数码录音与播放系统的设计论文.docx

郑州大学西亚斯国际学院
本科毕业论文（设计）

题目 数码录音与播放系统的设计

指导教师 周晓平 职称 讲师

学生姓名 何猛 学号 20111521136
专业 电子信息工程 班级 1班
院(系) 电子信息工程学院
完成时间 2015年3月28日

II

数码录音与播放系统的设计

摘 要

近年来,由于电子技术的飞速发展,录音与播放系统越来越多地运用到人们的生活,随着语音通信技术在交通、通信等方面的应用及电子消费的不断繁荣,具备录放音系统的电子产品在我们的日常生活中的使用率也在日益增长,在一些常见的电子产品加入录放音功能可以使用户使用起来更加方便。在许多情况下数码录音与播放系统需要和单片机结合起来,虽然模拟化处理系统也能够实现语音的录放功能,但是往往效果不是很理想。本文通过对多种录音与播放系统的方案进行分析,最终选定用单片机来设计该系统。
本系统的主要控制芯片采用的是以MCS-51为核心的STC89C52单片机,用美国公司生产的ISD4004芯片来作为系统的语音存储和播放芯片,把拥有音频集成功放的LM386作为功率放大芯片。本次设计的硬件电路主要有主控电路的设计、语音处理电路的设计、音频放大电路的设计和按键控制电路的设计等。本文先对要采用的主要芯片以及各个模块进行分析,选定之后分别对电路模块进行硬件设计和软件设计,最后进行总结。本设计主要完成了录音与播放系统的硬件设计和软件设计,能够实现8至16分钟的录音,自动删除、新的录音覆盖掉旧的录音等功能。

关键词 STC89C52 ISD4004 数码录音与播放

THE DESIGN OF THE DIGITAL RECORDING
AND PLAYBACK SYSTEM

ABSTRACT

In recent years, due to the rapid development of electronic technology, the recording and playback system are increasingly applied to people's lives, with the voice communication technical application in aspects such as transportation, communications and consumer electronics rising prosperity, people on a product with the digital recording and playback system demand is growing, in some of the common electronic products add voice function enables users more convenient. In many cases the digital recording and playback system needs to be combined with single chip microcomputer, conventional analog of voice processing systems to achieve storage and playback of voice , but to little avail.
The system of the main control chip used in STC89C52 single-chip microcomputer MCS - 51 as the core, using the ISD4004 chip as a system of speech storage and playback chip, LM386 as amplifier chip. The design of the hardware circuit mainly include the design of the output circuit, storage circuit design, the key control circuit design, etc. This article first to take the main chips and modules is analyzed, after selected respectively to hardware design and software design of circuit module, finally summarized. This design is mainly completed the recording and playback system hardware design and software design, can achieve 8 minutes of recording, automatic deletion, new recording overwriting the old recordings, and other functions.

KEYWORDS STC89C52 ISD4004 Digital recording and playba

目 录
中文摘要..................................................I
英文摘要.................................................II
1 绪论....................................................1
1.1 数码录音与播放系统的作用和意义......................1
1.2 数码录音与播放系统的发展............................1
2 系统总体方案的设计与论证................................3
2.1 主控模块的方案选定..................................3
2.2 语音模块的方案选定..................................4
2.3 电源模块的方案选定..................................4
2.4 系统最终方案的选定..................................5
3 系统硬件电路设计........................................6
3.1 主控电路的设计......................................6
3.1.1 STC89C52的简介...................................6
3.1.2 STC89C52的电路设计................................8
3.2 语音处理电路的设计..................................9
3.3 音频放大电路的设计.................................11
3.4 键盘电路的设计.....................................12
4 系统软件设计...........................................14

4.1 程序的流程图设计....................................14
4.2 主程序.............................................15
5 制作与调试.............................................20
致谢.....................................................21
参考文献.................................................22
附录.....................................................23

1

25

1 绪论

1.1 数码录音与播放系统的作用和意义
随着科技的不断发展和集成电路的不断应用,语音系统更多地被运用到各个领域中,除了工业、通信、交通等传统领域,生活领域现在也是语音处理系统蓬勃发展的方面,人们的生活中也充满了装有语音系统的家电和电子产品。
语音录放系统从被发明以来一直为我们的生活提供了各种娱乐和便利,比如以前我们生活中常用的复读机不仅为我们在学习上提供了很大的便利,还丰富了我们的业余生活,还有录音笔能够记录下很多重要的谈话内容,保存了很多有利的证据。随着语音信号处理技术的发展,语音系统也由原来简单的录放功能逐渐发展为语音识别、语音控制等方面。
近年来随着电子产品的繁荣发展和语音控制功能逐渐被广泛应用到很多领域, 人类的生活已经越来越方便和智能化,我们常用的手机上很多功能都通过语音来实现,比如手机上的语音查询功能,想要搜索什么资料直接按住相应功能键然后说出自己想要搜索的东西即可,还可以直接通过打开手机上的音乐播放器等应用,不仅是手机,还有很多电子产品的操作都可以通过语音直接控制,语音系统与电子产品的结合极大地提供了用户对电子产品的体验程度,加强了人机交流,语音控制功能是一项革命性的创新技术。同时语音服务行业也越来越受到青睐,被应用到各种电子语音提示、手机语音服务、安保系统以及应答系统等诸多领域。未来人们会需求更多语音系统的产品,我们甚至可以语音控制电视机等家电的开关,语音处理系统发展的潜力仍是巨大的。
1.2 数码录音与播放系统的发展
自古以来人类沟通的主要工具是语音交流,语言是促进人类沟通的最有效手段,语音一直是人类历史研究的方向。1877年,美国人爱迪生发明了世界第一台机械式留声机,首次实现语音录放功能。过去人类研究语音,对语音的记录、存储和播放都是利用磁带来完成的,但是这种方法已经很落后了而且使用这种录放音方法制造的电子产品体积大、性能差,已经远远无法满足人们的需求了。单片机语音录放系统就是以数字电路为基础,实现录音、存储、播放等功能的。现在很多应用程序中, 将语音处理系统与单片机有效结合起来能够更好地满足产品的需求。
单片机具有很多其他芯片没有的优点,体积小、扩展灵活、高性价比、高可靠性、控制功能强和功耗低等。可以说我们日常生活中几乎每件电子产品中都离不开单片机的应用,单片是最简单的计算机,也可以说是应用数量最多的计算机。平常用到的手机、电脑、家用电器等产品中配有单片机,单片机在语音录放系统发挥出重大的作用。未来以单片机为核心语音录放系统会朝着微型化、性能强、稳定性强和智能化的方向继续发展。
本设计正是符合了未来语音录放系统的这种趋势,采用功能强大的STC89C52单片机作为主控制芯片,选用美国芯片ISD4004作为该设计的语音存储和播放芯片,LM386作为音频功率放大器,实现了一个完整的基于单片机的数码录音与播放系统的设计。本次设计的硬件电路主要有主控电路的设计、语音处理电路的设计、音频放大电路的设计和按键电路的设计等。本文先对要采用的主要芯片以及各个模块进行分析,选定之后分别对电路模块进行硬件设计和软件设计,最后进行总结。

2 系统总体方案的设计与论证

本次数码录音与播放系统的设计的主要模块可以分为主控模块、语音模块和电源模块等几个主要部分,每个部分都有其需要处理的不同工作,把主控模块作为系统的中央处理部分,可以协调其他模块一起工作,语音模块负责把现场的模拟语音信号进行记录、存储和播放等功能,电源模块主要为系统提供电源,保证整个系统能够顺利运行。
2.1主控模块的方案选定
方案（一）:
选用AT89C52作为系统的主控芯片，AT89C52是一个低电压、高性能CMOS的8位单片机,芯片内部集成了8K的Flash，外加8K的ROM存储空间，此外AT89C52有40个引脚,2个读写口线,3个16位可编程定时计数器,32个外部双向输入/输出端口, 其指令系统还兼容了MCS-51指令系统,具有强大的处理功能,存储空间较大，且存取速度快的优点,在电子行业中有广泛的应用。但是AT89C52单片机也不是万能的,不能实现ISP在线编程的功能，这样的话就会增加整个系统开发调试的难度,降低开发效率,同时因为要多次调试所以难免会反复插拔芯片,这样就很容易对芯片产生不良影响。
方案(二):
选用80C51作为系统的主控芯片,80C51属于MCS-51系列单片,有两个外部中断,两个定时器中断,两个16位定时计数器,四个8位并行输入口。51单片机现在是我国目前应用比较多的单片机，也是一种最基础的单片机,我们学习用的教材上也是选用51单片机作为讲解。虽然51单片机也在不断提高其功能,但是在DSP处理能力方面比较弱，而且需要改善处理复杂数据的能力，同时 51单片机集成化程度不高,所以也放弃这个方案。
方案(三):
选用STC89C52作为系统的主控芯片，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K字节Flash,512字节RAM,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,32位I/O口线,存储空间极大，且存储速度快。STC89C52在以MCS-51为核心的基础上做了大量的改善后使得其具备了更加丰富的的功能。STC89C52单片机不但能够实现AT89C52的所有功能,而且提供ISP在线编程的功能，这样就有利整个开发过程，提高开发效率,同时在调试过程中不用多次的插拔芯片，能够很好地保护到芯片。
综上所述，再考虑到本次数码录音与播放系统的设计需要实现的功能和要满足的各项性能指标,且需要对程序等进行多次调试。最终选定方案三，选用STC89C52作为系统的主控芯片。
2.2语音模块的方案选定
方案(一):
选用单片机编写录放音程序配合扬声器的方式实现语音系统的录放音功能,这种方法可以降低制作成本,同时因为减少了芯片的使用所以也降低了系统的整体功耗,但是这样的话会造成系统内部的延迟,这种方法会对系统整体效果造成一定的不良影响,所以放弃这个方案。
方案(二):
选用专门的语音芯片WTB015语音芯片来实现录放音功能,WTB015是一款制作成本低且带有音频合成器的语音处理芯片,工业性能强,能够在多种场合下工作,有PWM和DAC两种语音输出方式,内部资源包括EPROM、定时器、RAM、时钟发生器和I/O端口等。WTB015不仅具有串口控制模式、并口控制模式、按键控制模式和按键组合控制模式等多种工作模式,同时拥有自动休眠功能以大大降低功耗。但是WTB芯片存储的录音时间较短,而且音质有所欠缺,因此也不采用该方案。
方案(三):
选用功能强大的ISD4004语音芯片,该芯片由美国公司出品,正常情况下录放时间为8至16分钟,录音周期为10万次,ISD4004拥有控制录音和边缘/电平触发两种放音控制,芯片采用CMOS工艺,内含音频放大器、自动增益控制、防混淆滤波器、振荡器和平滑滤波器等,可在断电情况下保存信息100年,音质高,而且该芯片还具有功耗低、自然地语音还原技术、抗干扰能力强等众多优点,适用于普通便携式的电子产品中,能够满足该系统设计对语音芯片的一切要求。
综上所述，结合实际需要,为了录音时间足够长且音质高,本系统的语音模块选定第三种方案，选用美国出品的语音芯片ISD4004实现系统的录放音功能。
2.3电源模块的方案选定
方案(一):
将正常的室内电压进行变压和整流处理后为录放系统提供一个稳定的5V电压,这种方法可以节约成本,而且电压十分稳定,可以提高系统的总体稳定性,但是这样就限制了供电的环境,语音录放系统现在多用于移动设备和便携式的电子产品中,这样就严重限定了语音录放系统的使用范围,所以不采用这个方案。
方案(二):
采用两个独立电源分别给不同的模块供电,这样也能保证电压的稳定,使系统总体稳定,但是多个电源方案不仅会加大功耗而且会大大加重系统整体的重量,不利于携带,会影响带有录放音电子产品的使用情况。
方案(三):
采用直接由普通5号电池构成的单电源供电方法,经过测试三节电池同时给多个模块供电,同样能确保系统整体的正常运行,满足整体系统的供电需求,不仅解决了多个电源造成系统加大加重的问题,而且使系统的使用范围不再受到限制,该方案符合本设计的要求。
综上所述,考虑到本系统的使用范围以及多用于移动电子产品中,选定方案三,采用电池构成的单电源供电方法。
2.4系统最终方案的选定
通过以上论证本系统最终选用如下方案:
1. 采用STC89C52单片机作为系统的主控芯片。
2. 采用功能强大的ISD4004语音芯片作为语音模块。
3. 采用由普通电池构成的单电源进行整体供电。

3 系统硬件电路设计

本系统的总体设计是采用功能强大的STC89C52单片机作为主控制芯片,使主控电路能接收来自各模块的信号并发出指令信号从而有效控制其他电路,协调各电路共同工作,语音处理电路以ISD4004芯片为核心,实现语音的记录、存储和播放,音频放大电路以LM386为核心,能够进行三级放大,加上按键电路的设计,完成了一个完整的基于单片机的数码录音与播放系统的设计,最终能够实现录音8至16分钟,新录音可以覆盖旧录音的功能。
3.1 主控电路的设计
3.1.1 STC89C52的简介
本设计选用的主控芯片STC89C52是STC公司生产的一个基于51内核的8位单片机。STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内置通用8位中央处理器，同时在片内集成了Flash闪存存储器单元，正因为实现了上述的诸多功能部分，STC89C52单片机以其强大的功能优势，能较好的适用于各类复杂的控制应用场合。STC89C52系列单片机都采用40脚的封装形式，在其40个引脚中包含了32个通用的输入输出端口，能灵活配置在各种控制场合；还包含了2个外部中断端口，能实现各控制系统的中断处理过程；同时还包括了3个16位的定时器（计数器），能实现各种精确的定时计数功能；2个全双工通信端口，能实现全双工通信；以及包含了2个读写端口。其引脚图如图3.1所示。

图3.1 STC89C52引脚分布图

器件参数:
1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.
2. 工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）
3.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz
4. 用户应用程序空间为8K字节
5. 片上集成512 字节RAM
6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。
7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片
8. 具有EEPROM 功能
9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2
10.外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒
11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
12. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
13. PDIP封装

3.1.2 STC89C52的电路设计
主控电路以STC89C52单片机为核心控制器，接收来自各模块的信号并对其进行处理,然后将需要执行的命令信号再发往各模块,主要负责协调各个模块的共同工作, 主控电路如图3.2所示。

图3.2 主控电路的设计
主控电路的构成主要还包括晶振电路, STC89C52单片机内部集成了一个振荡电路，因此只需把一个振荡晶体作为系统振荡源接在单片机外部，单片机内部的振荡电路就能和振荡晶体构成一个晶振电路,晶振电路能够产生时钟脉冲信号。晶振电路是主控电路中一个非常重要的部分,因为晶体振荡的频率可以决定STC89C52单片机的工作速率。此外电路中的两个电容 C2，C3主要起到协助振荡器起振和微调振荡频率的作用。晶振电路如图3.3所示。

图3.3 晶振电路
3.2 语音处理电路的设计
功能强大的ISD4004语音芯片,该芯片由美国ISD公司出品,正常情况下录放时间为8至16分钟,录音周期为10万次,ISD4004拥有控制录音和边缘/电平触发两种放音控制,芯片采用CMOS工艺,内含音频放大器、自动增益控制、防混淆滤波器、振荡器和平滑滤波器等,可在断电情况下保存信息100年,音质高,而且该芯片还具有功耗低、自然地语音还原技术、抗干扰能力强等众多优点。其引脚图如图3.4所示。ISD4004语音芯片的基本技术指标如下：
l 工作电源：+5V；
l 工作电流：15mA；
l 待机电流：0.5uA；
l 信噪比：S/N=43dB；
l 录音时间长度：20s；
l 可分段数：160段；
l 每段时间长度：20s/160段=0.125s/段；
l 录放次数：10万次以上

图3.4 ISD4004引脚图

语音处理电路的设计以美国出品的ISD4004为语音存储和播放芯片来处理语音信号,使用多电平直接模拟量存储技术,无需经过A/D转换和压缩,直接将模拟化的语音信号存入片内存储器,能够更自然地还原声音和声调,减少声音误差。ISD4004芯片主要工作于SPI串行接口,其录音、放音等功能主要依靠SPI控制寄存器来控制。语音处理电路如图3.5所示。

图3.5 语音处理电路

3.3 音频放大电路的设计
LM386是美国公司生产的音频功率放大器,是一种音频集成功放,内部是一个三级放大电路,第一级是差分放大电路,第二级是共射放大电路,第三级中的PNP型管与NPN型管构成准互补输出级。LM386一般适用于低电压的产品中,例如像录音机和收音机之中。LM386的封装形式主要有贴片式和塑封8引线双列直插式。LM386还具有总谐波失真小、电源电压范围大、外围元件少和自身功耗低等优点。为了达到其外接元件最少的目的,通常电压增益内置为20,电压增益可调范围在20-200之间,如果外接一个电容和电阻于1脚和8脚之间就可以将电压增益调至最大的200。LM386的静态功耗很低,可以用电池供电。LM386原理图如图3.6所示。

图3.6 LM386原理图
本设计中模拟语音信号经过ISD4004语音芯片处理后输出的语音信号十分微弱,微弱到无法直接驱动扬声器，为了能够正常驱动扬声器,所以要加一个LM386音频功率放大器在语音芯片和扬声器之间。该音频放大电路就是以LM386功率放大器为核心再配合一些电阻电容构成的,将语音芯片输出的信号进行多级放大然后驱动扬声器发声,这种功放电路的优点就是噪音比较小,放大效果比较好。音频放大电路如图3.7所示。

图3.7音频放大电路
3.4 键盘电路的设计
本数码录音与播放系统由于一些因素的限制只设计了一些相对简单的功能,所以键盘的按键也比较简单,只有录音按键(S1)和放音按键(S2),打开开关电源后按下S1即可录音,再次按下S1结束录音,接着按下S2则播放刚才的录音。该设计采用的是独立式键盘，独立式键盘最大的优点是电路简单,不需要编码,容易识别和操作,但是这种独立式键盘也有它的缺点,主要是因为占用的资源较多,不过由于本设计的键盘很简单,按键很少,就可以忽略这个问题了。键盘电路如图3.8所示。

图3.8 键盘电路

4 系统软件设计

4.1 程序的流程图设计

图4.1 程序流程图
首先系统进行初始化,然后扫描键盘,系统通过扫描键盘会识别出是否有键按下并区别出是录音键还是放音键,根据按下的录放音键单片机出发出相应的录放执行信号,ISD4004语音芯片接收到指令信号后执行相应的操作,如果中途不停止录音或放音,当录放音超过16分钟则系统自动停止录放音。程序流程图如图4.1所示。
4.2主程序
#include <reg52.h>
sbit isd4004_mosi=P2^1;//master out slave in ,isd4004串行数据输入端
sbit isd4004_sclk=P2^3;//ISD的时钟输入端
sbit isd4004_cs=P2^2;//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
sbit isd4004_int=P2^0;//ISD4004溢出，当为0时为溢出
sbit record_key=P1^2;//定义控制录音的按键
sbit play_key=P1^3;//定义控制放音的按键
void delay_50us(unsigned int t);//延时50*T微妙函数的声明
void delay_3us();//3US的延时程序
void send_isd4004(unsigned char value);//向ISD4004发送数据
void isd4004_stopmode();//向SID4004发送0X30，让ISD4004停止工作
void isd4004_powerdown();//向ISD4004发送0X10,使ISD4004发送数
void isd4004_powerup();//向ISD4004发送0X20,使ISD4004上电
void isd4004_record();//操作ISD4004录音
void isd4004_play();//放音
void record_deal();//录音处理
void play_deal();//放音音处理
unsigned char flag1=0,flag2=0,flag3=0,flag4=0;//

//**************主程序******************//
void main()
{
P2=0XFF;
while(1)
{
play_deal();
record_deal();
}
}
//**********************************************************************
//子程序名：void play_deal()
//功能：放音音处理
//入口：
//影响资源:
void play_deal()
{
isd4004_int=1;
if(isd4004_int==1)
{
play_key=1;
if(play_key==0)
{
switch (flag2)
{
case 0:
isd4004_play();
flag1=0;
break;

}
}
}
while(play_key==0);
}

//**********************************************************************
//子程序名：void record_deal()
//功能：录音处理
//入口：
//影响资源:
void record_deal()
{
isd4004_int=1;//判断ISD4004是否溢出
if(isd4004_int==1)//溢出后不能在录音
{
record_key=1;
if(record_key==0)
{
switch (flag4)
{
case 0:
isd4004_record();
flag3=0;
break;
}
}
}
else
{
if(flag3==0)
{
isd4004_powerdown();
flag3=1;
}
}
while(record_key==0);//等待按键释放
}
//***************************************************************************
//子程序名：void isd4004_play()
//功能：放音
//入口：
//影响资源:
void isd4004_play()
{
isd4004_powerup();//发送上电命令
delay_50us(600);//上电后延时大于25毫秒
isd4004_cs=0;
send_isd4004(0xa0);//发送放音地址的低8位
send_isd4004(0x00);//发送放音地址的高8位
send_isd4004(0xe0);//发送SET PLAY指令，指令形式：11100XXX
delay_3us();
isd4004_cs=1;
delay_3us();
isd4004_cs=0;
send_isd4004(0xf0);//送PLAY指令，形式：11110XXX
isd4004_cs=1;
}
//***************************************************************************
//子程序名：void isd4004_record()
//功能：操作ISD4004录音
//入口：
//影响资源: a
void isd4004_record()
{
isd4004_powerup();//调用ISD4004上电程序
delay_50us(600);//上电后延时至少25毫秒
isd4004_cs=0;
send_isd4004(0xa0);//发送录音地址的低8位，录音地址范围：00A0-0A15
send_isd4004(0x00);//发送录音地址的高8位
send_isd4004(0xa0);//发送SET REC指令，10100XXX
isd4004_cs=1;
delay_3us();
isd4004_cs=0;
send_isd4004(0xb0);//发送REC指令 10110XXX
isd4004_cs=1;
}
//***************************************************************************
//子程序名：void isd4004_powerup()
//功能：向ISD4004发送0X20,使ISD4004上电
//入口：
//影响资源：A
void isd4004_powerup()
{
isd4004_cs=0;
send_isd4004(0x20);
isd4004_cs=1;
}
//***************************************************************************
//子程序名：void isd4004_powerdown()
//功能：向ISD4004发送0X10,使ISD4004发送数据
//入口：
//影响资源：A
void isd4004_powerdown()
{
isd4004_cs=0;
delay_3us();
send_isd4004(0x10);
isd4004_cs=1;
}
//**************************************************************************
//子程序名称：void isd4004_stopmode()
//功能：向SID4004发送0X30，让ISD4004停止工作
void isd4004_stopmode()
{
isd4004_cs=0;
delay_3us();
send_isd4004(0x30);
isd4004_cs=1;
}
/***************************************************************************
;子程序名：void send_isd4004(unsigned char date):
;功能：向ISD4004发送数据
;入口：A
;影响资源：R7*/
void send_isd4004(unsign