本科生毕业设计（申请学士学位）论文题目基于单片机的语音存储与回放系统设计作者姓名所学专业名称电子信息工程指导教师2017年 5 月学生：（签字）学号：答辩日期：2017 年 5 月20 日指导教师：（签字）目录摘要 (5)1绪论 (6)1.1课题研究背景 (6)1.2课题研究的发展前景 (6)1.3课题研究的意义及目的 (6)2 语音系统的设计方案 (7)2.1方案设计 (7)2.2方案分析和选择 (8)3 材料选取 (8)3.1 控制芯片STC90C516RD+ (8)3.2 语音芯片ISD4004 (9)3.3功放芯片TDA2822M (11)4 电路设计 (11)4.1时钟电路 (11)4.2复位电路 (12)4.3显示电路 (12)4.4 3.3V电源电路 (13)4.5按键模块 (13)4.6 ISD4004音频处理模块 (14)4.7 TDA2822M功放电路 (14)4.8总电路设计图 (15)5 程序设计 (16)5.1主程序流程图 (16)5.2录音程序流程图 (17)5.3放音序流程图 (17)6实物调试 (17)6.1程序编译和下载 (17)6.2 实物调试最终结果展示 (19)6.3 实物调试过程及故障解决方法 (19)结论 (21)参考文献 (21)附录 (22)附录1元件清单 (22)附录2程序 (23)致谢 (33)基于单片机的语音存储与回放系统设计摘要：本设计是基于单片设计的一个能实现语音存储和回放功能的系统，利用宏晶公司生产的STC90系列单片机作为主控制器，使用具有录音和放音功能的ISD4004语音芯片，能够显示32个字符的LCD1602显示器件和能对音频进行无失真的放大的TDA2822M差分放大器设计而成的。
首先我们利用STC90C516RD+单片机的优越的控制性能来控制ISD4004语音芯片，通过单片机向语音芯片发送指令来完成ISD4004芯片的录音和放功能，用LCD1602来显示单片机对ISD4004的操作状态，使用TDA2822M将ISD4004芯片输出的音频进行无失真的放大的思路来进行语音存储和回放系统设计的，用Circuit Design Suite 10.0(Multisim)软件来绘制该系统的电路，用Keil uVision5软件来编写硬件程序。
电路图和程序都完成后使用万用洞洞板依据电路图来焊接实物电路，实物完成后载入芯片程序直接进行实物调试，使用实物调试更容易找出问题和系统设计的缺陷，出现问题时可以通过模块化思想轻松查找到故障原因，并进行修复故障。
ISD4004芯片录音时基于多电平存储技术实现的没有传统的数字录音过程中A/D转换带来的量化噪音和变色的金属音色。
该系统录取的声音播放出来后和原音的音色、音调保持一致不失真。
关键词：STC90C516RD+；Keil uVision5；ISD4004；Multisim；语音录放1绪论1.1课题研究背景语音存储与回放技术的课题研究主要分为三部分，分别是语音采集技术、语音存储技术和语音回放技术。
这三个部分缺了任意一个都无法完成这个课题。
那么问题来了，我们该如何用什么来采集语音，就算能采集到这些语音又该放在那里保存起来不会消失，就算能采集到又能保存起来那么究竟又该如何将其取出？如果不能取出，那么语音的采集和存储将不会有任何意义。
声音是一种能量体不像物质那样能够轻易的采集、存储和进行取出操作。
在古代各种技术比较落后的时代基本都是基于物质的基础上以文字和图像等形式对信息进行存储和再现的，那么在那个时代有没有关于声音存储的技术呢？仔细想想还真有，古代的八音宝盒便是其中一种，但是这不是真正意义上的语音存储与回放技术。
在近代史上从电能的利用开始，各种科技飞速的发展起来，此时语音的存储与回放技术才真正开始萌芽，并以飞越般的速度进入发展期。
1877年爱迪生发明了留声机，留声机也就是历史上最早出现的完整的语音存储与回放技术。
从此语音进入了机械录音的时代。
在这期间出现各种各样的语音存储和回放技术和产品，例如最早应用于电影的蜡盘录音技术，随着科技的发展原有的技术在各种应用场合已经无法满足要求，后来磁带和光学录音系统出现结束了机械录音的时代。
21世纪初半导体技术逐渐进入初步成熟阶段,在这个阶段大规模的集成电路技术出现，这项技术主要朝三个反向发展，分别是大规模集成放大电路、大规模集成逻辑电路和大规模集成存储电路。
这半导体集成技术使得电子产品进入了微型化时代，这也使得语音存储与回放系统的体积进一步缩小，更加便于携带，更重要的是比传统的语音设备性能更加优越价格更加低廉。
使得它迅速进入了各项领域。
1.2课题研究的发展前景虽然目前语音储存和录放技术已近很成熟了特别是语音识别、语音编码以及语音文本互换三大核心技术，但是我认为该项技术今后还有很大的发展空间，例如采用更高的速度和质量的加密方式、采用更加先进的信息技术对语音信号进行优化处理减少存储空间以及采用语音合成技术推动语音技术向语境真实化和多模式化发展。
而智能语音将是未来发展的主旋律。
1.3课题研究的意义及目的21世纪是一个各种技术相互融合相互弥补不足共促发展的大时代，例如语音录放系统与数学理论相结合智能语音识别技术、语音优化技术等，语音系统在各种机械上使用能够提高机械的操作能力和辅助学习能力。
该项技术应用在教育、商业、生活、军事、航天等各个领域，几乎随处可见。
可见语音储存和录放技术的重要性。
因此对于语音储存和录放技术的研究是很有必要。
本设计主要是基于单片设计的一个能实现语音存储和回放功能的系统。
2 语音系统的设计方案本设计基本两种设计发案，第1种方案是根据声音信号的物理性质特点来进行设计的，也是最早期的语音数字化设计思路。
第2种方案则是基于单片机控制语音芯片来完成。
以下为两个方案的具体设计思路。
2.1方案设计方案1：采用单片机、A\D转换芯片、D/A转换芯片、运放芯片、存储芯片、编码芯片和解码芯片构成。
该方案是同过受话器将声音转换成电信号，将电信号经过放大后用模数转换芯片转换成数字信号，再通过编码芯片将数字信号重新编码压缩减小数据在内存中的存储空间，STC90C51RD+单片机从编码芯片读取数据转存在外置存储芯片中，播放时STC90C51RD+单片机从外置存储芯片读取数据发送至解码芯片进行解码，然后通过数模转换芯片将数字信号转换成模拟信号再经过信号放大器放大输出还原成声音。
通过按键来控制单片机进行录音和放音操作，用显示器显示当前系统的操作状态。
图1-1 方案1原理框图方案2：采用单片机、语音芯片、运放芯片构成。
该方案是利用集成语音芯片和单片机构成的，集成语音芯片本身具有录音功能，录音数据存储以及对录音数据播放功能。
但是该芯片不能独立进行正常工作需要控制器对该芯片写入相应的指令才能执行相应的功能，因此这个方案是通过单片机控制语音芯片进行录音和回放，通过按键来控制单片机向语音芯片发送指令完成录音和放音操作，通过显示器显示当前操作状态。
图1-2方案2原理框图2.2方案分析和选择方案1原理：录音是将采集到的音频信号首先进行量化成数据，接着将该数据进行编码减少数据存储的体积然后存放在外置存储器中。
放音时将存储器里的数据读出，然后经过解码器还原成编码前的数据，再由数模转换芯片还原成模拟信号通过运放将信号放大通过音盆还原成声音。
方案2原理：利用单片机对ISD4004芯片发送指令进行控制，使ISD4004芯片完成录音，存储和放音的功能。
该芯片在录音时直接将采集到的音频信号通过电平截取的方式存储到存储器中不需要对信号进行量化操作避免了音源的失真。
对比：方案1比方案2所使用的芯片数目多、电路复杂、成本也比较高、稳定性低，综合考虑使用方案2最合适。
3 材料选取主控芯片：STC90C51RD+；音频处理芯片：ISD4004；运放：TDA2822M ；显示：LCD12063.1 控制芯片STC90C516RD+STC90C516RD+是宏晶公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS 八位微控处理制器，它具有 8K 字节系统可编程Flash 存储器。
STC90C516RD+不仅仅继承了经典的MCS-51内核，而且在原有版本的基础上做了很多的改进使得芯片具有很多传统51单片机所不具备的功能。
在单个芯片上，拥有灵巧的八位CPU 和系统在线可编程Flash ，使得STC90C516RD+为众多的嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效率的各种解决方案。
图3-1 STC90C516RD +引脚图片主要特性：本芯片具有512字节数据存储空间和8K 字节程序存储空间，内带4K 字节EEPROM 存储空间，可直接使用串口下载。
（1）工作电压：5V 单片机5.5V ～3.3V ，3V 单片机3.8V ～2.0V 。
（2）工作频率：正常工作频率0～40MHz ，相当于普通的8051～80MHz ，最大的工作频率ALE/PROG PSEN VSSRD/P3.7WR/P3.6T0/P3.4INT1/P3.3INT0/P3.2TXD/P3.1 RST P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2可48MHz。
（3）时钟/机器周期：STC90C516RD+是增强型8051单片机，有6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期模式，所以指令代码完全兼容传统8051。
（4）片上集成512 字节RAM(Random Access Memory) ，用户应用程序空间为8K字节，内带4K字节EEPROM存储空间，可以使用data flash技术进行在线数据保存防止掉电造成数据丢失。
（5）芯片具有4组通用的I/O口，其中P0口是漏极开路输出可以作为总线扩展端使用，该端口作为普通端口使用时须要加弱上拉电阻才能正常工作。
P1、P2、P3是准双向的I/O 口具有弱上拉电阻。
（6）芯片下载程序时只须通过RxD/P3.0,TxD/P3.1端口进行串行数据传输就能完成，不需要专用的编程器和仿真器进行下载程序。
该芯片内部具有EEPROM存储空间使得系统可以在线编程和应用编程。
（7）片内16位定时器/计数器一共有3个，分别是T0、T1、T2。
可以通过指令控制定时和计数功能。
（8）外部中断，触发电路下降沿或低电平中断，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
（9）串行口：通用异步串行口（UART），还可用软件控制定时器实现多个UART。
（10）工作温度范围：工业级-40～+85℃, 商业级0～75℃。
3.2 语音芯片ISD4004ISD系列芯片是美国ISD公司面对语音信息存储和处理所推出的产品。
该系列语音芯片所采用语音存储技术是多电平直接模拟存储(Chip Corder)专利技术, 音频信号不需要经过A/D转换和编码压缩，这种存储技术没有A/D转换误差，每个信号采样值直接存储在闪烁存储器中，因而能够自然地再现当时现场原本的声音、音乐等效果声。