基于单片机的语音存储及回放系统最终

共25页第1页基于单片机的语音存储及回放系统摘要随着科技的不断发展，人们对语音的存储系统也有了更高的要求，从最初的磁盘（唱片），到流行一时的磁带、CD等等。但是这些语音的存储系统都有一定的缺陷，不是存储形式过时，就是不容易将语音存入。因此，我们需要用新的理念设计一个语音的存储及回放系统。本设计采用了MCS-51单片机，利用A/D、D/A转换将声音信号（模拟量）转成数字信号（数字量）存储起来并实现随时回放功能。关键字：MSC-51单片机、A/D转换、D/A转换、声音信号、数字信号一、总体设计方案介绍1.1语音编码方案：人耳能听到的声音是一种频率范围为20Hz～20000Hz,而一般语音频率最高为3400Hz。语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”,采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，由于语音信号频率为300～3400Hz,所以把语音采集的采样频率定为8kHz。从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有VQ技术及一些变换编码和神经网络技术，但是算法复杂，目前的单片机速度底，难以实现。结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。（1）短时平均跨零记数法该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。共25页第2页（2）实时副值采样法采样过程如图2.1所示。图2.1采样过程具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压1：4.5，既有调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。1.2A/D、D/A及存储芯片的选择单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样直经D/A接口处理,便可使原音重现。（1）A/D转换芯片的选择根据题目要求采样频率fs=8KHZ，字长=8位，可选择转换时间不超过125µs的八位A/D转换芯片。目前常用的A/D转换实现的方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片AD574。该芯片是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换。（2）D/A转换芯片的选择D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1μs的转换速率，足够满足题目的要求，故我们在此选用了通用D/A转换器DAC0832。（3）数据存储器的选择当采样频率ƒs=8KHZ，字长为8位时，一秒钟的语音需要8K字节的存储空间，则存储器至少需要有80k容量。在这里我们选用闪速存储器AT29C040作为存储器，一片该芯片可存储60秒钟的语言。（4）主控芯片的选择本设计采用AT89C51芯片，如图2-1-1抽样量化存储共25页第3页图2-1-189C51有40个引脚，4个8位并行输入/输出（I/O）端口：P0、P1、P2、P3，其中，P1是完整的8位准双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。此外，89C51的时钟频率可为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作。1.3系统总体结构数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。共25页第4页整个系统框架图如图3.1所示：图3.1整体框图系统组成如图所示,由输入通道、AT89C51单片机和输出通道三部分组成。输入通道部分由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成[9]。拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将带通滤波器设计为典型的300Hz~3.4kHz,输出级带通滤波器亦为300Hz~3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为6.8kHZ，考虑到留有一定的余地，这样就足够保证语音质量。经量化后，微处理器将数据存到处理器，需要时再将其回放，存入与放出由开关通过微处理器来控制实现。存储器的容量选择视所存语音信号的时间长短而定。为了使A/D的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电路，同时也使音量稳定。您在网购吗？您为在繁多的产品中挑选自己合意的商品感到疲倦吗？将您的购物意向发送至[e-mail]，我们为您量身打造符合您网购意向的网购推广单页，帮助您选择优质店铺和好评商品。A/D转换电路带通滤波器D/A转换电路带通滤波器输出放大器耳机电源电路89C51单片机键盘设定存储器数据显示增益放大器拾音器共25页第5页二、硬件电路设计2.1拾音器拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用[10]。它的种类很多，按其特点和频率等，将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。单纯的磁性拾音器工作的电学原理为当声音在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时，线圈内感应出电信号并流出。感应电流的强弱取决于切割磁感线的多寡（振幅）、切割频率（震动频率）和磁感线自身的强弱。拾音器包括拾音头（换能装置、唱针）和音臂等附件。其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等[11]。电磁式拾音头，用电磁感应原理，将机械振动变换成电信号的幅度响应拾音头。主要由线圈和磁钢等组成。唱针耦合在线圈上的称动圈式，耦合在磁钢上的称动磁式。此外，也有将唱针耦合在衔铁上的称为动铁式，也称可变磁阻式。在本设计中决定采用动圈式拾音器2.2放大器的设计（1）增益放大器拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25Mv此电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路[12]。为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,采用两极高输入阻抗的同向放大器,电路图如图所示,每级放大器的放大倍数按下式计算:错误!未找到引用源。共25页第6页32618574NE553432618574NE5534POT1POT2R2R1R3R4R5C?1.0uFE1C1C2E2.2uFM+15+15-15-15OUT图4.1增益放大器（2）输出放大器经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度为0～5V，足以用耳机来接收听，可不接任何放大器。但考虑到实际中经常回用到喇叭外放，故在本系统中增加外放功能，前端放大器采用通用型音频功率放大器LM386来完成[13]。电路如图4.1。该电路增益为50～200，连续可调，最大不失真功率为325mW。输出端接C4、R9串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自激．脚7接220uF去偶电容，以消除低频自激．为便于该功放在高增益情况下工作，这里将不使用输入端脚2对地短路．图4.2输出放大器共25页第7页2.3有源带通滤波器设计滤波器是一种能使有用频率信号通过同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的电子装置。工程上常用它来作信号处理、数据传输和抑制干扰等。这里主要讨论模拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又底，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以作的很高，这是它的不足之处。对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻和衰减的信号频率范围定义为阻带，理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线形的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（|A（jω）|=0）。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。通常用幅频响应来表征一个滤波器的特征，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和延时响应亦须考虑。当相位响应ψ（ω）作线性变化，即时延响应，为常数时，输出信号才可能避免失真。图4.3这里|A（jω）|为传递函数的模，ψ（ω）为其相位角。延时向量：声音信号经动圈拾音器转有源滤波器换成电压信号，通过前级放大，在对其进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz~3.4KHz.其作用是：共25页第8页1.保证300～3400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；2.滤除带外的低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影响，该下限频率可下延到270Hz左右；3.便于滤除带外的高次谐波，以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真，根据实际情况，该上限频率可在2700Hz左右，带通滤波器按品质因数Q的大小为窄带滤波器（Ｑ＞10）和带通滤波器（Ｑ＜10两种，本题中，上限频率fh=3400Hz,通带滤波器中心频率f0与品质因数Ｑ分别为显然，Q＜10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器．带宽带通滤波器由高通和低通滤波器级联构成，鉴于Butterworth滤波器带内平坦的响应特性，我们选用二阶Butterworth带通滤波器，电路如图4.3所示．实验证明，该滤波器能有效的滤除低频分量，大大减少噪声干扰，与之同时也绿除了多余的高频分量，消除了高频失真，性能足以满足要求。图4.4带通滤波器2.4可调稳压电源的设计这里介绍的稳压电源，采用三端可调稳压集成电路LM317，外围电路十简单，便于制作。该稳压电源，电压可调范围1.5~25V,最大负载电流1.5A[16]。电路如图4.4所示：220V交流电经变压器T降压,得到24V交流电,再经VD1~VD4组成的全桥整流,由C1滤波后得到33V左右的直流电压[17]。该电压经集成电路LM317后得稳压输出,调节电位器RP,即可连续调节输出电压。图中C2用以消除寄生振荡,C3的作用是抑制纹波,C4是用以改善稳压电源的的暂态响共25页第9页应,VD6、VD7在输出端电容漏电或调整端短路时起保护作用。VD5为本电源的工作指示灯，电阻R1是限流电阻。输出端接微型电压表PV，可以直观的指示输出电压值。各元件具体参数如图所标。图4.5可调直流稳压电源2.5D/A、A/D转换器2.5.1D/A转换器DAC0832的介绍1、D/A转换器DAC0832的主要性能指标分辨率通常将输入数字量的最低有效位LSB变化1时所引起的输入电