基于51单片机语音存储与回放系统设计

基于51单片机语音存储与回放系统设计内容摘要：

MOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和 128 bytes的随机存取数据存储器。 器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与 MCS51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用 8位中央处理器和 Flash存储单元，功能强大。 AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 AT89C51 的主要参数 AT89C51 芯片有以下特点 ： (1) 与 MCS—51产品指令和引脚完全兼容 (2) 4k字节可重擦写 Flash 闪速存储器 (3) 1000 次擦写周期 (4) 全静态操作： 0Hz—24MHz (5) 三级加密程序存储器 (6) 1288 字节内部 RAM (7) 32个可编程 I/O 口线 (8) 3个 16位定时 /计数器 (9) 8个中断源 (10) 可 编程串行 UART 通道 (11) 低功耗空闲和掉电模式 功能特性概述： 8 AT89C51 提供以下标准功能： 4k字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线， 3 个 16位定时 /计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一 个硬件复位。 AT89C51 的引脚功能说明 AT89C51 芯片引脚排列图见附录 1，下面介绍一下与本设计相关的引脚功能。 P0口（ ~）是一个 8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低 8位）和数据总线复用。 外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I/O口用。 P0口每一个引脚可以推动 8个 LSTTL负载。 P1口（ ~）是具有内部提升电路的双向 I/0端口（准双向并行 I/O口），其输出可以推动 4个 LSTTL负载。 仅供用户作为输入输出用的端口。 P2口（ ~）是具有内部提升电路的双向 I/O端口（准双向并行 I/O口），当访问外部程序存储器时，它是高 8位地址。 外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I/O。 每一个引脚可以推动 4个 LSTTL负载。 P3口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口。 P3口除了作为一般的 I/O口线外，更重要的用途是它的复用功能，如表 13所示。 表 13 P3口复用功能表 端口引脚 复用功能 RXD（串行通信输入） TXD（串行通信输出） INT0（外部中断 0 输入，低电平有效） INT1（外部中断 1 输入，低电平有效） T0（计数器 0,外部事件计数输入端） T1（计数器 1,外部事件计数输入端） WR（外部随机存储器的写选通，低电平有效） RD（外部随机存储器的读选通，低电平有效） RST：复位输入。 VCC： AT89C51电源正极输入，接 +5V电压。 GND：电源接地端。 XTAL1： 接外部晶振的一个引脚。 在单片机内部，它是一反相放大器输入端， 9 这个放大器构成了片内振荡器。 它采用外部振荡器时，一些引脚应接地。 XTAL2： 接外部晶振的一个引 脚。 在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。 当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 EA/VPP： 该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部 EPROM中）来执行程序。 因此在 8031中， EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。 如果是使用 AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针 PC值超过片内程序存储器地址（如8051/8751/89C51的 PC超过 0FFFH）时，将自动转向外部程序存储器继续运行。 此外， 在将程序代码烧录至 8751内部 EPROM、 89C51内部 FALSH时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（ 8751为 2lV、 AT89C51为 12V、 8051由生产厂方一次性加工好 )。 ISD2560 语音芯片 采用 ISD 系列语音芯片进行录音是一种可行的方法，它有音质自然、单片存储、反复录放、低功耗等优点。 一块 ISD 芯片上集成有麦克风前置放大器（ AMP）、自动增益控制电路（ AGC）、抗混淆和平滑滤波器、模拟存储阵列、扬声器驱动器、控制接口和内部精确的参考时钟，外部元件包括：液晶、麦克风、扬声器、开关和 少数电阻、电容，再加上电源和电池。 ISD2560 语音芯片是美国 ISD 公司产品，是 ISD 系列单片语音录放集成电路的一种。 这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为 60s，可重复录放 10 万次。 芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了 A/D、 D/A 转换器。 每个采样值直接存储在片内单个 EEPROM 单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，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 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、自动增益控 制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480K 字节的 EEPROM等。 ISD2560 的引脚功能 ISD2560 的引脚排列见附录 1，各引脚的主要功能描述如下： A0/M0~A6/M A7~A9：地址线， ISD 器件可以实现 1～ 600 段录放语音功能，每段录放音都有一个起始端，该起始地址的选择由 A0~A9 确定。 当 A A9 同时为高电平时可以选择工作模式。 AUX IN：当 CE 和 RP/ 为高，放音不进行，或处 于 放音溢出状态时，本 端的输入信号通过内部功放驱动喇叭输出端。 10 VSSD、 VSSA：数字地和模拟地，这两脚最好在引脚焊盘上相连。 SP+、 SP：扬声器输出。 VCCA、 VCCD：模拟电源、数字电源，尽可能在靠近供电端处相连。 MIC：本端连至片内前置放大器，外接话筒应通过串联电容耦合到本端，耦合电容值和本端的 10KΩ输入电阻。 MIC REF：本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，提高共模抑制比。 AGC： AGC 动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时失真都能保持最小。 响应时间取决于本端的 5KΩ 输入阻抗外接的对地电容的时间常数。 释放时间取决于本端外接的并联对地电容和电阻的时间常数。 470KΩ 和 的标称值在绝大多数场合下可获得满意的效果。 ANA IN：本端为芯片录音信号输出。 对话筒输入来说 ANA OUT 端应通过外接电容连至本端。 ANA OUT： 前置放大器的输出，前置电压增益取决于 AGC 端电平。 OVF ：芯片处于存储空间末尾 时本端输出低电平脉冲表示溢出，之后本端状态跟随 CE 端的状态，直到 PD 端变高。 本端可用于级联。 CE ：本端变低后（而且 PD 为低），允许进行录放操作。 芯片在本端的下降沿锁存地址线和 RP/ 端的状态。 PD：本端拉高使芯片停止工作，进入不耗电的节电状态，芯片发生溢出，即 OVF端输出低电平后，要将本端短暂变高复位芯片，才能使之再次工作。 EOM ： EOM 标志在录音时由芯片自动插入到该信息的结尾。 放音遇到 EOM时，本端输出低电平脉冲。 芯片内部会检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于 时，本端变低，芯片只能放音。 XCLK：外部时钟。 本端内部有下拉元件，不用时应接地。 RP/ ：本端状态在 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，录音持续到 CE 或 PD 变高，或 内存溢出；如果是前一种情况，芯片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，放音会忽略 EOM，继续进行下去。 ISD2560 的操作模式 由于 ISD2560 内置了若干种操作模式，因而可用最少的外围器件实现最多的功能。 操作模式也由地址端控制，当最高两位（ A A9）都为 1 时，其它地址端置高可选择某个（或某几个）特定模式。 因此操作模式和直接寻址相互排斥。 具 11 体操作模式如表 14 所示。 操作模式可由微控制器也可由硬件实现。 表 14 模式控制说明表 模式控制 功能 典型应用 A0/M0 信息检索 快速检索信息 A1/M1 删除 EOM标志 在全部语音录放结束时，给出 EOM标志 A2/M2 未用 当工作模式 操作时，此端应接低电平 A3/M3 循环放音 从 0地址开始连续重复放音 A4/M4 连续寻址 可录放连续的多段信息 A5/M5 CE电平触发 允许信号中止 A6/M6 按钮控制 简化器件接口 使用操作模式时需要注意两点： (1) 所有操作模式下的操作都是从 0 地址开始，以 后的操作根据模式的不同，而从相应的地址开始工作。 当电路中录音转放音或进入省电状态时，地址计数器复位为 0。 当 CE变低且最高两地址位同为高时，执行操作模式。 这种操作模式将一直有效，直到 CE再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址／模式端电平并执行相应的操作为止。 (2) 操作模式位不加锁定，可以在 MSB（ A A9）地址位为高电平时， CE电平变低的任何时间执行操作模式操作。 如果下一片选周期 MSB（ A A9）地址位中有一个 (或两个 )变为低电平，则执行信息地址，即从该地址录音或放音，原来设定的操作模式状态丢失。 ISD2560 的分段录放音 2500 系列最多可分为 600 段，只要在分段录 /放音操作前 (不少于 300 纳秒 )，给地址 A0~A9 赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（ EOM）；而放音时芯片遇到 EOM 标志即自动停止放音。 2500 系列地址空间是这样分配的：地址 0~599 作为分段用 (见表 15)，地址600~767 未使用，地址 768~1023 为工作模式选择。 12 表 15 2500 系列地址空间表 十进制 二进制 信息时间 (秒 ) A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 2560 2575 2590 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 100 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 250 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 300 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 400 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 500 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 599 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 ISD2560 的应用电路 ISD2560 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、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480KB 的 EEPROM 等。 内部 EEPROM 存储单元，均匀分为 600 行，具有 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。 ISD2560 控制电平与 TTL电平兼容。 接口简单，使用方便。 图 13 是 ISD2560 基本电路原理。 录音时按下录音键 S S3 接地，使节 电 控制键 PD 端、录放模式键 RP/ 端为低电平。 此时启动录音；结束时松开按键，单片机又让录放模式键 RP/ 端回到高电平，即完成一段语音的录制。 同样的，按下录放模式键 RP/ 接高电平，使节 电控制键 PD 端为低电平启动放音功能；结束时，松开按键， 即完成一段语音的播放。 13 图 13 ISD2560 基本电路原理 LM386 集成功率放大器芯片说明 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。 为使外围元件最少，电压增益内置为 20。 但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。 LM386 电子特性 LM386 芯片的电子特性如表 16 所示。 输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在 6V 电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW，使得LM386 特别适用于电池供电 的场合。 输入电压范围可由 4V~12V，无作动时仅消耗4mA 电流，且失真低。 14 表 16 LM386 电子特性表 项目 测试环境 规格 工作电压 Vs（ V） 4。