1、本 科 毕 业 设 计（2012 届）题目 语音录放系统的设计学院专业班级学号学生姓名指导教师完成日期 2012 年 5 月诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文语音录放系统的设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：2012 年 5 月 22 日摘 要本论文主要实现语音录放系统的设计。语音录放系统主要包括单片机控制模块、语音采集模块、语音处理模块、信号放大模块，其中单片机控制模块是整个系统设计的关键。在语音的录放过程中，单片机通过 SPI 通信方式与语音模块进行通讯，来实现语音的录音与播放。由于每段录音都对应着不同
2、的地址，因此在播放录音时，需要发送需要播放的地址即可播放。语音录放系统的信号处理过程主要包括语音的采集、信号的放大和语音的滤波。语音经过驻极体传感器，即麦克风，把声波信号转换成电信号。传感器采集的电信号进过放大电路，放大一定倍数，经滤波、耦合之后送至语音模块。语音模块对连续变化的语音信号进行采样，抽取其中的语音信号电平，直接存储在语音芯片 ISD4004 中，因此使得语音自然真实。当语音播放时，需要在语音芯片的输出段加一个带通滤波器，以滤除音频带宽以外的信号，从而减少杂音的干扰。STC89C52 单片机的程序，使用 keil 编译程序进行设计和调试完成，其主要功能是控制语音模块，以及液晶显示模
3、块。关键词：微控制器；录音放音；ISD4004； ABSTRACTThe main aim of this paper is to realize the function of voice recording and playback system. The key to the overall system design of the voice recording system which includes a single-chip control module, voice acquisition module, voice processing module, signal amp
4、lification module, is MCU control module. In the voice playback process, the microcontroller communicates through SPI communication voice module, thus realizing voice recording and playback. Each recording corresponds to a different address, so the microcontroller just need to send the address of th
5、e recording to be played for play back.The signal processing of the voice recording system includes speech acquisition, signal amplification and voice filter. Acoustic signal is converted into electrical signals through electrets sensor, which is also called microphone. The sensor signals will be am
6、plified after flow through the amplifying circuit. Finally it will be send to voice module after filtering, coupling. Continuous acoustic signal is sampled by the voice module, which takes one of the voice signal level, directly stores it in the voice chip ISD4004, and makes speech natural and true.
7、 When the recording is played we need a band-pass filter in the voice chip output section, to filter out the signal outside the audio bandwidth thereby reducing noise. The codes of the Microcontroller STC89C52 is designed and tested by using keil compiler, whose main function is to control the voice
8、 module and LCD module.Key words：Microprocessor; Voice Recording and playing; ISD4004目录1 引言 .12 概述 .22.1 语音录放系统概述 .22.2 本设计方案的论证 .32.2.1 系统的单片机选择论证 .32.2.2 系统的液晶选择 .32.2.3 系统的滤波电路的选择 .32.3 研发方向和技术关键 .32.4 主要技术指标 .33 硬件设计 .53.1 硬件的总体设计 .53.2 驻极体传声器 .53.3 信号放大电路 .63.4 语音信号功率放大电路 .83.5 ISD4004 语音芯片介绍 .
9、93.5.1 芯片性能简述和引脚图 .93.5.2 ISD4004 芯片主要引脚描述 .103.5.3 SPI 协议 .113.6 滤波电路的设计与方案论证 .133.7 基于 matlab 软件对滤波前后语音的分析 .154 软件设计 .224.1 总体方案 .224.2 程序流图 .224.3 模块说明 .244.3.1 ISD4004 驱动程序 .244.3.2 1602 液晶底层驱动 .264.3.3 菜单选择程序 .284.3.4 录音函数 .294.3.5 放音函数 .304.3.6 播放方式选择 .325 制作与调试 .345.1 硬件电路的布线与焊接 .345.1.1 总体特点
10、 .345.1.2 Altium designer 软件画 PCB .345.1.3 焊接 .345.2 调试 .345.2.1 硬件调试 .345.2.2 软件调试 .355.3 系统的各个工作状态下实物照片图 .366 结论 .38致谢 .39参考文献 .40附录 .4111 引言从 20 世纪 30 年代初到 50 年代初，有声电影主要应用光学录音方法。虽然在有声电影初期曾使用过唱片配音的方法，光学录音是以感光材料为媒介记录声音的方法。但用这种方法录制的影片为数不多，时间很短。光学录音进入电影领域后，在世界范围内掀起了从无声电影转入有声电影的高潮，推动了电影事业的大发展。40 年代末 5
11、0 年代初磁性录音也进入了电影领域，但大量拷贝仍以光学录音为主；80 年代磁性录音和光学录音两种方法并用。随着经济快速发展，人民生活水平的不断提高，现在的人已近离不开音乐，而且对听觉要求越来越高。计算机技术和数字电子的发展，现在的语音系统有了重大的飞跃，由以前的体积较大单放机、复读机发展到了音质较好、体积小、容量大的 MP3、MP4、手机，可以说语音技术已经相当成熟了。传统的磁带语音录放系统因其体积大，使用不便，在电子与信息处理的使用中受到很多限制。体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全代替它。自 80 年代以来，美、日等国的数字语音技术的研究工作进入了应用阶段，相继研制的大规模集成
12、电路语音芯片已近供应市场，并不断推出新的产品。数字语音技术的应用领域十分广泛，首先是数字通信系统。当通过数字通信系统传送语音信号时，语音数字化技术就是必不可少了。发送端实际上即为语音编码，接受端为语音合成。在我们的日常生活中，数字化语音存储于回放技术得到了广泛的应用，诸如公交车报站器，采访笔，MP3 播放器，手机等，使得产品的功能强大，淘汰了磁带录音的传统方式，方便了人们的生活，推动了社会进步。22 概述2.1 语音录放系统概述语音录放系统的工作原理是单片机通过 SPI 通信模式，来控制语音芯片ISD4004 的录音与播放。此系统一般包括单片机控制模块、语音的采集模块，语音的放大模块、语音处理
13、模块、滤波模块、功率放大模块和显示模块。如图 2-1所示，驻极式传感器把自然界的连续的声波信号转化成连续变化的电信号，由于转换的电信号比较弱，故须经过放大电路，放大信号。信号传递至语音芯片，语音芯片对连续的电信号进行采样，没有经过 A/D 转换，直接存储在内部的 flash中 3。图 2-1 语音信号处理过程语音的存储可以采用数字式的，也可以采用模拟式。采用数字式的，需要把连续采样的语音信号转换成数字信号，即 A/D 转换，但在此过程需要遵循奈奎斯特采样定律。还有一种就是把采用的模拟信号直接存储在带有 flash 的存储器中，本系统采用直接存储的方式，ISD4004 语音芯片是美国 ISD 公
14、司制造的一种新款的语音芯片，芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内闪存 flash 中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果音，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪音和“金属音” 4。语音的录放系统的应用十分广泛，可以应用于通讯设备、智能仪表、治安报亭、语音报站、语音讲解、语音记录、语音复读、智能玩具等领域。本课题的研连续的声波信号连续的电信号滤波处理电信号放大3究，是其他语音录放方面课题研究的基础，因此具有很好实践意义。2.2 本设计方案的论证2.2.1 系统的单片机选择论证一方面在本系统中，单片机与 ISD4004 是采用 SPI 的通信模式，即
15、高 速 同 步串 行 口 ， 是 一 种 标 准 的 四 线 同 步 双 向 串 行 总 线 。 占 用 端 口 资 源 少 ， 单 片 机 只 需模 拟 SPI 通 信 协 议 即 可 控 制 语 音 芯 片 的 录 放 功 能 ， 因 此 占 用 单 片 机 内 部 资 源 少 。另 一 方 面 ， 在 大 学 期 间 学 习 51 单 片 机 是 学 习 其 他 单 片 机 的 基 础 ， 因 此 深 入 地把 51 单 片 机 十 分 有 必 要 。2.2.2 系统的液晶选择为了实现更多的功能，本系统加入其他外围的硬件设备，需要以菜单的形式选择功能。系统扩展有两个可选择的液晶显示 LC
16、D1602 和 LCD12864，最终采用LCD1602 液晶显示器，原因是其体积小，功耗低，具有背光功能，采用通用接口芯片，兼容性高。2.2.3 系统的滤波电路的选择考虑到实用性，带负载能力要比较强，要满足输入阻抗应足够高，输出阻抗应够小；要满足阻带衰减频率-40db/10 倍频程，有两种考虑方案：一种是用一阶滤波器进行级联，另一种直接采用二阶滤波器。本系统中采用第二种。考虑到电路的稳定性及增益 AV=10，应采用有源滤波器。集成有源滤波器有如下优点：1、在制作截止频率或中心频率较低的滤波器时，可以做到体积小、重量轻、成本低；2、由于采用集成电路，所以受环境条件（如机械振动、温度、湿度、化学
17、因素等）的影响小；3、受电磁干扰的影响小；4、由于采用集成电路，可避免各滤波节之间的负载效应而使滤波器的设计和计算大简。2.3 研发方向和技术关键研发方向：本系统主要设计一个语音录放系统，实现播放录音中任意段语音。在实际生活中，本系统可以应用在汽车倒车系统、家庭安防系统、公交车报站以及医院的病房室等应用之中。技术关键：理解 ISD4004 语音芯片操作功能的时序图，内部地址构架，以及与单片机之间的 SPI 通信模式。2.4 主要技术指标用 51 单片机和语音芯片 ISD4004 来实现一个语音录放系统。实现录音，4存储和放音操作，能录放 50 以上中文字，并能录放随意组合。放音时能够清晰、稳定。
