毕业设计论文基于AT89C51单片机的语音播报器的设计说明Word格式文档下载.docx

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基于单片机的语音播报器的设计

1绪论

1.1本课题的目的与意义

随着语音芯片的普及，语音播报被广泛应用于车站、医院等公共场所，并且面向家庭个人使用的方向发展。

语音播报记事器准确、快速的性能将为人们提过更加便利的生活。

本文采用AT89S51单片机为微处理器研制了语音播报记事器。

该系统操作简单，方便，可随时调节时间，制定时间播报。

总之，语音播报记事器各性能指标良好，在平时使用中，能够显示时间日期，并对约会进行提醒。

这将在今后语音播报中起重要影响作用。

随着时代的发展与进步，人们的生活节奏越来越快，竞争也日趋激烈。

因此，合理的安排时间，遵守时间，准时上课、上班、赴约、到会、洽谈等是每个人的愿望。

但是，往往稍一疏忽又无人提醒，造成迟到或其他事件，甚至产生了严重的后果和经济损失。

此时，若有一台智能语音记事器，将各种约定时间记录下来，按时进行语音提醒，就可以避免迟到、缺席事件的产生。

也会给我们的工作和学习带来极大的方便。

1.2本课题在国外研究概况及存在问题

从目前语音技术的研究现状来讲，技术已经有了很大发展。

语音识别和语音合成技术是实现人机语音通信及建立一个有听和讲能力的口语系统所必需的两项关键技术。

使电脑具有类似于人一样的说话和听懂人说话的能力。

在国外语音识别技术主要包含几个方面：

语音控制、电子发声、连续语音识别、非连续语音识别和语音学习。

目前主要是在支持中英文，实现中英文混合识别问题上，存在一些障碍。

同时在识别大量词汇和个别发音方面还很难做到准确。

作为语音识别技术新方向的语音学习，它则要求人模仿标准发音，其面临的困难是如何衡量人模仿的好坏。

语音合成技术是计算机“开口说话”的关键，现阶段语音合成的最大进展是已经能够实时地将任意文本转换成连续可懂的自然语句输出，相应技术通常称为文语合成或者文语转换（TTS）。

TTS使得数据通信和语音通信在终端一级实现交融，人们将有望在获取Interne信息时，使短消息服务、电子等多数以文本方式提供的信息也用语音的方式输出。

语音合成的主要功能是：

根据韵律建模的结果，从原始语音库中取出相应的语音基元，利用特定的语音合成技术对语音基元进行韵律特性的调整和修改，最终合成出符合要求的语音。

　　一旦人机对话的问题得到解决，语音技术将更多的应用到基础教学中，尤其是英语的教学，在教学中语言环境的问题也就迎刃而解。

更重要的是，与之相伴的必然是巨大的市场毫无疑问，语音技术一定会是未来人类关注的焦点。

随着人们日常生活的提高，智能语音已逐渐进人家庭。

通过语音在远端实时的控制家用电器的操作，具有简洁、方便、高效的特点。

用荷兰PHILIPHS公司生产的工业级嵌人式微处理器做为远程控制器的核心部件具有事半功倍的，现有的GIS技术已经表现出很多弊端，其中之一就是不利于信息共享。

了一些空间数据规（GML等），但都只限于语法角度和信息层次，而当今应用软件中真正需要的是语义共享口为此，论文提出了基于本体论的地理信息系统体系结构，据此给出了解决空间信息语义共享的可行解决方案。

同时，OWL语言规的提出，也为地理本体论的发展提供了标准化的语义支持。

但是，由于语义搜索和拓扑的复杂性，本实现的运行效率实在很低。

在测试中，仅仅用到了中国的大城市地理信息集，就使得搜索速度非常慢但我相信OGIS将是地理信息系统的发展方向，以后随着各项相关技术的不断发展，其应用前景将非常广阔。

1.3本课题研究容

这次的研究主要是设计一个语音播报器，包含有对预先设定的时间的报时，和当前时间的设定调整，在报时的同时有对当前时间的显示，也就是有LCD显示屏，此外还应该有麦克风的输入就是对模拟信号的处理和储存，然后在一定的条件下能够完整地播放出来，实现语音地录制和回放功能，在不同地场合能够很轻松便捷地改动和增加新地功能，所以这次设计目的是一个很开放型地课题。

他可以实现很多地功能，比如说我们日常地起始和提示功能还有普通地闹钟和录音模式，在不同领域有着不同地用途，在学校里我们可以设置一定地时间来打铃或是播放音乐。

也可以在我们正常的生活中安排一定的较长时间的活动和节目，在我们设定的时间到时就会提醒我们去做。

随着现代科技的不断发展和创新我们的语音功能时不再能够很好的完成我们的需要和日常的交际了，生活节奏的体快使得我们很容易忘记我们的生活规律和安排，可能在一定的时候会影响到我们的前途，所以有个很好的语音播报已经不再时什么新鲜的事情了，尤其时在一些大的公司或是企业的管理层次那更是不可缺少的以部分。

由此可见语音播报技术在今后会有更为广阔的应用空间，正是因为语音存储与语音播报技术有着很大的市场需求，所以现在对它的研究具有极高的应用价值。

1.4本设计的主要任务要求

根据设计要求，提出基于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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

2系统设计方案

2.1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总体设计方案图

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语音芯片的选择

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：

（1）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。

（2）部集成了大容量的的EEPROM，不再需要扩展存储器。

（3）控制简单，控制引脚与TTL电平兼容。

（4）集成度高，使用方便。

（5）能较好的真时再现语音的自然效果，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。

因此，选ISD公司的语音芯片ISD2560。

ISD2560是ISD公司的生产的语音录入和重放的芯ISD2560系列之一，ISD2560系列芯片包括ISD2560、ISD2575、ISD2590和ISD52150共四种，他们的主要区别在于存储语音的时间的长度，ISD2560的录音时间的长度为60s，ISD2570的录音时间的长度是75s，ISD2590的录音时间的长度是90s，而ISD25120的录音时间长度是120s。

ISD2560采用多电平直接模拟量存储的专利技术，每个采样值可以直接存储在片每个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、语调和效果声，从而避免了一般的固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声，该器件的采用频率为8kHz，录音时间就越长，但是通频带和音质会有所降低。

ISD2560省去了A/D和D/A的转换器，集成度较高，部包括前置放大电路、部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和48KbdeEEPROM。

ISD2560部的结构和EEPRO存储单元均匀的分配为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要的控制接口。

通过操作地址和控制线可以完成不同的任务，以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的管理等。

ISD2560可以不分段，也可以按最小段长为单位来任意组合和分段。

3硬件电路设计

3.1Protel99se介绍

Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。

因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。

最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

Protel99se就是由早期Protel版本发展而来的基于windows95/98/2000环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电原理图设计，印制电路板设计，无网络布线器，可编辑逻辑器件设计，电路图模拟、仿真等，它集成电路设计与开发环境于一体化。

利用Protel进行电路设计需要三个步骤如图3.1：

图3.1protel设计电路步骤图

本设计利用Protel软件画的硬件电路图主要有单片机AT89C51的最小系统和语音芯片ISD2560电路及它们的接口电路。

3.2电源电路设计

电源电路设计图如图3.2：

图3.2电源电路设计图

在电源引脚并联一个0.1uf的小电容目的是滤波，引入滤波电容的原因是要获得平滑稳定的电压，因为电容两端的电压不能突变，所以它能抑制电压的波动，使电压变得平稳光滑主要作用有两个：

1.去除器件之间的交流射频耦合。

它能将器件的电源端上瞬间的尖峰、毛刺对地短路掉。

2.去耦：

也叫退耦。

3.3主机电路设计

主机采用AT89S51单片机来实现。

单片机是将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

3.3.1AT89S51的特点

AT89S51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、高性能8位单片机，与MCS-51单片机兼容，其功能特点为：

（1）4K字节闪烁存储器（FLASH），可进行1000次写、擦除操作。

（2）静态操作，外接OHZ-24MHZ晶振。

（3）三层程序存储器。

（4）256字节部数据存储器（RAM）。

（5）32根可编程输入/输出线。

（6）两个6位定时/计数器。

（7）六个中断源。

（8）一个可编程串口。

（9）支持低功耗模式和掉电模式。

3.3.2AT89S51的引脚介绍

AT89S51引脚排列如图3.3所示，各引脚的功能如下：

图3.3AT89S51引脚排列图

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0：

P0为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写l时，被定义为高阻输入。

P0够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FLASH编程时，P0作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0出原码，此时P0部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下为管脚的备选功能：

P3.0RXD（串行输入口）；

P3.1TXD（串行输出口）；

P3.2/INTO（外部中断0）；

P3.3/INT1（外部中断1）；

P3.4T0（记时器0外部输入）；

P3.5T1（记时器1外部输入）；

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）；

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.3.3时钟电路

时钟电路图设计如图3.4：

图3.4部时钟电路图

AT89S51部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，时钟可以由部方式产生或外部方式产生。

部方式的时钟电路如图3.4所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用，本系统采用的是6M的晶振。

3.4语音芯片ISD2560及应用

3.4.1语音芯片ISD2560简介

ISD语音芯片是美国信息存储器件公司推出的高品质语音录放芯片，采用ISD公司独有的直接模拟存储技术（DAST），该技术的采用使得音频信息无需经过传统形式的A/D，D/A转换即可实现存取，有比同等数字存取更高的集成度和更高的音质水平。

ISD语音芯片具有抗断电功能，信息存放不易挥发，支持多次录/放操作，寿命高达10次，可单独应用、多片级联，也可与微处理器配合使用，具有很好的使用灵活性。

ISD可广泛应用于工业控制、智能仪表、警报、信息提示等场合，使信息交互人性化。

本文对ISD2560系列芯片做介绍，并给出了ISD2560的应用实例，此装置取得了很好的使用效果。

在众多的语音集成电路中，ISD系列单片语音录放电路以其优异的性能在市场上独领风骚，ISD系列产品采用基EEPROM浮栅技术的模拟量存储技术，具有重放音质好、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗、抗断电等特性，尤其是随意时间长短的分段录/放音的性能，为实际使用提供了灵活性，ISD系列中的ISD2560芯片，480KB的EEPROM，录放音时间长达60秒，分段录音可达600段。

目前，电脑语音服务的应用围越来越广，如电脑语音钟、语音型数字万用表、手机话费查询系统以及公共汽车报站器等。

而Winbond公司生产的ISD2500系列语音芯片是具有较强功能的一种电脑语音录放器件，它能够应用在很多需要语音服务的场合。

AT89S51是ATMEL公司生产的性能良好、价格便宜的单片机。

3.4.2ISD2560引脚功能及部结构

ISD2560引脚功能如图3.5所示。

图3.5ISD2560芯片引脚

各引脚的主要功能如下

电源（VCCA，VCCD）：

为了最大限度的减小噪声，芯片部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上。

模拟和数字电源端最好分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容则应尽量靠近芯片。

地线（VSSA，VSSD）：

由于芯片部使用不同的模拟和数字地线，因此，这两脚最好通过低阻抗通路连接到地。

节电控制（PD）：

该端拉高可使芯片停止工作而进入节电状态。

当芯片发生溢出即OVF端输出低电平后，应将本端短暂变高以复位芯片；

另外，PD端在模式6下还有特殊的用途。

片选（CE）：

该端变低且PD也为低电平时，允许进行录、放操作。

芯片在该端的下降沿将锁存地址线和P/R端的状态；

另外，它在模式6中也有特殊的意义。

录放模式（P/R）：

该端状态一般在CE的下降沿锁存。

高电平选择放音，低电平选择录音。

录音时，由地址端提供起始地址，直到录音持续到CE或PD变高，或存溢出；

如果是前一种情况，芯片将自动在录音结束处写入EOM标志。

放音时，由地址端提供起始地址，放音持续到EOM标志。

如果CE一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音则会忽略EOM而继续进行下去，直到发生溢出为止。

信息结尾标志（EOM）：

EOM标志在录音时由芯片自动插入到该信息段的结尾。

当放音遇到EOM时，该端输出低电平脉冲。

另外，ISD5260芯片部会自动检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于3.5v时，该端变低，此时芯片只能放音。

在模式状态下，可用来驱动LED，以指示芯片当前的工作状态。

溢出标志（OVF）：

芯片处于存储空间末尾时，该端输出低电平脉冲以表示溢出，之后该端状态跟随CE端的状态，直到PD端变高。

此外，该端还可用于级联多个语音芯片来延长放音时间。

话筒输入（MIC）：

该端连至片前置放大器。

片自动增益控制电路（AGC）可将增益控制在-15～24db。

外接话筒应通过串联电容耦合到该端。

耦合电容值和该端的10kΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。

话筒参考（MICREF）：

该端是前置放大器的反向输入。

当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，并提高共模抑制比。

自动增益控制（AGC）：

AGC可动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，这样在录制变化很大的音量（从耳语到喧嚣声）时就能保持最小失真。

响应时间取决于该端置的5kΩ电阻和从该端到VSSA端所接电容的时间常数。

释放时间则取决于该端外接的并联对地电容和电阻设定的时间常数。

选用标称值分别为470KΩ和4.7μf的电阻、电容可以得到满意的效果。

模拟输出（ANAOUT）：

前置放大器输出。

其前置电压增益取决于AGC端电平。

模拟输入（ANAIN）：

该端为芯片录音信号输入。

对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至该端，该电容和本端的3kΩ输入阻抗决定了芯片频带的附加低端截止频率。

其它音源可通过交流耦合直接连至该端。

扬声器输出（SP+、SP-）：

可驱动16Ω以上的喇叭，存放音时功率为12.2mw。

辅助输入（AUXIN）：

放音时功率为50mW。

单端输出时