1、 I 基于单片机的录音笔设计 作者姓名 :谢斌 专业班级 :信息工程 2009050101 指导教师 :周冬梅 摘 要 随着电子技术的飞速发展，数码录音笔已得到了越来越多的人的青睐，论文通过对多种录音笔的设计方案进行了比较和分析，选定 STC90C52 单片机设计了一个数码录音笔。 本文提出 并设计实现 了基于 STC90C52 单片机和 ISD4004 语音芯片的多功能录音笔 方案。首先介绍了设计方案的选择，接着进行了系统的硬件设计，包括音频输入输出电路的设计、按键控制电路的设计、液晶显示电路的设计等，设计中以 STC90C52 单片机主控制为核心，采用了美国 ISD 公司制造的 ISD40
2、04 语音芯片实现录放系统的功能。其中按键控制电路对整个系统进行控制，显示电路用 LCD1602 更直观的录音放音，音频放大电路放大器采用通用型音频功率放大器 LM386 来实现。系统模块包括主程序模块、语音信号的采集模块、键盘扫描模块等，进行了程序流程的设计，编写了程序代码。系统实现了语音数据的录制、播放、暂停、循环播放、重复播放、选择上一段、选择下一段以及用 LCD1602 等显示相关操作等功能，设计具有一定的应用价值。 关键词 ： ISD4004 STC90C52 录音笔 录音 II Recording pen based on MCU Abstract： With the rapid
3、development of electronic technology, digital voice recorder has been more and more people have favored paper on the design of a variety of voice recorder were compared and analyzed, the selected SCM STC90C52 designed a digital voice recorder. This paper is proposed based on STC90C52 SCM and ISD4004
4、 pronunciation chip voice storage and playback design scheme. Firstly introduces the selection of design scheme, then the hardware design, including audio input/output circuit design, button control circuit design, liquid crystal display circuit design, design with STC90C52 single chip computer mast
5、er control as the core, using America ISD companies manufacture of ISD4004 pronunciation chip realizing the function of recording system. One button control circuit to control the whole system, display circuit with a LCD more intuitive recording playback, audio amplifier circuit amplifier using univ
6、ersal model LM386 audio amplifier to realize. System modules including main program module, speech signal acquisition module, the keyboard scan module, speech signal storage module design, the design of the program flow and write program code. System realizes the speech data recorded, play,pause, lo
7、oping, aired, choose a long, choosing the next paragraph and use LCD1602relevant operating functions such as design has certain, the application value. Key words： ISD4004 STC90C52 Recording pen Recording III 目录 第 1 章 前 言 . 1 1. 1 研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状的对比 . 1 1.3 主要研究内容 . 2 第 2 章 设计方案及元器件的介绍 . 3 2.1 系
8、统的总体设计方案 . 3 2.2 主要器件的介绍 . 5 2.2.1 ISD4004 . 5 2.2.2 DS1302. 8 2.2.3 AT24C02 . 10 2.2.4 LCD1602 . 10 2.2.5 STC90C52 . 11 第 3 章 硬件设计 . 13 3.1 系统整体工作原理 . 13 3.2 语音信号输入电路 . 13 3.3 LM386 音频功放电路 . 14 3.4 DS1302 电路 . 15 3.5 AT24C02 电路 . 15 3.6 LCD1602 电路 . 16 3.7 蜂鸣器电路 . 16 3.7 中断按键 . 17 第 4 章 软件设计 . 18 4
9、.1 软件总设计思路 . 18 4.2 录音程序设计 . 20 4.3 放音程序设计 . 21 4.4 按键部分程序设计 . 23 第 5 章系统测试 . 25 5.1 系统实物图 . 25 IV 5.2 系统概况 . 25 5.2 系统的不足和改进 . 26 结 论 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 成都理工大学 2013 届 本科毕业设计（论文） 1 第 1 章 前 言 1. 1 研究意义 数码录音笔对于我们现如今的人们己经是再熟悉不过的产品了，它己 经应用在了很多地方，其中主体部分应该是记者了。正是基于录音笔能够 录音的特点，在你无法凭借记忆记住重要谈话，或者重要会议的重要
10、内容的时候，它便体现除了它的优势，清晰完整无误的记录下你要记录的东西，而你能够拿出更多的时间来处理其他事情。除 此之外录音笔小巧易于携带，存储内容量大，基于这些优点，越来越 得到人们的青睐。 现在所说的录音笔指的数码录音笔，也称为数码录音棒或数码录音机，数字录音器的一种，为了便于操作和提升录音质量造型并非以单纯的笔型为主，携带方便，同时拥有多种功能。 1.2 国内外研究现状的对比 就声音录制而言，虽然专业的数码录音笔不论在录音长度上还是品质上，都拥有绝对的优势，但随着多功能 MP3, MP4, PDA 甚至是智能手机的普及，录音逐渐成为了随身数码设备中的一项附属功能。尽管不少缺乏技术的国内小厂
11、都 相继退出了数码录音笔市场，但以三星为代表的世界级数码巨头并没有宣 言放弃，反而借助新的技术和设计，给这个看似一潭死水的市场注入了新的活力。 首先录音作为任何一款录音笔都是 必不可少的基本功能，所以好的音质便成为了录音笔未来发展方向之一。 随着闪存技术的长足进步，存储容量已经不再是数码录音笔的发展瓶颈，相反，过大的容量还会显得有些鸡肋。于是，精明的商家开始重新恢复音质的魅力，并令其成为数码录音笔发展的一大方向。三星则在此基础上将其在家庭影院中的王牌 3D 音效技术 DNSe 运用到数码录音笔产品当中，这种音效增强技术与单纯地扩大频率范围完全不同，也就是说，即使用较小的 频率范围实现长时间 录
12、音，也能获得优化后的录制效果。 DNSe 是三星耗时六年开发的虚拟音效技术，并主要用于家庭影院和高端 MP3 产品上，它能够通过声 音数字信号的处理，创造出更为逼真的临场感，听者能够明显感觉到声音从四面八方传来，并且范围更远，声音更纯净 。搭载了 DNSe 音效的三星 YV-150，成都理工大学 2013 届 本科毕业设计（论文） 2 不仅在录音上拥有了得天独厚的优势，还因此获得了媲美专业 MP3 的音乐播放能力 。 值得注意的是，作为数码音乐领域的翘楚，三星的新一代 DNSe 2.0 音效技术已经开始在 13 等新品上登场。并且，种种迹象表明三星正在试图通过音效升级，来创造独特的市场竞争力，
13、数码录音笔的音质全面提升或许仅是时间问题。 其次，仅仅拥有好的音质是不够的。未来的录音笔应该具有更强大的功能。 专业数码录音笔之所以专业，还在于它在功能上更加贴近商务人士的需求 。 录音笔录制出来的文件要使用于其他数码设备，那么保存为 MP3 格式是最方便的，电脑、手机、 MP3 都能轻松播放三星 YV-150 可以直接把录音存为 MP3 文件，很大程度上方便了用户使用。另外，对于经常出差的商旅人士，三星 YV-150 非常值得推荐，其专业级的音 效增 强芯片会给音乐播放带来震撼的感受，让你在工作之余也能娱乐休闲 。 随着视听家电产品的不断丰富，已经有越来越多微小型产品走入人们的日常生活，他们
14、最突出的优点是体积小，而且重量轻，给人们带来了方便。作为一种简单的获取和记录数字 化文件的工具，录音笔风靡市场，成为学生记者、商务人士购置录音设备 的首选。不仅在校园里取代了复读机，也成为时间紧张在职人员的掌上新宠。 1.3 主要研究内容 语言在人类发展史中起到了至关重要的作用，它的作用并不亚于直立行走和工具的使用，怎样能把人类的语言丝毫不差地记录下来也是人们一直思考的问 题。随着人类社会的不断进步， 随着数字化信号处理技术的不断提高，语音处理大规模集成电路的进步，语音合成，语音识别，语音存储和回放技术的应用越来越广泛， 其自动化程度越来越高，使用范围越来越广，前景十分喜人。并且，录放系统还具
15、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。 所以本次设计就利用单片机和语音芯片来实现一个录音笔系统 。 对于录音笔的最基本的要求便是可以录音、播放，重复录音以及播放要求。 STC90C52 该款单片机资源丰富，再加上与 isd4004 语音芯片的结合 来实现 语音的存储与回放，通过单片机的控制可以实现语音的多录多放的功能。 成都理工大学 2013 届 本科毕业设计（论文） 3 第 2 章 设计方案及元器件的介绍 2.1 系统的总体设计方案 多功能录音笔的主要功能是实现语音存储与定时播放。要实现语音存储与定时播放的方法很多，可供选择的器件也很多。由于单片机等微控制器的出
16、现和数字电路技术的发展，使得现在的语音存储与自动播放变得易于实现。本设计采用单片机作为微控制器。选用字长为 8位的 STC90C52单片机作为控制器。 目前可以与单片机配合使用的语音芯片有很多，其中不乏性能十分优越的语音芯片，美国 ISD公司生产的 ISD40O4语音芯片就是它们中的一员。 ISD4004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阵列。引脚包括电源、时钟、语音信号模拟输入输出端、与 MCU接口 (SPI接口 )几部分。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
17、语音。 ISD4004系列单片录放时间为 8 16 min，采样频率可为 4 0 5 3 6 4 8 0 kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。芯片设计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。由于 ISD4004的众多优点，本设计就采用它作为录放音器件。系统外接时钟芯片DS1302、中断键盘 LCD1602显示和 E2PROM AT24CO2。录音时为了改善语音质量，要提高输入端的信噪比，因此在系统的输入端采用三极管 (9011)放大电路单端输入，系统的输出端经音频功率放大器 LM386放大输出后驱动扬声器。 如果录音笔只
18、作为录音放音显得功能单一，为此加入了时间功能。如采用单片机内部定时器来作为时间的话，时间不够准确，却比较浪费单片 机资源。为此选择了 DS1302 做为时钟芯片。 该芯片是美国 DALLAS 公司推出的一卷低功耗、高性价的实时时钟芯片，价格低廉、电路接口简单、使用方便，含有主电源 /后备电源双电源引脚，并提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。采用 SPI三线接口与 CPU 进行同步通信，可提供秒、分、时、日、星期、月和年、一个月小 31 天时自动调整，且具有闰年补偿功能。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗
19、忘无伤大雅。但是，成都理工大学 2013 届 本科毕业设计（论文） 4 一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。闹钟在一定程度上能解决这些问题。既然能录音了，该设计就在此基础上增加了自录语音信息 ,提示该做的事，人难免有些时候闹钟响了却忘记自己该做什么事了。 语音芯片是该设计中的核心，对于设计十分重要。目前可以与单片机配合使用的语音芯片有很多，其中不乏性能十分优越的语音芯片，美国 ISD 公司生产的 ISD4004 语音芯片就是它们中的一员。 ISD4004 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阵列。引脚包括电源、时钟、语音信
20、号模拟输入 /输出端、与 MCU 接口 (SPI接口 )几部分。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。 该设计中为了使用户使用更加方便，每段录音的长短以及录音时间都会显示给用户。但是难免不会有电池掉电的可能性，尤其是掉电之后，语音闹钟时间也会丢失。为此在该设计中加入了 EEPROM，在掉电之后，存储的这些闹钟数据、录音时间等数据也不会丢失。在考虑存储数据量的大小以及性价比之后，选择了AT24C02 这款芯片。该芯片有 2k 位存储空间，足以应付 该 设计中的数据量 。 芯片接口方便，体积小，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量
21、的应用。 AT24C02是个不错的选择。 该系统是通过控制核心单片机来控制各个模块的工作。系统的总体设计框图如：图 2-1： 图 2-1 系统总体设计框图 驻极体话筒 三极管放大电路 ISD4004 DS1302 扬声器 中断键盘 AT24C02 LCD1602 STC90C52 LM386组成的功放电路 成都理工大学 2013 届 本科毕业设计（论文） 5 2.2 主要器件的介绍 2.2.1 ISD4004 ISD4004语音芯片与普通的录音 /重放芯片相比 , ISD4004具有如下优点 : 首先是记录声音没有段长度限制 , 并且声音记录不需要 A/D 转换和压缩。其次 , 快速闪存作为存
22、储介质 , 无需电源可保存数据长达 100年 ,重复记录 100000次以上。此外 ISD4004具有记录时间长 (可达 16 分钟 , 本论文采用的为 8 分钟的 ISD4004语音芯片 )的优点。最后 ISD4004开发应用具有所需外围电路简单的优点。基于ISD4004以上的优点，这也是我这次论文选择该语音芯片的原因。 ISD4004芯片有如下特点： 1.单片 8 至 16 分钟语音录放 2.内置微控制器串行通信接口 3.3V 单电源工作 4.多段信息处理 5.工作电流 25-30mA,维持电流 1A 6.不耗电信息保存 100 年 (典型值 ) 7.高质量、自然的语音还原技术 8.10
23、万次录音周期 (典型值 ) 9.自动静噪功能 10.片内免调整时钟 ,可选用外 部时钟 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
24、驱动时 ,信号最大幅度为峰峰值 16mV，为 ISD33000 系列相同。 成都理工大学 2013 届 本科毕业设计（论文） 6 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
25、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
26、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 是高平 ,31.25s 为低电平。该端可用于存储管理技术。 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。 此时钟已经比较精准，所以一般不采用外接时钟。 在不外接地时钟时 ,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 ,
