语音录放系统的设计及实现开题报告
2020-06-06 09:50:31
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
一、研究背景及意义
随着我国科学技术的日益提高以及经济的快速进步，语音存储和播放的功能在智能设备、交通、金融等方面的需求和应用逐渐增多[1]。为使语音生成技术能更加方便于生产生活，人们把该技术应用于多媒体服务系统、人机互动系统、操作自动化、工业管理与监控系统等产品中，使它们能在需要时以语音的形式实时向人们汇报系统的工作状态，并在恰当的时候发出语音提示信息、警报信息等[2]。近年来又伴随着硬软件的迅速发展，单片机的出现和功能应用得到了工业上的广泛青睐和使用，基于单片机的语音录放系统也随之产生并投入使用[3]。
语音录放系统以AT89S52单片机为核心，采用语音存储量为8至16分钟的ISD4004语音芯片，实现了语音信息的数字化处理以及分段存储和录放功能，具备了快速查找、编辑便捷灵活的特点，在语音的高保真以及成本低方面有很大的优势[4]。同时也在提高工作效率、降低差错率、增强人机互动能力、促进工业现代化等方面有极大的好处[5]。
二、研究及应用现状
目前，语音电路的应用高峰正在逐渐形成。在仪器设备方面，人与仪器的交互通过语音电路增多，如可以通过语音报告测试结果的数字万用表，记录结果时不必看表的显示数值就可直接得出结果，与此同时也提高了测试的准确性 [6]；在语音控制设备运作方面，机电一体化、人工智能化等均得到了很好的发展；在邮电通讯方面上，如自动应答电话，语音型BP机等[7]。
总之，语音电路在通信、仪器仪表、工业控制、特别是消费类电子产品如一些家用电器家用电器方面有着十分广阔的应用前景，它正逐渐渗透到那些传统的控制领域和一些待开拓的领域中。
三、系统基本组成及工作原理
语音录放系统主要由单片机AT89S52,语音芯片ISD4004以及芯片扩展的外围电路组成，系统总体框图如图1所示。其主要工作过程为：按下录音键，语音芯片则收到单片机发出的录音指令，并同时将从话筒录入的语音信息以数字形式存储到芯片内部的存储器中；按下放音键，语音芯片则收到单片机发出的放音指令，并同时根据单片机给出的语音信息地址取出相应语音段，并通过扬声器播放出来 [8]。
复位电路 按键功能选择 ISD4004 扬声器 话筒 单片机 AT89S52 LCD 时钟电路
（一）系统硬件组成
1、时钟电路
在单片机工作时可利用时钟电路产生的基本时钟，使得单片机实现稳定且有序的工作。该电路由晶振决定时钟周期，系统需按照相同的频率进行工作。其原理图如图2所示，将一个晶振和两个稳频电容跨接在单片机XTAL1和XTAL2引脚上，与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器[9]。
图2 时钟电路原理图
2、复位电路
采用电容在上接高电平，中间为RST，电阻在下接地，可构成单片机复位电路。其工作原理为：由于电容两端在通电时相当于短路，从而RST引脚上为高电平，然后电源经过电阻对电容充电，RST端的电压慢慢下降，降到一定程度就变为低电平，单片机开始正常工作[10]。
图3 复位电路原理图
3、LCD模块
该模块需要8#215;10k欧姆的排阻作为P0 口的上拉电阻，分别接LCD的第7到14引脚即D0到D7，以及单片机的P0 口。LCD引脚3接电位器RLCD,用以调节液晶背光对比度，电位器一端接电源，另一端接地。LCD的4、5、6 脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2 脚相连。2脚和15 脚接电源，1 脚和16 脚接地[11]。
图4 LCD与单片机连接图
4、ISD4004模块
ISD4004的片选ss引脚为低电平时可向芯片发送指令，与单片机P1.1口连接，该口控制语音芯片是否选通。ISD4004的串行输入引脚MOSI以及串行时钟引脚SCLK分别与单片机的P1.5和P1.7口连接。对于语音芯片的中断引脚INT则与单片机的P3.3口INT1相连[12]。
图5 使用SPI的应用实例图
5、话筒和扬声器模块
话筒采用驻极体传声器，由于其转换的电信号只有毫伏级，所以需要将信号放大，此时可采用阻容耦合共射极放大电路，与ISD4004的ANAIN-引脚相连[13]。由于ISD4004输出的电压只有毫伏级，难以驱动扬声器发声，因此为提高扬声器的驱动能力，可在系统中采用LM386功率放大器[14]。
（二）语音系统的软件设计
录放软件流程图如图6所示，硬件初始化完成后，判断是否有按键按下，根据按键功能调用相应函数。
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初始化 |
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调用录音函数 |
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调用放音函数 |
在系统上电并初始化完成后，扫描是否有按键按下，若有，则调用相应的功能子函数。然后由单片机向语音芯片发送指令及起始地址，地址发送顺序为先低8位后高8位，由于ISD4004工作于SPI串行接口，因此当片选信号ss为低电平时开始传输数据。在ss变低且输入指令和地址后，ISD开始录放操作[15]。
录音时，按下录音键，单片机通过口线设置语音段的起始地址，再使PD端、P/R端和/CE端为低电平启动录音；结束时，按下停止键，单片机又让各端回到高电平，即完成一段语音的录制。同样的方法可录取第二段、第三段等等。值得注意的是，录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间[16]。
放音时，根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始地址，并通过口线送出。再将P/R端设为高电平，PD端设为低电平，并让/CE端产生一负脉冲启动放音，这时单片机只需等待ISD的信息结束信号，即/EOM的产生[17]。信号为一负脉冲，在负脉冲的上升沿，该段语音才播放结束，所以单片机必须要检测到/EOM的上升沿才能播放第二段[18]。
四、总结
如今人们的生产生活已离不开语音录放系统，它在促进社会智能化、便捷化方面起着必不可少的作用。与此同时，系统的功能和实现方式也在不断地提高和增多，如语音芯片的录音时间如今已提高到16分钟。语音录放系统的设计需要软硬件相结合，硬件上需要掌握单片机和语音芯片引脚功能，在此基础上设计出放大电路等各个外围电路；软件上需要编写出录放音程序、LCD显示程序等，因此要对C语言代码多加练习和运用。
参考文献
[1] 苏宝林.基于单片机的语音录放系统设计[J].科技论坛，2014，(2):38-39.
[2] 吕晓光，杨鹏.智能语音录放系统的设计[J].电子世界，2014，（9）：125.
[3] 赵智超，吴铁峰.高保真语音录放系统的设计[J].科教文汇，2012，（6）：99-100.
[4] 李江全.单片机通信与控制应用编程实例[M].北京：中国电力出版社，2012.
[5] 唐宏文.基于AT89C51的语音录放系统[J].硅谷，2011，（9）：178.
[6] 陈恒.语音录放电路设计[J].电子制作，2013，（12）：11.
[7] 韩改宁，李永锋.基于AT89C52单片机的语音录放系统实现[J].电子设计工程， 2009,17（9）：116-118.
[8] Krishnamoorthy,Ganeshkumar.Perform timing for microcontrollers with- out using timers[J]. ProQuest Journal，2004，52（2）：56-57.
[9] 任致程，语音录放和识别集成电路应用与制作实例[M].北京：人民邮电出版社，1999.
[10] 陈有卿.实用语音与音效集成电路300例[M].北京：中国电力出版社，2005.
[11] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[12] 夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[13] 赵广林.新型语音芯片应用手册[M].天津:电子工业出版社,2008.
[14] 史红梅，余祖俊.ISD语音芯片的开发与应用[J],现代电子技术，1998，（9）.
[15] 谭文娣，梁德坚.ISD4004系列语音芯片批量录音实现[J].企业科技与发展，2009，（20）：110-113.
[16] Fernando E.Valdes-Perez，Ramon Pallas-Areny.Microcontrollers[M]. Taylor and Francis, 2009.
[17] Jivan S.Parab ,Vinod G.Shelake. Exploring C for Microcontrollers[M]. Springer Netherlands,2007.
[18] 凌志浩. AT89C52单片机原理与接口技术[M]. 北京：高等教育出版社, 2011.
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
一、主要研究内容或解决的问题
1、主要研究内容
（1）系统硬件电路的设计及搭建，包括:单片机最小系统、语音芯片电路模块、话筒及功放模块、显示模块、按键模块等；
