【正文】 克服集成芯片 音量不能放大、智能性比較差、錄音的時間比較固 定同時還 要增加硬件投資，并且在一些由單片機構(gòu)成的測控系統(tǒng)中，由于單片機接口有限，還需要擴展硬件接口線路等 諸多缺點， 本系統(tǒng)則采用了另外一種方案：沒有 采用 專用的語音處理芯片，不需擴展接口電路 [7]。這種方法為以單片機為中心的測控系統(tǒng)語音操作提供了一種新的思路 [8]。加工信號對于有雜波的外部環(huán)境 以及 易產(chǎn)生失真 的 電路來說 應該 具有較好的穩(wěn)定性。數(shù)字信號傳送具有穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點。 （ 2） 數(shù)字信號需要使用集成電路和大規(guī)模集成電路 ， 但是 計算機易于處理數(shù)字信號 ， 同時 數(shù)字信號還 特別 適 合 于數(shù)字特技 和圖像處理。 （ 4） 可以很容易的對數(shù)字信號進行加密，這對商業(yè)經(jīng)營、版權(quán)保護、軍事經(jīng)濟情報保密和信息高速公路的安全是十分必要的。 綜上，研究數(shù)字化的意義重大。在在新經(jīng)濟時代，推動時代發(fā)展的根本力量，仍必將是信 息化和科技進步推動的全球經(jīng)濟一體化。一方面，數(shù)字技術(shù)對推動科技進步 (以新穎性、創(chuàng)造性、實用性為標準 )帶來的機遇，不容忽略；另一方面，人類綜合能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的提高，也會推動數(shù)字信息化在更寬闊 的領域里有新的創(chuàng)造 [25]。人們可以認為，信息處理的數(shù)字化技術(shù)，一定和其他任何事物的發(fā)展規(guī)律一樣，只是信息處理的一個階段：反映了從模擬到數(shù)字的飛躍，但是在這個 階段將會停留很長時間 讓我們 去發(fā)展它、去完善處理它的方法。 數(shù)字化處理技術(shù)對人類的貢獻已經(jīng)十分明顯，而信息處理的數(shù)學方法對科學技術(shù)的推動作用更是不可估量的，數(shù)字化革命已經(jīng)滲透到了人類生活和工作的各個方面。 課題任務要求 本次設計的主要目的是將單片機信息處理技術(shù)應用到數(shù)字化語音存儲 與回放系統(tǒng) 中，依靠單片機可再次開發(fā)的獨特的優(yōu)勢設計一個簡單實用的數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)，按照規(guī)定要求能夠?qū)崿F(xiàn)對語音信號的存儲以及回放功能。單片機作為處理器對信息進行處理，并存入數(shù)據(jù)存儲器，然后通過 DAC0832 轉(zhuǎn)換為模擬信號經(jīng)濾波、功率放大電路回放出聲音。本次設計分為軟、硬件設計兩部分，硬件部分完成數(shù)據(jù)的采集、放大、濾波、 AD轉(zhuǎn)換、 DA 轉(zhuǎn)換、功率放大等系統(tǒng)功能。 課題任務的內(nèi)容： （ 1） 收集整理相關(guān)資料和文獻，熟悉單片機應用技術(shù)以及單片機外圍電路的相關(guān)知識； （ 2） 對單片機、傳感器和 AD、 DA 轉(zhuǎn)換等相關(guān)知識進行研究，設計總體方案； （ 3） 硬件模塊設計以及整體硬件系統(tǒng)電路設計； （ 4） 利用 keil 技術(shù)編輯軟件，并使用 proteus 仿真實現(xiàn)模數(shù)數(shù)模采集、存儲、讀取功能。 本文的主要內(nèi)容 本課題主要利用 51 系列單片機、濾波放大電路以及 AD、 DA 和數(shù)據(jù)存儲 ，研究工作包括 51 單片機的原理應用及接口電路的連接和 軟件的編程 調(diào)試 。主要介紹 數(shù)字化語音存儲與回放系 統(tǒng)的性能指標、 工作 原理、 外接電路接口技術(shù) 等。 然后，進行 語音存儲與回放 系統(tǒng)的硬件設計。根據(jù) 語音頻段的 范圍及要求，選擇傳感器。 最后 ，進行系統(tǒng)的軟件設計。 4 2 系統(tǒng)總體方案設計 分析題目 ： 數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的基本原理是對聲音錄制以及回放的數(shù)字控制。數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的基本思想是通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過放大器放大，然后通過帶通濾波器濾波，模擬語音信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機控制將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換（ D/A）轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)放 大再揚聲器或耳機上輸出。 先分析 輸入通道部分 ： 圖 輸入通道 由拾音器、前置放大電路和帶通濾波器組成； 拾音器輸出的毫伏信號實測其范圍約為 2025mV，后級 A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號的動態(tài)范圍為 05V， 因為此電信號太小所以不能夠進行采樣。 信號由拾音器拾起，經(jīng)由用 NE5532 設計放大電路的進行放大，增益可調(diào)，這樣滿足了 存儲放大器增益 46dB 要求。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理知欲使采樣信號無失真，抽樣頻率最低為 ，考慮到留有一定的余地，采用 8kHz 這樣 就足夠保證語音質(zhì)量。 LF398 具有高采樣速率、保持電壓下降慢等特點，語音信號經(jīng)其采樣后輸出至 ADC0809。 功率放大部分由 LM386 組成。 作為系統(tǒng)的核心部分，即系統(tǒng)的處理控制中心單元，選用 AT89C52。 AT89C52 內(nèi)置 8 位 中央處理單元 、 256 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、 8k片內(nèi)程序存儲器（ ROM） 32 個雙向輸入 /輸出 (I/O)口、 3 個 16 位定時 /計數(shù)器和 5 個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。 圖 圖 存儲器的容量選擇根據(jù)所存語音信號的時間 長短而定，因題目要求至少 10s，數(shù)字語音信號 喇叭 聲音信號 DAC0832 濾波器 功率放大電路 ADC0809 數(shù)字語音信號 單片機 模擬語音信號 DAC0832 6 所以存儲器的容量至少為 80K。 7 3．硬件部分設計 拾音器 拾音器本質(zhì)上是一種聲傳感器，它能夠 把外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號。它的種類 分為多種 ，按 照它的 特點和頻率等 可以 將它劃分為超聲傳感器、聲壓傳感器和聲表面波傳感器 等 。 拾音器包括拾音頭（換能裝置、唱針）和音臂等附件。電磁式拾音頭，用電磁感應原理，將機械振動變換成電信號的幅度響應拾音頭。唱針耦合在線圈上的稱動圈式，耦合在磁鋼上的稱動磁式。因為 動圈式 拾音器的音質(zhì)比較好，并且使用方便，所以在本設計中采用動圈式拾音器。在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等裝置中 得到廣泛應用 。通過對語音信號的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應設置在 200 倍左右，即將拾音器輸出的信號通過一增益為 46dB 的放大器，將其放大到伏特量級。 NE5532 是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器 ，具有以下 特點 ： （ 1） 小信號帶寬 為 10MHz （ 2） 輸出驅(qū)動能力 強為 600Ω， 10V 的 有效值 （ 3） 輸入噪聲電壓 為 5nV/Hz （ 4） 直流 電壓增 益 可達 50000 （ 5） 交流電壓增益 為 220010kHz （ 6） 功率帶寬 為 140kHz （ 7） 轉(zhuǎn)換速率 可達 9V/μs 8 （ 8） 大的電源電壓范圍 為 177。20V （ 9） 單位增益補償 相 對 大多數(shù)標準運算放大器， NE5532 顯示出 了 更好的噪聲性能，這使 得 該器件特別適合應用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設備，儀器和 控制電路和電話通道放大器。前置放大電路如圖 所示 。 輸出功率放大器 經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音信號，其幅度 為 0— 5V， 足以用耳機來收聽，可不接任何放大器。 LM386 是目前頗為流行的小功率音頻放大集成電路，它廣泛運用于各種語音電路中。 LM386 集成功率放大器的性能及特征 （ 1） 額定工作電壓： 4— 16V； （ 2） 額定電流：當電源電壓為 6V 時，靜態(tài)工作電流為 4mA，適合用電池供電； （ 3） 增益：①腳與⑧腳之間不接外部阻容元件時，電壓增益為 20；接元件時，可提供增益到 20— 200 之間的任何值； （ 4） 頻響：可達數(shù)百 kHz； 9 （ 5） 最大允許功耗為（ 25℃） 600mA，使用時不用散熱片； （ 6） 負載電阻 4Ω時，輸出功率（失真為 10%）為 300mA； LM386 有兩個信號輸入端。本設計中，信號從③腳輸入，為正相放大器。 圖 LM386引腳圖 在音頻放大電路中，輸出信號的放大倍數(shù)由 LM386 的引腳①和⑧的外接 的 情況 來 決定。當①腳和⑧腳開路時，電路電壓增益為 40。通過滑動 RV1 的觸頭，即可調(diào)節(jié)后置功率放大的大小，進而控制調(diào)節(jié)音量。當干擾信號與 有用信號不在同一頻率范圍之內(nèi)，使用濾波器可以非常有效的抑制干擾。在信號處理中從帶有干擾的信號中 能夠 分離出有用信號的裝置 被 稱為濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種濾波器。 聲音信號 通過 動圈拾音器轉(zhuǎn) 為 電壓信號，通過前級放大 進行放大 ， 在對其進行數(shù)據(jù)采集之前， 并 經(jīng)過帶通濾波器 濾 除 所需頻率以 外 的雜波。濾波器的 作用是： （ 1）保證 200— 3400Hz 的語音信號不失真的通過濾波器； （ 2）濾除通帶外的低頻信號，以減少帶外功頻等分量的干擾，大大減少噪聲影響； （ 3）便于濾除通帶外的高次諧波，以減少因 8kHz 采樣率而引起的混疊失真。 本 寬帶帶通濾波器 設計 由高通和低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成。 （ 1）計算高通濾波器的電阻電容值： 根據(jù)經(jīng)驗取 FC ?? 選取 21 RR? ， 21 CC? ， 43 RR? 11 1121CRfh ?? （ 35） 將 數(shù)據(jù) 帶入式 35 有 ??? KRR 821 ， FCC ? ?? ， ??? KRR 2543 （ 2）計算低通濾波器的 電阻 電容值 根據(jù)經(jīng)驗取 FC ?? 選取 65 RR? ， 43 CC? ， 87 RR ? 將 數(shù)據(jù) 帶入 35 有 ??? KRR ， FCC ? ?? ， ??? KRR 1687 根據(jù)計算所得的參數(shù)值計算所設計的帶通濾波器的傳遞函數(shù) 低通傳遞函數(shù)222222cccDT sssH ??? ???)( （ 36） 高通 傳遞函數(shù) 計算21122ccGT ss ssH ?? ???)( （ 37） 兩個傳遞函數(shù)相乘得到總的傳遞函數(shù)： 142342810397111025681001541030210734??????????????.....)(ssssssH 圖 濾波器幅頻曲線 12 Matlab 中觀察濾波器的濾波效果如下 。它是一種把芯片中集成中央微處理器、隨機存取存儲器、只讀存儲器、定時 /計數(shù)器以及 I/O 接口電路等部件，構(gòu)成了一個完整的微型數(shù)字電子計算機。 也正是由于單片機具有上述顯著的特點，使得單片機的應用范圍日益擴大。同時使用單片機所做的產(chǎn)品還 具有體積小、可靠性高、性能價格比高和容易產(chǎn)品化等 優(yōu)點。 AT89C52 是 一種帶 8K 字節(jié) 片內(nèi)程序存儲器 ， 且是 高性能 的 CMOS8 位微處理器 的 單片機 。 AT89C52是 采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造 的 ，它 與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制 ， 功能包括對會聚主 IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器， 當它接片外存儲器與擴展I/O 時 為雙向 I/O 口 時， P0 口分時復用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線 。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 可作為準雙向 I/O 口使用 。 對于本單片機而言， 和 還可分別作為定時 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和輸入（ ） 。 P2 口緩沖器可接收，輸出4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口 作為 89C52 的一些特殊功能口 。當振蕩器復位器件時， RST腳 出現(xiàn) 兩個機器周期的高電平 可以實現(xiàn)復位 。在 FLASH編程期間，此引腳 可用作對外輸出的時鐘 脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期 該信號兩次低電平有效 。 EA： 片外程序存儲器選用段。 XTAL1： 片內(nèi)反向 振蕩放大器的輸入 端 。 主要功能及其特性 （ 1） 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) （ 2） 8KB 的 可 重 復擦寫 的 Flash 閃速存儲器 ； （ 3） 1000 次擦寫周期； （ 4） 4 個 8 位并行 雙向 I/O 口； （ 5） 256 個字節(jié)的片內(nèi) RAM； （ 6） 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 （ 7） 時鐘頻率 為 024MHz （ 8） 低功耗空閑和掉電模式 ； （ 9）有 2 個外部中斷源，共 8 個中斷源； （ 10） 具有強位尋址、位處理能力 ；