個(gè)系統(tǒng)共有三大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、語音錄放模塊、功放模塊。整個(gè)設(shè)計(jì)圍繞以下三方面進(jìn)行研究 ：總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。voice recording module can realize voice processing,storage and playback。添加語音功能不僅使得 機(jī)器更加 “聰明 ”和人性化，還 能讓使用者操作更加得心應(yīng)手 ?？梢哉f，語音系統(tǒng)是社會(huì)生活和生產(chǎn)不可缺少的東西，它的發(fā)展是社會(huì)進(jìn)步的必然結(jié)果。單片機(jī)具有體積 小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f， 單片機(jī)體現(xiàn)的是它強(qiáng)大的控制能力。相對(duì)于模擬設(shè)備來說，數(shù)字設(shè)備易于集成、小型化、成 本更低，同時(shí)更為穩(wěn)定，且操作更為直接、方便，使得數(shù)字語音錄放系統(tǒng)目前在各種領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用 [2]。 在對(duì)語音信號(hào)的處理方面，常規(guī)方法是采用濾波器處理接收到的模擬語音信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)控制存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。但是這種方法的缺點(diǎn)是，輸出不穩(wěn)定，語 音信號(hào)有雜音或者變音，這是模擬電路所不能避免的缺點(diǎn) [3]。 語音芯片可以很方便的 和 單片機(jī)系統(tǒng) 相結(jié)合， 其體積和重量也能符合單片機(jī)系統(tǒng)的要求。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來，語音信號(hào)處理技術(shù) 的發(fā)展可謂日新月異 ， 新技術(shù)的出現(xiàn) 為語音 錄放系統(tǒng) 的發(fā)展指引 了新的 方向 。舉例來說，原始語音一般都是采用 8KHz 抽樣， 16bits的線性 PCM 編碼進(jìn)行采集，在一般的系統(tǒng)中就直接將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；而如果采用參數(shù)編碼對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，存儲(chǔ)量則可以大大減少，當(dāng)需要恢復(fù)語音時(shí)，可利用編碼后的參數(shù)進(jìn)行合成，可以得到質(zhì)量令人滿意的結(jié)果。芯片采用模擬信號(hào)直接存儲(chǔ)技術(shù)，將聲音信號(hào)直接寫入存儲(chǔ)單元而不經(jīng) A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換， 所以使用 ISD 芯片能非常好的再現(xiàn)語音，可避免因一般固體語音電路的量化和壓縮所引起的量化噪聲和失真情況。現(xiàn)在市場(chǎng)上已有公司將以 AT89C2051 單片機(jī)與 ISD 語音芯片組成的語音組合板，用串口通信，芯片里固化有一些常用語音詞匯，用戶不需了解語音功能的工作原理，只需通過串口按一定協(xié)議發(fā)送代碼即可送出語音。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來越快，未來將向低功耗、微型化發(fā)展。語音存儲(chǔ)與回放技術(shù)的核心是語音編碼，它是現(xiàn)代語音技術(shù)的三大核心之一（語音識(shí)別、文本語音轉(zhuǎn)換、語音編碼）。另一方面，將采用更先進(jìn)的技術(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理，減少存儲(chǔ)空間。語 音識(shí)別技術(shù)和語音合成技術(shù)，將是未來的主導(dǎo)，他們將推動(dòng)語音技術(shù)向語境真實(shí)化和多模態(tài)化發(fā)展，但是面臨的核心技術(shù)也將越來越難 [4]。在現(xiàn)代社會(huì)，推動(dòng)時(shí)代發(fā)展的根本力量，仍然是信息化和科技進(jìn)步推動(dòng)的全球經(jīng)濟(jì)一體化。 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 本文的設(shè)計(jì)任務(wù)是用 AT89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)一款數(shù) 字語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，要求整個(gè)系統(tǒng)錄音時(shí)間達(dá)到 60s，放音效果真實(shí)清晰，采樣頻率達(dá) 8KHZ，工作電壓5V，系統(tǒng)錄放音可受按鍵控制，可復(fù)位且音量可調(diào)有較強(qiáng)的抗干擾能力。 [鍵入文字 ] 4 第 2章 總體方案設(shè)計(jì) 總體方案論證 方案一：利用單片機(jī)及其外圍硬件電路，包 括 A/D、 D/A、濾波及放大電路等，就能完成語音信號(hào)的數(shù)字化采集、存儲(chǔ)和回放的功能。它的原理圖如圖 21 所示。這種方法過程簡(jiǎn)單，但是語音信號(hào)容易受到外界 的干擾而失真，并且信號(hào)的壓縮存儲(chǔ)比較復(fù)雜，硬件電路不宜調(diào)試。采用語音芯片技術(shù)來處理語音信號(hào)，系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，存儲(chǔ)方便，調(diào)試簡(jiǎn)單，可作為語音服務(wù)的子系統(tǒng)等縱多優(yōu)點(diǎn)。加上麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器，開關(guān)和少數(shù)的幾個(gè)電容、電阻和電源，就可構(gòu)成一個(gè)完整的語音錄放系統(tǒng)。模擬語音語音信號(hào)進(jìn)過麥克風(fēng)之后直接送入 ISD2560 芯片加以處理和存儲(chǔ)，放音時(shí)， ISD2560 芯片再把存儲(chǔ)好的數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)，再通過放大器把信號(hào)放大，最后用揚(yáng)聲器放出來 [6]。 單 片 機(jī) 控 制I S D 2 5 6 0S p e a k e rM I C按 鍵 控 制功 率 放大 器 圖 22 方案二系統(tǒng)原理圖 通過有效性和實(shí)用性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案二具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此選擇方案二。 器件選擇 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是一種集 成電路芯片，即在一塊集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 接口電路，從而構(gòu)成單芯片的微型計(jì)算機(jī)。進(jìn)過數(shù)十年的研究發(fā)展，目前單片機(jī)家族復(fù)雜龐大，包括 STC 單片機(jī)、 PIC 單片機(jī)、 MCS 系列單片機(jī)、 ATMEL 單片機(jī)、 TI單片機(jī)和 AVR 單片機(jī)等等。 [鍵入文字 ] 6 本文選用目前普遍使用的 ATMEL 公司的 51 系列單片機(jī)作為控制核心，以下是兩款 51 單片機(jī)的性能對(duì)比表。而 AT89C2051作為 AT89C51的精簡(jiǎn)版本只帶 2K 字節(jié)閃存且口線較少，不利后期口線拓展，因此我們選AT89C51 單片機(jī)。它能自動(dòng)完成語音數(shù)據(jù)的采集 、分析、壓縮、存儲(chǔ)等步驟，一次錄放音包括 ADC 和 DAC 兩個(gè)過程：語音信號(hào)通過采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字，存儲(chǔ)在 IC的 ROM 中，再通過電路將 ROM 中的數(shù)字還原成語音信號(hào)。 功放選擇 為使系統(tǒng)外圍元件最少，信號(hào)諧波失真率小和信號(hào)增益調(diào)節(jié)范圍大，我們可使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 LM386 音頻集成功率放大器。該器件采用 ATMEL 獨(dú)有存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集。 P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。 P0 口每一個(gè)引腳可以推動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P2 口也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口（準(zhǔn)雙向并行 I/O 口），如果程序訪問的是外部 ROM 時(shí)，它是作高 8 位地址。每一個(gè)引腳輸出可以推動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載 [7]。 P3 口除了作為一般的 I/O口線外，更重要的用途是它的復(fù)用功能，如表 22 所示。 VCC： AT89C51 的正極，輸入 +5V 電壓。 XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)它采用外部振蕩器時(shí)，一些引腳應(yīng)接地。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。 EA/VPP：當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)讀取的是外部的程序存儲(chǔ)器中的程序來執(zhí)行。而對(duì)于 AT89C51 或其它內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)來說，當(dāng)初引腳接高電平時(shí)，單片機(jī)首先會(huì)在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中取指令，當(dāng) PC 的內(nèi)容超過 FFFH 時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外程序存儲(chǔ)器中取指令。一塊 ISD 芯片上集成有麥克風(fēng)前置放大器（ AMP）、自動(dòng)增益控制電路（ AGC）、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲(chǔ)陣列、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器、控制接口和內(nèi)部精確的參考時(shí)鐘，加上外部元件（液晶、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、開關(guān)和少數(shù)電阻、電容），再加上電源即可組成最簡(jiǎn)單語音系統(tǒng)。它是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時(shí)間達(dá) 60s，可重復(fù)錄放 10 余萬次。每個(gè)采樣 數(shù)據(jù) 值 直接由芯片自動(dòng) 存儲(chǔ)在片內(nèi) ROM 單元中， 播放時(shí)直接將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，所以它能 十分 真實(shí)地再現(xiàn) 人聲 、音樂、 語 調(diào)和聲效，可避免一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和 “金屬聲 ”。 ISD2560 引腳說明 ISD2560 的引腳排列詳見附錄 1，各引腳的主要功能說明如下： A0/M0~A6/M A7~A9：地址線， ISD 器件可以實(shí)現(xiàn) 1～ 600 段錄放語音功能，每段錄放音都有一個(gè)起始端，該起始地址的選擇由 A0~A9 確定。 AUX IN：當(dāng) CE 和 RP/ 為高，放音不進(jìn)行，或處于放音溢出狀態(tài)時(shí)，本端的輸入信號(hào)通過內(nèi)部功放驅(qū)動(dòng)喇叭輸出端。 SP+、 SP：揚(yáng)聲器輸出。 MIC：本端連至片內(nèi)前置放大器，外接話筒應(yīng)通過串聯(lián)電容耦合到本端，耦合電容值和本端的 10KΩ 輸入電阻。當(dāng)以差分形式連接話筒時(shí)，可減小噪聲，提高共模抑制比。響應(yīng)時(shí)間取決于本端的 5KΩ 輸入阻抗外接的對(duì)地電容的時(shí)間常數(shù)。 470KΩ 和 的標(biāo)稱值在絕大多數(shù)場(chǎng)合下可獲得滿意的效果 。 ANA OUT：前置放大器的輸出，前置電壓增益取決于 AGC 端電平。 CE ：當(dāng)?shù)碗娖接行r(shí)（而且 PD 為低），允許語音芯片進(jìn)行錄放操作。 PD：當(dāng)該端為高電平時(shí)，芯片停止工作，且不耗電，芯片發(fā)生溢出，即 OVF端輸出低電平后，本端口短暫變高電平。 EOM ： EOM 是在錄音時(shí)由芯片自動(dòng)插入到語音信息的結(jié)尾作為結(jié)束的標(biāo)志。芯片內(nèi)部會(huì)檢測(cè)電源電壓以維護(hù)信息的完整性，當(dāng)電壓低于 時(shí)，本端變低，芯片只能放音。本端內(nèi)部有下拉元件，不用時(shí)應(yīng)接地。為高電平時(shí)選擇放音，為低電平時(shí)選擇錄音。放音時(shí)由地址端提供起始地址，放音直至遇到 EOM 停止標(biāo)志。 由于 ISD2560 內(nèi)置了若干種操作模式，因而可用最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)最多的功能。因此操作模式和直接尋址相互排斥。操作模式可由微控制器也可由硬件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)錄音轉(zhuǎn)為放音或進(jìn)入省電狀態(tài)時(shí)，地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。這種操作模式將一直有效，直到 CE 再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址 /模式端電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作為止。如果下一片選周期 MSB（ A A9）地址位中有一個(gè) (或兩個(gè) )變?yōu)榈碗娖?，則執(zhí)行信息地址，即從該地址錄音或放音，原來設(shè)定的操作模式狀態(tài)將丟失。 2500 系列地址空間是這樣分配的：地址 0~599 作為分段用 (見表 24)，地址600~767 未使用，地址 768~1023 為工作模式選擇。[鍵入文字 ] 12 每個(gè)地址單元指向其中一行，每一個(gè)地址單元的地址分辨率為 100ms，共計(jì) 60s。圖 23 是 ISD2560 語音錄放的基本電路原理圖 [9]。此時(shí)啟動(dòng)錄音；結(jié)束時(shí)松開按鍵，單片機(jī)又讓錄放模式鍵 RP/ 端回到高電平，即完成一段語音的錄制。 LM386 集成功率放大器芯片 LM386 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主