基于51单片机语音存储与回放系统设计.docx
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1、目录 摘要. I ABSTRACT . II 绪论. 1 1 语音录放系统总体设计及主要芯片说明 . 4 1.1 总体方案论证 . 4 1.2 器件选择 . 5 1.2.1 单片机的选择 . 5 1.2.2 语音芯片选择 . 6 1.3 AT89C51 芯片说明. 7 1.3.1 AT89C51 的主要参数 . 7 1.3.2 AT89C51 的引脚功能说明 . 8 1.4 ISD2560 语音芯片 . 9 1.4.1 ISD2560 的引脚功能 . 9 1.4.2 ISD2560 的操作模式 . 10 1.4.3 ISD2560 的分段录放音 . 11 1.4.5 ISD2560 的应用电路
2、 . 12 1.5 LM386 集成功率放大器芯片说明 . 13 1.5.1 LM386 电子特性 . 13 1.5.2 LM386 的引脚说明 . 14 2 语音录放系统硬件电路设计 . 16 2.1 系统硬件电路总体设计 . 16 2.2 AT89C51 的外围电路设计 . 16 2.2.1 晶振电路设计 . 16 2.2.2 复位电路设计 . 17 2.3 语音电路设计 . 18 2.4 功放电路设计 . 19 2.5 键盘输入电路和状态显示电路设计 . 19 3 语音录放系统软件设计. 21 3.1 主要变量说明 . 21 3.2 主程序工作原理及流程图 . 21 3.3 子程序流程图
3、及代码 . 23 3.3.1 录音子程序 . 23 3.3.2 放音子程序 . 24 结束语 . 26 致谢. 错误!未定义书签。27 参考文献 . 27 附录 1 . 28 附录 2 . 30 I 摘要 在智能仪器仪表或自动控制设备中,增加语音功能能极大地提高人机界面的 友好性,方便用户操作。在许多场合需要将语音合成、语音识别、语音存储和回 放技术和单片机结合在一起。 常规的模拟化语音处理系统能实现语音的存储与回放功能,但效果不是很好。 本文采用了 Flash 单片机 AT89C51 及数码语音芯片 ISD2560 组成的数字化的语音 存储与回放系统。单片机是系统的控制中心,它主要实现以下的
4、功能:一方面控 制按键识别和功能选择;另一方面控制 ISD2560 语音芯片的录音和放音过程,实 现语音的存储和回放。 本设计首先给出了系统的硬件电路,接着结合硬件电路编写了录、放音控制 程序,最后,对本设计进行总结与展望。 关键词:AT89C51 单片机 ISD2560 语音芯片 语音存储 语音回放 II ABSTRACT In the area of intelligent instruments and automatic control equipments, the system with the phonetic funct ion can greatly increase the
5、 friendliness of the man-machine interface, and is also convenient for users to operate. In many situations, designers need to integrate the phonetic synthesis, the phonetic recognition and the phonetic storage and playback technology with the SCM. The common analog-signal digitalize processing syst
6、em can realize the function of phonetic storage and playback. But the effects are not very good. This dissertation designs the digital phonetic system composed of flash micro-controller AT89C51 and digital audio chip ISD2560. SCM is the control center of the system, it is mainly to achieve the follo
7、wing functions: the keystroke identificat ion and the funct ion selection; phonetic storage and playback by using the digital audio chip ISD2560. Firstly, this dissertation designs the hardware circui t of the system. And then compiles the control program of record and playback. At last, the summary
8、 and prospects of the design was presented. Key words: AT89C51 ISD2560 phonetic storage phonetic playback 1 绪论 (1)课题研究背景及科学意义 在智能仪器仪表或自动控制设备中,增加语音功能能极大地提高人机界面的 友好性,方便用户操作。目前语音服务行业越来越广泛,如电脑语音钟、语音型 数字万用表、手机话费查询系统、排队机、监控系统语音报警以及公共汽车报站 器等。在许多场合,设计者需要将语音系统和单片机结合在一起。 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。现
9、代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机,单 片机可以说是世界上数量最多的计算机。手机、电话、计算器、家用电器、电子 玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有 为数不少的单片机在工作。可以说,单片机能够在语音功能的实现应用中发挥重 大的作用。 数字语音录放是指利用数字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。例如监控环境中使 用的语音采集系统
10、;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 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 IV 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。 为了解决这个问题,我们可以采用专用的语音芯片。语音芯片就是在人工或 者是控制器的控制下可以录音和放音的芯片。语音芯片可以很方便的在单片机系 统中使用,并且和单片机的
11、接口非常容易,其体积和重量也能符合单片机系统的 要求。因此,本次课题的设计采用的是单片机和语音芯片的结合,实现语音信号 的数字化控制。 (2)国内外研究现状 随着 IT 行业的不断进步,现在我们的生活中各种语音录播设备层出不穷。在 一般的数字语音录放系统中,对语音只是进行简单的采集、存储和播放;虽然可 以较大程度上保证语音的保真度,但过多的语音数据会造成对大量存储设备的需 2 求。对于大型系统,可通过采用大容量的硬盘、甚至大规模的磁盘阵列来解决; 但是对于小型的设备,例如便携式的语音复读机,由于容量有限,则不能采用同 样的方法。 近年来,语音信号处理技术研究的突飞猛进,为数字语音录放系统提供了
12、新 的发展空间。对语音的采集、处理从以前简单的波形编码转变为参数编码、压缩, 从而大大减少了存储数据。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美国 ISD 公司生产的 ISD 系列语音芯片。ISD 系 列语音芯片采用模拟数据在半导体存储器直接存储的专利技术,即将模拟语音数 据直接写入单个存储单元,不需经 A/D 或 D/A 转换,因此
13、能够较好的真实再现语 音的自然效果,避免了一般固体语音电路因为量化和压缩所造成的量化噪声和失 真现象。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。 (3)研究方法 系统要求实现语音的数字化存储与回放,整个系统分为录音、停止和回放三 种状态。语音信号
14、作为一种模拟信号,本身不能完成数字化的处理,需要借助专 门的语音芯片或者是通过 A/D 和 D/A 转换完成模拟语音信号的处理工作。单片机 在这个过程中起到了举足轻重的作用。单片机需要控制语音录音的开始与结束, 设定信号存储的地址,并在播放时寻址播放空间并控制播放。 对于通过 A/D 和 D/A 转换完成语音信号处理的方法介绍如下:将模拟语音信 号通过模数转换器转换成数字信号,再通过单片机控制存储在存储器中,回放时, 由单片机控制将数据从存储器中读出,然后通过数模转换器转换成模拟信号,经 放大在扬声器或耳机上输出语音。这种方法系统电路简单,程序简洁。采用闪存 保存语音,即使断电仍然能保持信息不
15、丢失,所以保存信息安全可靠。但是该系 统仍需要使用到模拟电路进行信号的放大与滤波,这会使得到的语音信号相对失 真,同时也需要采用软件滤波技术加以完善,因此本次设计不采用该方法。 若采用语音芯片处理,则不需要在外部进行语音信号的放大和滤波,语音芯 片的抗干扰能力极强,可以有效地防止信号失真。语音芯片内部集成了模拟存储 3 阵列,不用外连存储器,这使得电路更加简单易懂,因此本次设计采用该方法来 实现。 (4)本文的主要工作 本设计的主要任务是查阅国内外相关文献资料,在了解和熟悉目前语音存储 与回放系统结构、功能以及发展现状的基础上,完成基于 51 单片机语音存储与回 放系统设计。论文组织结构如下:
16、 绪论 主要讲述了本课题的来源,研究背景和科学意义,对国内外的研究现状 和成果的优越点进行了概述,初步描述了单片机语音存储与回放系统的设计方法。 第 1 章 单片机控制语音录放系统的设计。详述了设计方案的选择过程和单片 机、语音芯片的选型方法,并介绍了所需芯片的各项功能。 第 2 章 语音录放系统硬件电路设计。描述了基于 51 单片机语音存储与回放 系统的组成、功能和控制方案,设计出完整的硬件电路。 第 3 章 语音录放系统软件设计。绘出了程序的组成框图,完成了语音存储与 回放系统的软件设计,实现了最初设定的功能。 结束语 总结出本文设计的优缺点,并对系统的改进方向提出了展望。 4 1 语音录
17、放系统总体设计及主要芯片说明 1.1 总体方案论证 方案一:利用单片机及其外围硬件电路(如 A/D、D/A、存储器等),就能完 成语音信号的数字化处理,实现语音的存储与回放。系统主要由单片机 AT89C51、 AD574、DAC0832 及闪速存储器 AT29C040 组成。其原理图如图 1-1 所示。声音 通过 MIC 转换成微弱的电信号,经专用的音频前置放大器放大后,由带通滤波器 滤波,输出的信号经 A/D 转换送入单片机。单片机控制将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,经 D/A 转换后输出。 这种方法过程简单,但是语音信号容易受到外界干扰而失真,并
18、且信号的压缩存 储比较复杂,硬件电路不宜调试。 单片机 AT89C51 A/D转换 D/A转换 采样保持 带通滤波器 带通滤波器 放大器 放大器 MIC SPEAKER 闪速存储器 AT29C040 图 1-1 方案一系统原理图 方案二:直接采用单片机与专用的语音处理芯片 ISD2560 设计实现语音存储 与回放,实现语音的整段录放。系统框图如图 1-2 所示。 5 ISD2560 单片机控制 语音输入 语音输出 键盘控制 图 1-2 方案二系统原理图 该系统采用语音芯片处理语音信号,抗干扰能力强,存储方便,调试简单, 还可以作为语音服务的子系统,所以选择此方案。下面,就针对此方案做具体的 介
19、绍。 1.2 器件选择 1.2.1 单片机的选择 单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断 系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多 路转换器、A/D 转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系 统。单片机也有很多种类,比如 PIC 单片机、MCS-51 单片机和 AVR ATmega128 单片机等等。 51 单片机是对目前所有兼容 I nt el 8031 指令系统的单片机的统称。该系 列单片机的始祖是 Int el 的 803
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