基于单片机的语音播报器设计

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1、中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 1 页 共 35 页 1 引言引言 随着人类社会的不断进步 随着语音芯片的普及 语音报播被广泛应用于车站 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 前景十分喜人 自动语音提示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

2、在传统的控制领域 语音提示的应用也越来越广泛 1 1 1 本课题的意义本课题的意义 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 随着单片机的技术的日益发展 人们已经不再满足 于键盘输入 屏显输出这样传统的输入 输出方式 希望拥有更友好的人机界面 更便捷的操作方式 具有语音功能的单片机系统于是应运而生 而且得到了广泛的 应用 近年来计算机在各行业的日益普及应用 给各行业带来了崭新的面貌 与此 同时用户逐步对各种计算机应用系统提出了更高的要求 他们希望自己的系统有 更高的自动化程度和更方便的人机界面 语音技术的进展给这种应用需要提供了一 种有力

3、的技术支持 逐渐被广大用户所接受 并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 所以研究语音播报器 对生产 生活都有极其重要的意义 2 1 2 本课题的技术现状本课题的技术现状 在声学领域 单片机技术与各种语音芯片相结合 即可完成语音的合成技术 使得单片机语音系统的实现成为可能 所谓语音芯片就是在人工或者控制器的控制 下可以录音和放音的芯片 语音信号为模拟量 语音芯片存储播放声音的基本工作 方式 声音 模拟量 A D 存储 D A 模拟量 播放 采用这种方式 的语音芯片的外围电路比较复杂 声音质量也有一定的失真 而另一类语音芯片采 用 EEPROM 存

4、储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中 不需要另加 A D 和 D A 转换电路 使用方便 且语音音质自然 3 中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 2 页 共 35 页 1 3 1 3 本课题的技术发展本课题的技术发展 语音芯片的发展是极其迅速的 语音 IC 有很多种类 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 IC 领域充 满了生机和活力 一 随录随放型语声 IC 这类 IC 具有完整的录音机功能 和录音磁带机一样 它可以自由地通过话筒 或模拟音频线路

5、来进行录音 把语声存储到 IC 内部 在用户需要的时候 就可以 还原存储的语声通过驱动喇叭放音 这其中又分几种类型 1 怕断电且语声的存储 保存需要比较大的电流的语声 IC 像外语复读机里 的语声复读芯片 这种电路以 DRAM 动态存储器 IC 为介质 它需要不断内部刷新 要保存其中的语声还需要比较大的电流消耗 通常需要几个到几十个毫安 一断电 内部存储的语声就全部丢失了 特点是 DRAM 的价格便宜 如果使用有个别坏损单 元的 ADRAM 就更便宜 这种 ADRAM 在电脑等需要精密计算的产品中是不能使用的 但在语声存储中只是多了一点点噪音对使用没有太大影响 因而在复读机中广泛使 用 2 怕

6、断电且语声保存需要很小的电流的语声 IC 像一些录音贺卡 这种语声 IC 以 SRAM 静态存储器 IC 为介质 断电时保存的数码语声即丢失 但维持保存的 工作电流很小 通常只有几微安 在录音贺卡等录音礼品中常将几粒扣式电池嵌入 到产品中 这样可以保存录音几个月甚至一年多 特点是只用很小的电力就可以较 长期保存语声 由于 SRAM 的需求量很小 其价格比 DRAM 要高得多 现在甚至比下 面要提到的 FLASHRAM 还要高了 这类产品目前只存在于20秒录音以下的品种中 多数就是做录音贺卡用 已经没有多少发展前景了 3 不怕断电的语声 IC 像一些数码录音笔 它以 FLASHRAM 闪烁存储器

7、 IC 为 介质 完全断电后语声还能保存十年以上 这种存储器是目前最被看好的方向 它 可以反复使用 不需电流也能长期保存内部数据 由它制成的语声 IC 是一场技术 革命 特点是目前价格较高 但在快速滑落中 美国 ISD 公司专门研制这类产品 并持有多项技术专利 生产从6秒至16分钟 的一系列单片式语声芯片产品 由于该公司的严谨作风和产品定位 ISD 系列芯片 中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 3 页 共 35 页 的功能强大 性能质量优越 几乎是目前能使用在工业 车用产品中的极少选择之 一 4 1 4 1 4 本设计的主要任务要求本设计的主要任务要求 根据设计要求 提出基于

8、单片机的语音拨播器的硬件电路设计方案 并应用 Protel 软件完成硬件电路原理图设计 通过对单片机的编程开发可实现语音的录 放等基本功能 具体包括如下几个部分 学习单片机的工作原理 并应用 Protel 软件设计出单片机的最小系统和语 音系统的控制电路 使其能可靠工作 学习有关语音方面的相关知识 拟采用集成语音芯片来实现语音的录放的功 能 要求掌握该芯片的工作原理 完成其外围电路和与单片机的接口电路 包括话 筒和扬声器的电路设计 学习 C 程序设计语言 对单片机进行编程开发 并完成仿真和调试 实现语 音拨播器的基本功能 中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 4 页 共 35

9、页 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 1 2 1 总体设计方案总体设计方案 为了实现语音播报所需的功能 即按下开始键 启动录音 松开开始键 结束 录音 结束录音后 循环播放所录音 而且为了使语音播报器的音质好 功能强 实 验运行效果较好 使用起来也很简单 所以本设计采用的设计框图如图 2 1 所示 图 2 1 总体设计框图 由上面的框图可知 本设计框图包括 按键 单片机 语音芯片 话筒和扬声 器 其中单片机为本设计的控制核心 它控制语音芯片 实现对声音的存储和播放 语音芯片实现对语音的录入和播放 2 2 2 2 微处理器的选取微处理器的选取 近年来 随着科学技术的发展 微型计算机技术日益发

10、展 已经在许多领域 得到了广泛的应用 随着集成电路工艺的发展 出现了单片机 DSP ARM 等多种单 片机 DSP 它从 16 位 32 位 内部采用哈佛结构 特别适合数据处理 其中 16 位 DSP 适合中高级工控到简单语音 图片 不含视频 处理 其中 32 位 DSP 适合复 杂语音 图片 视频处理 ARM 是 32 位单片机 由于结构和计算速度的原因 目前 适合做事务处理或者中低端应用 从中高级工控到简单语音 图片 不含视频 处 理 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read On

11、ly Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处 理器 俗称单片机 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 单 片 机 语音芯片 扬 声 器 话 筒 按键 中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 5 页 共 35 页 合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 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 5 51 单片机虽然和 DSP ARM 相比处理速度和运 算速度上都比较慢 但它的体积小 质量轻 价格便宜 它的速度可以满

12、足本次实 验的要求 所以我们采用 AT89C51 这款单片机 AT89C51 内部原理图如 2 2 图所示 RAM 地址寄存器 RAM 128B 程序地址 寄存器 P0 驱动器 P2 锁存器 P2 驱动器 P1 锁存器 暂存器 2 B 寄存器 4KB ROM 暂存器 1 ACC SP P0 锁存器 PC PC 增 1 缓冲器 P3 锁存器 OSC 中断 串行口及定时器 PSW ALU DPTR P1 驱动器 P3 驱动器 XTAL1 XTAL2 P0 0 P0 7 P2 0 P2 7 P3 0 P3 7 P1 0 P1 7 RST ALE VCC VSS 定 时 控 制 指 令 译 码 器 指

13、 令 寄 存 器 PSEN EA 图 2 2 AT89C51 单片机内部原理图 2 3 2 3 语音芯片的选取语音芯片的选取 目前市场流行的语音芯片有很多 从性价比的角度来考虑 美国 ISD 公司的 ISD 系列语音芯片可谓是一只独秀 ISD 系列语音芯片具有以下优点 采用模拟量数据存储在半导体存储器直接存储的专利技术 即将模拟量 数据直接写入单个存储单元 不需要经过 A D D A 转换 内部集成了大容量的的 EEPROM 不再需要扩展存储器 控制简单 控制引脚与 TTL 电平兼容 集成度高 使用方便 中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 6 页 共 35 页 能较好的真时再

14、现语音的自然效果 避免了一搬固体语音电路的因为量 化和压缩所造成的量化噪声和失真现象 6 因此本例选用 ISD 公司的语音芯片 ISD2560 ISD2560 是 ISD 公司生产的语音 录入和重放芯片 ISD2500 系列之一 ISD2500 系列芯片包括 ISD2560 ISD2575 ISD2590 和 ISD25120 四种 他们的主要区别在于存储语音的时间长度 ISD2560 的 录音时间为 60 秒 ISD2575 的录音时间为 75 秒 ISD2590 的录音时间为 90 秒 而 ISD25120 的录音时间为 120 秒 ISD2560 采用多电平直接模拟量存储专利技术 每个采

15、样值可直接存储在片内 单个 EEPROM 单元中 因此能够非常真实 自然得再现语音 音乐 音调和效果声 从而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 ISD2560 的采样频率为 8kHZ 同一系列的产品采样频率越低 录音 放音时间 越长 但同频带和音质会有所降低 ISD2560 可重复录放 10 万多次 它是一种永 久记忆型语音录音 放音电路 它具有音质自然 使用方便 单片存放 反复录音 功耗低 抗断电等许多优点 因此在许多领域获得了广泛的应用 7 ISD2560 省去了 A D 和 D A 转换器 集成度较高 内部包括前置放大器 内部 时钟 定时器 采样时钟 滤波器 自动

16、增益控制 逻辑控制 模拟收发器 解码 器和 480k 字节的 EEPROM ISD2560 内部的 EEPROM 存储单元均匀分为 600 行 有 600 个地址单元 每个地址单元指向其中一行 每一个地址单元的地址分辨率为 100ms 此外 ISD2560 还具备微控制器所需的控制接口 通过操纵地址和控制线 可完成不同的任务 以便实现复杂的信息处理功能 如信息的组合 连接 设定固 定的信息段和信息管理等 ISD2560 可不分段 也可按最小段长为单位来任意组合 分段 8 ISD2560 内部原理图如图 2 3 所示 中北大学信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 第 7 页 共 35 页 内部时钟定时器 采样时钟 放大器 放大器 前置 防混淆滤波器 自动增益控制 解码器 模拟收发器 存储器阵列 平滑滤波器 AGC 电 源地 址 缓 冲 器器件控制线 混合 扬声器 驱动器 XCLK ANA IN ANA OUT MIC MIC REF AG C VccA VssAVssD VccD A0 A1A2 A3 A4A5A6A7A8PDO VFP RCE EO M AUX IN SP SP 模