基於AT89S52單片機和ISD4004語音晶片實現語音播報記事器的設計

基於AT89S52單片機和ISD4004語音晶片實現語音播報記事器的設計

張裕,劉毅敏,方康 發表於 2020-12-15 17:57:16

引 言

隨著數字電子技術的發展和單片機等微控制器的產生，語音的存儲與自動播放變得易於實現。目前語音存儲與自動播放系統已經廣泛應用於日常生活當中。公共汽車上的語音報站器、銀行和醫院的排隊等候系統等，都是語音存儲與自動播報系統的應用。本文介紹一種以語音存儲與自動播放系統為基礎的語音播報記事器設計。該設計以ISD4004：語音晶片和AT89S52單片機為中心，很好地實現了語音存儲與自動播放。

1 硬體設計原理

語音播報記事器的主要功能是實現語音存儲與定時播放。要實現語音存儲與定時播放的方法很多，可供選擇的器件也很多。由於單片機等微控制器的出現和數字電路技術的發展，使得現在的語音存儲與自動播放變得易於實現。本設計採用單片機作為微控制器。單片機的字長由4位、8位、16位發展到32位。目前這幾種字長的單片機同時存在於市場，用戶可以根據不同的需要進行選擇。本系統選用字長為8位的AT89S52單片機作為控制器。

目前可以與單片機配合使用的語音晶片有很多，其中不乏性能十分優越的語音晶片，美國ISD公司生產的ISD4004語音晶片就是它們中的一員。ISD4004晶片採用CMOS技術，內含振蕩器、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。晶片採用多電平直接模擬量存儲技術，每個採樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音。

ISD4004系列單片錄放時間為8～16 min，採樣頻率可為4．0／5．3／*／8．0 kHz，頻率越低，錄放時間越長，而音質則有所下降。晶片設計基於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。由於ISD4004的眾多優點，本設計就採用它作為錄放音器件。

系統外接時鐘晶片PCF8563、矩陣鍵盤LED顯示和E2PROM AT24C01。錄音時為了改善語音質量，要提高輸入端的信噪比，因此在系統的輸入端採用三極體（9014）放大電路單端輸入，系統的輸出端經音頻功率放大器LM386放大輸出後驅動揚聲器。整個系統的系統框圖如圖1所示。

2 硬體設計

2．1 語音輸入與輸出電路設計

語音信號經過駐極體話筒轉化為的電信號很微弱，在送入語音晶片之前需要經過放大。這樣做的目的是為了提高信號的信噪比，以達到更好的抑制噪聲的目的。由於聲電轉換器件使用的是駐極體話筒，所以後級放大電路使用三極體作為放大器件即可滿足要求。本設計中從語音晶片輸出的語音信號很微弱，不能直接驅動揚聲器，所以要在語音晶片和揚聲器之間加上一個功率放大電路。功率放大電路使用美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器LM386並配合少許電容電阻構成。該功放電路的放大效果良好，噪音小，可以滿足本設計的要求。

2．2 顯示電路設計

本設計的顯示部分使用LED數碼管。為了提高LED顯示的亮度，在本設計中，將a，b，c，d，e，f，g引腳分別串聯300 Ω的電阻後接5 V電壓即可。本設計採用軟體查表方式輸出。當系統沒有錄放音時，需要顯示年、月、日、時、分、秒、星期等信息；當系統有錄放音時，需要顯示與錄放音有關的信息。這樣，整個系統一共需要15個數碼管。為了節省單片機的I／O口，顯示部分使用了74LS154，單片機與LED的接口採用動態接口。74LS154是4線16線解碼器，用於將單片機的輸出解碼後作為LED的片選信號使用。

2．3 PCF8563接口電路設計

PCF8563是飛利浦公司生產的低功耗的CMOS實時時鐘／日曆晶片，是I2C總線接口器件。設計中，PCF8563用來提供時間和日曆信息。當沒有進行錄音和放音操作時，本設計相當於一個萬年曆；當進行錄音或放音時，PCF8563用來對每段錄音或放音進行計時，所有的時間信息均通過LED數碼管顯示出來。由於PCF8563是漏極開路，所以必須要加5．1 kΩ的上拉電阻。PCF8563與AT89S52的接口電路設計如圖2所示。

2．4 ISD4004接口電路設計

本設計使用ISD4004-16M型號的語音晶片。這款語音晶片可以錄音16 min，它有一個埠為RAC端，RAC為行地址時鐘端，每個RAC周期表示ISD存儲器的操作進行了1行（ISD4004系列中的存貯器共2 400行），所以RAC端的行地址數目與語音晶片中存儲器的行數對應，即語音晶片存放的每段錄音的初始與結束地址與惟一的RAC行地址數對應。所以只需將RAC端與單片機的計數端相連，僅記錄RAC行地址數目即可實現整個錄放操作，且單片機的計數器無需中斷。根據以上的思想，設計ISD4004與單片機的接口電路如圖3所示。

3 軟體設計

本設計中的程序設計包括以下幾個部分，即鍵盤處理程序、ISD4004放音驅動程序、ISD4004錄音驅動程序、時間校正程序、錄音子程序、放音子程序、播放時間設置子程序、播放選擇程序、子程序設計。圖4為主程序流程圖。

4 系統測試

系統上電後15個數碼管全亮大概3 s，以此檢測數碼管的好壞。之後數碼管會出現年、月、日、星期、時、分、秒等信息。當按下錄音鍵後，系統開始錄音。錄音時，數碼管會顯示「SAVE」字樣，並會顯示該段錄音的時間信息；當確定鍵按下後，該語音段的錄音結束，數碼管重新顯示時間信息。當按下放音鍵時，系統開始放音，這時數碼管會顯示「PLAY」字樣，並會顯示該段錄音的時間信息。放音結束後數碼管會回到時間顯示界面。當按下時間校正鍵後，便可以對時間進行校正；當按下確定鍵後，時間校正結束。本系統可以錄音15 min，可以錄4段錄音。當按下播放設置鍵後，就可以對每段錄音的播放時間進行設置；當按下播放選擇鍵後，就可以播放4段錄音中的任意一段。

本系統在播放錄音時會有少量的噪音，可能由以下原因造成：

（1）整個系統完全是手工焊制，線路之間存在幹擾；

（2）ISD4004的數字地與模擬地沒有分別走線，全部接到了一起，存在幹擾；

（3）語音輸入放大電路的放大倍數不夠，噪聲沒有得到足夠的抑制。

整個系統的設計合理，外圍電路結構簡單，方便調試；單片機餘留有I／O口，方便系統的升級和擴展；單片機的所有程序均使用C-51進行編寫，方便調試和閱讀。整個系統工作穩定，操作方便。本設計的設計原理完全可以用在公共汽車上，作為語音報站器使用，也可以用在銀行和醫院等一些需要自動播報語音信息的公共場所。在本設計的基礎上稍加擴充，就可以滿足實際應用的需要。

責任編輯：gt

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