基于51單片機的語音采集系統(tǒng)設(shè)計（錄音筆選擇方案）

功能：

基于51單片機的語音實時采集系統(tǒng)
系統(tǒng)由STC89C52單片機+ISD4004錄音芯片+LM386功放模塊+小喇叭+LCD1602+按鍵+指示燈+電源構(gòu)成
具體實現(xiàn)功能：
（1）可通過按鍵隨時選擇相應(yīng)的錄音進行播放；
（2）可以通過按鍵隨時錄音，可以錄制4段聲音，并可以按鍵控制播放和暫停，最長可以錄制8分鐘；
（3）播放的音量可以通過調(diào)節(jié)電位器改變。

第1章前言

1.1 研究意義

數(shù)碼錄音筆對于我們現(xiàn)如今的人們己經(jīng)是再熟悉不過的產(chǎn)品了，它己經(jīng)應(yīng)用在了很多地方，其中主體部分應(yīng)該是記者了。正是基于錄音筆能夠錄音的特點，在你無法憑借記憶記住重要談話，或者重要會議的重要內(nèi)容的時候，它便體現(xiàn)除了它的優(yōu)勢，清晰完整無誤的記錄下你要記錄的東西，而你能夠拿出更多的時間來處理其他事情。除此之外錄音筆小巧易于攜帶，存儲內(nèi)容量大，基于這些優(yōu)點，越來越得到人們的青睞。

現(xiàn)在所說的錄音筆指的數(shù)碼錄音筆，也稱為數(shù)碼錄音棒或數(shù)碼錄音機，數(shù)字錄音器的一種，為了便于操作和提升錄音質(zhì)量造型并非以單純的筆型為主，攜帶方便，同時擁有多種功能。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的對比

就聲音錄制而言，雖然專業(yè)的數(shù)碼錄音筆不論在錄音長度上還是品質(zhì)上，都擁有絕對的優(yōu)勢，但隨著多功能MP3, MP4, PDA甚至是智能手機的普及，錄音逐漸成為了隨身數(shù)碼設(shè)備中的一項附屬功能。盡管不少缺乏技術(shù)的國內(nèi)小廠都相繼退出了數(shù)碼錄音筆市場，但以三星為代表的世界級數(shù)碼巨頭并沒有宣言放棄，反而借助新的技術(shù)和設(shè)計，給這個看似一潭死水的市場注入了新的活力。

首先錄音作為任何一款錄音筆都是必不可少的基本功能，所以好的音質(zhì)便成為了錄音筆未來發(fā)展方向之一。隨著閃存技術(shù)的長足進步，存儲容量已經(jīng)不再是數(shù)碼錄音筆的發(fā)展瓶頸，相反，過大的容量還會顯得有些雞肋。于是，精明的商家開始重新恢復(fù)音質(zhì)的魅力，并令其成為數(shù)碼錄音筆發(fā)展的一大方向。三星則在此基礎(chǔ)上將其在家庭影院中的王牌3D音效技術(shù)DNSe運用到數(shù)碼錄音筆產(chǎn)品當中，這種音效增強技術(shù)與單純地擴大頻率范圍完全不同，也就是說，即使用較小的頻率范圍實現(xiàn)長時間錄音，也能獲得優(yōu)化后的錄制效果。DNSe是三星耗時六年開發(fā)的虛擬音效技術(shù)，并主要用于家庭影院和高端MP3產(chǎn)品上，它能夠通過聲音數(shù)字信號的處理，創(chuàng)造出更為逼真的臨場感，聽者能夠明顯感覺到聲音從四面八方傳來，并且范圍更遠，聲音更純凈。搭載了DNSe音效的三星YV-150，不僅在錄音上擁有了得天獨厚的優(yōu)勢，還因此獲得了媲美專業(yè)MP3的音樂播放能力。值得注意的是，作為數(shù)碼音樂領(lǐng)域的翹楚，三星的新一代DNSe 2.0音效技術(shù)已經(jīng)開始在13等新品上登場。并且，種種跡象表明三星正在試圖通過音效升級，來創(chuàng)造獨特的市場競爭力，數(shù)碼錄音筆的音質(zhì)全面提升或許僅是時間問題。

其次，僅僅擁有好的音質(zhì)是不夠的。未來的錄音筆應(yīng)該具有更強大的功能。

專業(yè)數(shù)碼錄音筆之所以專業(yè)，還在于它在功能上更加貼近商務(wù)人士的需求。錄音筆錄制出來的文件要使用于其他數(shù)碼設(shè)備，那么保存為MP3格式是最方便的，電腦、手機、MP3都能輕松播放三星YV-150可以直接把錄音存為MP3文件，很大程度上方便了用戶使用。另外，對于經(jīng)常出差的商旅人士，三星YV-150非常值得推薦，其專業(yè)級的音效增強芯片會給音樂播放帶來震撼的感受，讓你在工作之余也能娛樂休閑。

隨著視聽家電產(chǎn)品的不斷豐富，已經(jīng)有越來越多微小型產(chǎn)品走入人們的日常生活，他們最突出的優(yōu)點是體積小，而且重量輕，給人們帶來了方便。作為一種簡單的獲取和記錄數(shù)字化文件的工具，錄音筆風靡市場，成為學生記者、商務(wù)人士購置錄音設(shè)備的首選。不僅在校園里取代了復(fù)讀機，也成為時間緊張在職人員的掌上新寵。

1.3 主要研究內(nèi)容

語言在人類發(fā)展史中起到了至關(guān)重要的作用，它的作用并不亞于直立行走和工具的使用，怎樣能把人類的語言絲毫不差地記錄下來也是人們一直思考的問題。隨著人類社會的不斷進步，隨著數(shù)字化信號處理技術(shù)的不斷提高，語音處理大規(guī)模集成電路的進步，語音合成，語音識別，語音存儲和回放技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，其自動化程度越來越高，使用范圍越來越廣，前景十分喜人。并且，錄放系統(tǒng)還具有電路簡明、應(yīng)用方便、單片錄放、不怕掉電、音色純正、性價比高等特性。

所以本次設(shè)計就利用單片機和語音芯片來實現(xiàn)一個錄音筆系統(tǒng)。對于錄音筆的最基本的要求便是可以錄音、播放，重復(fù)錄音以及播放要求。STC89C52該款單片機資源豐富，再加上與isd4004語音芯片的結(jié)合來實現(xiàn)語音的存儲與回放，通過單片機的控制可以實現(xiàn)語音的多錄多放的功能。

第2章設(shè)計方案及元器件的介紹

2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

多功能錄音筆的主要功能是實現(xiàn)語音存儲與定時播放。要實現(xiàn)語音存儲與定時播放的方法很多，可供選擇的器件也很多。由于單片機等微控制器的出現(xiàn)和數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)在的語音存儲與自動播放變得易于實現(xiàn)。本設(shè)計采用單片機作為微控制器。選用字長為8位的STC89C52單片機作為控制器。

目前可以與單片機配合使用的語音芯片有很多，其中不乏性能十分優(yōu)越的語音芯片，美國ISD公司生產(chǎn)的ISD40O4語音芯片就是它們中的一員。ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。引腳包括電源、時鐘、語音信號模擬輸入／輸出端、與MCU接口(SPI接口)幾部分。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音。

ISD4004系列單片錄放時間為8～16 min，采樣頻率可為4．0／5．3／6．4／8．0 kHz，頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降。芯片設(shè)計基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI或Mi—crowire)送入。由于ISD4004的眾多優(yōu)點，本設(shè)計就采用它作為錄放音器件。系統(tǒng)外接時鐘芯片DS1302、中斷鍵盤LCD1602顯示和E2PROM AT24CO2。錄音時為了改善語音質(zhì)量，要提高輸入端的信噪比，因此在系統(tǒng)的輸入端采用三極管(9011)放大電路單端輸入，系統(tǒng)的輸出端經(jīng)音頻功率放大器LM386放大輸出后驅(qū)動揚聲器。

如果錄音筆只作為錄音放音顯得功能單一，為此加入了時間功能。如采用單片機內(nèi)部定時器來作為時間的話，時間不夠準確，卻比較浪費單片機資源。為此選擇了DS1302做為時鐘芯片。該芯片是美國DALLAS公司推出的一卷低功耗、高性價的實時時鐘芯片，價格低廉、電路接口簡單、使用方便，含有主電源/后備電源雙電源引腳，并提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，可提供秒、分、時、日、星期、月和年、一個月小31天時自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。

時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當前的時間。忘記了要做的事情，當事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一旦重要事情，一時的耽誤可能釀成大禍。鬧鐘在一定程度上能解決這些問題。既然能錄音了，該設(shè)計就在此基礎(chǔ)上增加了自錄語音信息,提示該做的事，人難免有些時候鬧鐘響了卻忘記自己該做什么事了。

語音芯片是該設(shè)計中的核心，對于設(shè)計十分重要。目前可以與單片機配合使用的語音芯片有很多，其中不乏性能十分優(yōu)越的語音芯片，美國ISD公司生產(chǎn)的ISD4004語音芯片就是它們中的一員。ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。引腳包括電源、時鐘、語音信號模擬輸入/輸出端、與MCU接口(SPI接口)幾部分。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音。

該設(shè)計中為了使用戶使用更加方便，每段錄音的長短以及錄音時間都會顯示給用戶。但是難免不會有電池掉電的可能性，尤其是掉電之后，語音鬧鐘時間也會丟失。為此在該設(shè)計中加入了EEPROM，在掉電之后，存儲的這些鬧鐘數(shù)據(jù)、錄音時間等數(shù)據(jù)也不會丟失。在考慮存儲數(shù)據(jù)量的大小以及性價比之后，選擇了AT24C02這款芯片。該芯片有2k位存儲空間，足以應(yīng)付該設(shè)計中的數(shù)據(jù)量。芯片接口方便，體積小，在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應(yīng)用。AT24C02是個不錯的選擇。

該系統(tǒng)是通過控制核心單片機來控制各個模塊的工作。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如：圖2-1：

圖2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.2主要器件的介紹

2.2.1ISD4004

ISD4004語音芯片與普通的錄音/重放芯片相比, ISD4004具有如下優(yōu)點: 首先是記錄聲音沒有段長度限制, 并且聲音記錄不需要A/D 轉(zhuǎn)換和壓縮。其次, 快速閃存作為存儲介質(zhì), 無需電源可保存數(shù)據(jù)長達100年,重復(fù)記錄100000次以上。此外ISD4004具有記錄時間長(可達16 分鐘, 本論文采用的為8 分鐘的ISD4004語音芯片)的優(yōu)點。最后ISD4004開發(fā)應(yīng)用具有所需外圍電路簡單的優(yōu)點?；贗SD4004以上的優(yōu)點，這也是我這次論文選擇該語音芯片的原因。

ISD4004芯片有如下特點：

1.單片8 至16 分鐘語音錄放

2.內(nèi)置微控制器串行通信接口

3.3V單電源工作

4.多段信息處理

5.工作電流25-30mA,維持電流1μA

6.不耗電信息保存100 年(典型值)

7.高質(zhì)量、自然的語音還原技術(shù)

8.10 萬次錄音周期(典型值)

9.自動靜噪功能

10.片內(nèi)免調(diào)整時鐘,可選用外部時鐘

電源(VCCA,VCCD)：為使噪聲最小,芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線,并且分別引到外封裝的不同管腳上,模擬和數(shù)字電源端最好分別走線,盡可能在靠近供電端處相連,而去耦電容應(yīng)盡量靠近器件。

地線(VSSA,VSSD)：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線。

同相模擬輸入(ANA IN+)：這是錄音信號的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動。單端輸入時,信號由耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值32mV,耦合電容和本端的3KΩ電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅(qū)動時,信號最大幅度為峰峰值16mV，為ISD33000 系列相同。

反相模擬輸入(ANA IN-) ：差分驅(qū)動時,這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值16mV

音頻輸出(AUD OUT) ：提供音頻輸出,可驅(qū)動5KΩ的負載。

片選(SS) ：此端為低,即向該ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。

串行輸入(MOSI)：此端為串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端,供ISD 輸入。

串行輸出(MISO)： ISD 的串行輸出端。ISD 未選中時,本端呈高阻態(tài)。

串行時鐘(SCLK)： ISD 的時鐘輸入端,由主控制器產(chǎn)生,用于同步MOSI 和MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在SCLK上升沿鎖存到ISD,在下降沿移出ISD。

中斷(/INT)：本端為漏極開路輸出。ISD 在任何操作(包括快進)中檢測到EOM 或OVF 時,本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI 周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用RINT 指令讀取。OVF 標志----指示ISD的錄、放操作已到達存儲器的未尾。EOM 標志----只在放音中檢測到內(nèi)部的EOM 標志時,此狀態(tài)位才置1。

行地址時鐘(RAC)：漏極開路輸出。每個RAC 周期表示ISD 存儲器的操作進行了一行(ISD4004 系列中的存貯器共2400 行)。該信號175ms 保持高電平,低電平為25ms?？爝M模式下,RAC 的218.75μs 是高平,31.25μs 為低電平。該端可用于存儲管理技術(shù)。

外部時鐘(XCLK)：本端內(nèi)部有下拉元件。芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校,誤差在 +1%內(nèi)。商業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內(nèi), 頻率變化在+2.25%內(nèi)。此時鐘已經(jīng)比較精準，所以一般不采用外接時鐘。在不外接地時鐘時,此端必須接地。

自動靜噪(AMCAP)：當錄音信號電平下降到內(nèi)部設(shè)定的某一閾值以下時,自動靜噪功能使信號衰弱,這樣有助于養(yǎng)活無信號(靜音)時的噪聲。通常本端對地接1mF 的電容,構(gòu)成內(nèi)部信號電平峰值檢測電路的一部分。檢出的峰值電平與內(nèi)部設(shè)定的閾值作比較,決定自動靜噪功能的翻轉(zhuǎn)點。大信號時,自動靜噪電路不衰減,靜音時衰減6dB。1mF 的電容也影響自動靜噪電路對信號幅度的響應(yīng)速度。本端接VCCA 則禁止自動靜噪。

ISD4004 工作于SPI 串行接口。SPI 協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,協(xié)議假定微控制器的SPI 移位寄存器在SCLK 的下降沿動作,因此對ISD4004 而言,在時鐘止升沿鎖存MOSI 引腳的數(shù)據(jù),在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO 引腳。協(xié)議的具體內(nèi)容為：

1. SS 在傳輸期間必須保持為低電平,在兩條指令之間則保持為高電平。
2. 數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入,在下降沿移出。
3. 4.SS 變低,輸入指令和地址后,ISD 才能開始錄放操作。
4. 指令格式是(8 位控制碼)加(16 位地址碼)。
5. ISD 的任何操作(含快進)如果遇到EOM 或OVF,則產(chǎn)生一個中斷,該中斷狀態(tài)在下一個SPI 周期開始時被清除。
6. 使用"讀"指令使中斷狀態(tài)位移出ISD 的MISO 引腳時,控制及地址數(shù)據(jù)也應(yīng)同步從MOSI 端移入。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當前進行的操作兼容。當然,也允許在一個SPI 周期里,同時執(zhí)行讀狀態(tài)和開始新的操作
7. 所有操作在運行位(RUN)置1 時開始,置0 時結(jié)束。
8. 所有指令都在SS 端上升沿開始執(zhí)行。

該芯片的上電順序：器件延時TPUD后才能開始操作。因此,用戶發(fā)完上電指令后,必須等待 TPUD,才能發(fā)出一條操作指令。

例如從00 從處發(fā)音，應(yīng)遵循如下時序:

1. 發(fā)POWERUP 命令；
2. 等待TPUD(上電延時)；
3. 發(fā)地址值為00 的SETPLAY 命令；
4. 發(fā)PLAY 命令器件會從此00 地址開始放音,當出現(xiàn)EOM 時,立即中斷，停止放音。

如果從00處錄音，則按以下時序:

1. 發(fā)POWERUP命令；
2. 等待TPUD(上電延時)；
3. 發(fā)POWERUP命令
4. 等待2倍TPUD；
5. 發(fā)地址值為00的SETREC命令；
6. 發(fā)REC命令，器件便從00地址開始錄音,一直到出現(xiàn)OVF(存貯器末尾)時,錄音停止。

7. 第3章硬件設(shè)計

   3.1 系統(tǒng)整體工作原理

   系統(tǒng)主要有七個部分，語音模塊部分、蜂鳴器部分、控制處理部分、數(shù)據(jù)存儲部分部分、中斷按鍵部分、顯示部分和實時時鐘部分，如：圖3-1：

   

   圖3-1 系統(tǒng)工作原理圖

   3.2 語音信號輸入電路

   該部分的主要元件是駐極體話筒，在電路的選擇上主要有兩種方案，如圖。

8. 方案一：如下圖3-2所示。
9. 方案二：如下圖3-3所示。
10. 圖3-3? mic電路接法二3、方案比較：語音信號經(jīng)過駐極體話筒轉(zhuǎn)化為的電信號很微弱，在送入語音芯片之前如果經(jīng)過放大可以提高信號的信噪比，以達到更好的抑制噪聲的目的。方法二中使用三極管對駐極體話筒產(chǎn)生的信號進行放大能達到此效果，所以該設(shè)計中采用方法二中電路。
    

    3.3LM386音頻功放電路

    本設(shè)計中從語音芯片輸出的語音信號很微弱，不能直接驅(qū)動揚聲器，所以要在語音芯片和揚聲器之間加上一個功率放大電路。