摘 要

本课题是要求设计一个数字化语音存储和回放系统，来使得系统完成类似于录音笔的作用。其设计原理就是运用单片机来进行对语音的存储和回放的数字化控制。为了方便控制与实现各方面的要求，本系统采用了多模块的设计，以STC12C5A60S2单片机作为关键的控制器，外部扩展512k的AT24C512存储模块来满足数字语音的存储空间。同时，还具备语音输入模块、放大模块、带通滤波模块、A/D和D/A转换模块、显示模块等主要模块。语音经过拾音器后录入，再通过放大增益、滤波，经过单片机STC12C5A60S2中的A/D转换模块将声音信号转换为数字信号，而数据存储模块就是把数字化处理后的声音信号贮存起来。而语音回放就是将存储模块中的数字化语音经过D/A转换将数字信号转成模拟信号输出，再经过滤波、校正，最后通过末级放大模块将采集的信号进行回放，以检测系统整体性能。整个设计具有录音、放音、继续、停止、擦除等功能，能够储存大于20秒的语音，包含了硬件实现、调试和软件设计等流程。

关键词：单片机；数字化语音；存储；回放

Abstract

The subject is asked to design a digital voice storage and playback system, to make the system achieve similar to the function of recording pen. Its design principle is to realize the digital control of voice storage and playback by using single chip microcomputer. In order to control and realize the requirements of various aspects, the system uses a multi-module design, with STC12C5A60S2 MCU as the core controller, and the external AT24C512 storage module is extended to meet the storage space of digital voice. At the same time, it also has voice input module, amplification module, band pass filter module, A/D and D/A conversion module, display module and other core modules. The voice is recorded through the pickup, and then through the amplification and filtering, the sound signal is converted to digital signal through the A/D conversion module in the single chip microcomputer STC12C5A60S2, and the data storage module is to store the sound signal after the digital processing. The voice replay means that the digital voice in the storage module is converted into analog signal output through D/A conversion and then filtered and corrected. Finally, the collected signals are replayed through the last stage amplification module to test the overall performance of the system. The whole design has the functions of recording, making sound, continuing, stopping, erasing and so on. It can store more than 20 seconds of voice, including the process of hardware implementation, debugging and software design.

Keywords: SCM；digital voice；storage；playback

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3发展前景 2

1.4研究目的和意义 2

第2章 总体方案设计 4

2.1 系统方案对比 4

2.2 系统总体方案 6

第3章 系统硬件设计 7

3.1语音输入及其增益调整 7

3.1.1 语音输入 7

3.1.2 前置放大电路 7

3.1.3 自动增益控制 9

3.2 数字语音储存与回放 11

3.2.1 A/D转换 11

3.2.2 微控制器STC12C5A60S2 11

3.2.3 存储模块E2PROM 14

3.2.4 显示屏LCD1602 14

3.2.5 独立键盘 15

3.2.6 D/A转换 15

3.3 语音输出 16

3.3.1 带通滤波 16

3.3.2 高频校正 19

3.3.3 末级放大 20

3.3.4 电源 20

3.3.5 采集信号处理 21

第4章 系统软件设计 22

第5章 结论 25

参考文献 26

致 谢 27

附 录 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

自上个世纪五十年代开始，人类迎来了第三次科学技术的革命，科学理论也随之出现了巨大的突破，计算机和电子信息技术发生了又一次巨大的飞跃。人们生活方式也因此在几乎每个方面都产生了巨大的改变。上个世纪开始，人们对于娱乐的需求也随着生活水平的提高与科技的进步而变得日益增长。人们对听音乐需求的提高也是从这个时候开始的。现代语音技术发展可以追溯到1877年爱迪生发明出了留声机开始，可以说语音相关技术已有上百年的历史了，在这段一百多年的时间里，语音相关的技术也是经过了火箭般的发展，收音机、录音机、mp3、mp4、录音笔等设备的出现，再到如今的智能手机、智能家居等语音控制设备的出现，数字语音技术一直都在飞速的进步，涉及到我们生活的方方面面。

那什么才是数字语音记录技术？其实很简单，就是指利用数字技术采集和处理语音信号，再将这些语音信号存储在某一特定的存储芯片中，当我们需要听这段信号时，再从存储芯片中取出来该信号的技术就是语音记录技术。相较之模拟设备，数字设备的优点更为明显，比如说它们易于集成，体积更小，花费少，同时设备更稳定，操作起来更简单，这些特点使得数字语音记录和播放系统能够在各个领域都能得到很好的利用，方便我们的工作和生活。比如说，在有摄像头监测的环境中使用语音采集系统能更好发挥侦察的效果，还有公交车地铁等公共交通上使用的报站系统等等，都是数字语音录放系统在我们日常生活中的典型运用。

通常在处理语音信号的时候，都会先利用滤波器来滤除拾音器所接收到的语音信号里的杂波，然后再利用模/数转系统来把滤过波的模拟数字转换成合适的数字信号，然后由微控制器，将数字信号放在存储器中贮存起来。当需要播放语音信号的时候，这时就可以通过单片机，从存储器输出数字语音信号，然后通过数/模转换系统，将数字语音信号转换为模拟信号输出。这个过程中通过I/V变换之后电电流信号会变换成电压信号，再将得到的模拟信号滤波后经过放大器，就会输出想我们理想的语音信号。然而，这种方法是有缺陷的，因为这样的输出会不太稳定，并且输出的语音信号可能会变，也有可能输出噪声，这是模拟电路存在的没有办法解决的缺陷。

为了减少模拟电路这个缺点给电路所带来的影响，能想到的解决办法是使用专门的语音芯片，同时使用直接存储技术来克服模拟电路所带来的上面提到的缺陷，这是属于模拟信号技术的一种。语音芯片与单片机系统结合起来是十分便利的，并且音量和重量方面都能够比较完美的配合单片机系统的要求。正因如此，基于单片机和语音芯片的语音系统也是随之产生了，语音技术也得到了更进一步的飞跃。

1.2国内外研究现状

最近这些年来，语音信号处理技术的发展可谓是一直进步，不断取得全新的成果。各种各样新技术的出现，使得语音录放系统的研究方向变得越来越广泛。早期，采集和处理语音信号主要采用波形编码和压缩的方法，而如今大多是采用参数编码和压缩的方式，这样一来就大大地降低了对数据的存储空间的硬件要求。比如，原始的语音基本上都是使用八千赫兹的采样信号，同时用十六位的线性PCM编码来采集，再将收集到的语音数据直接存储在一般的系统之中，如果我们将收集到的数据通过参数编码后再将它们压缩，这样一来可以大大地减少存储量。将这些参数经过综合之后，便可以得到比较满意的结果。

1.3发展前景

如今随着科技的不断进步不断超越，不论是语音信息的总数量还是种类都变得越来越多。因此，如此庞大数量的音频信息的处理和贮存等一系统工作，越来越需要得到我们的重视，我们一定要重视这方面的问题。就目前状况来看，音频处理技术是具有非常好的市场前景的，并且也有着很大的市场容量。已经实现的比如说数字语音通信、远程通信、语音识别等技术，改变了我们的生活方式。就发展前景来看的话，在未来的信息高速公路的建设之中，低比特率和高质量的音频编码技术将会发挥它们独特的优势，成为关键的技术突破口。之所以数字信号处理技术能够被广泛地运用，是因为数字信号技术有着很多优点，并且这些优点涉及到我们生活的各个方面。通常地，数字信号处理系统十分精确，可以实现数字信号在几乎没有什么损耗的情况下进行存储和传输，它们的灵活性和可靠性比起模拟信号来说好了不知多少倍。此外，该系统可以拥有很好的集成性，数字信号处理器能够在同一时间内处理很多个信道里面的信号。

数字信号处理技术的一直在进步，其存储和传输也因此有了很好地理论和技术基础，由于存储器不断的更新，也为语音产品的开发提供了很大的便利。就现在而言，我们在市场上最常见到的存储器，主要是半导体存储器。在近几十年之中，半导体存储器实现了非常大的技术上面的发展，并达到了很高的水平。静、动态存储技术，再到嵌入式存储技术，这体现了一代又一代的技术人员的智慧。在之后的几十年中，半导体存储器很有可能就能达到兆字节，还可能会出现新型的材料，比如发现了二氧化硅结构中存储氢离子的新型材料，这样会使得半导体存储器密度更高，功耗更低，甚至可以抗辐射，这样技术又将达到一个全新的高度。我们知道的是，存储技术会在未来随着科技的进步而变得越来越先进。

将数字信号处理技术与嵌入式技术两者相结合，是语音处理技术主要的技术难点与关键点。采用嵌入式技术，可以将一个规模很大的电路全都集成在一个体积非常小的芯片上，这样一来，这个小小的芯片就具有了很强大的功能，不仅节省空间，也更加方面操作，这样能够更好的处理数字信号。我们一直提的数字信号处理技术，其实很简单，就是对模拟语音信号进行处理，通过一定的转化变成数字信号，这样一来就方便单片机对信号进行更进一步的处理。科技发展到如今这样的状态，数字信号处理技术可以说是一直在进步已经达到了很高地水准。由于现代人类的交流越来越频繁，对语音处理的技术要求也是逐渐变高。如今的数字语音处理技术不断地向着数字化与集成化的趋势发展，这也意味着，语音信号处理技术会向着越来越小的趋势发展，该技术也会越来越强大，我们的生活也会因此得到更多便利。

1.4研究目的和意义

之前最为流行的语音存储方式是磁带录音，如今已经慢慢向着数字存储的方向发展。之所以如此，是因为磁带存储使用空间大，使用起来特别的不方便，这样一来很多方面都会受到限制，比如信息处理、成本等。所以可以肯定地说，数字存储一定是未来的首选。同时，在系统之中加入带通滤波器和自动增益控制电路可以提高输入语音的音质，并且得到的语音音量非常稳定，噪声也得到很好的解决。

为何当下如此重视数字语音存储和回放系统的研究呢？如果我们平时生活之中留意一下便会知道，它对我们的生活和生产来说意义是非同小可的。语言是我们人类之间交流的桥梁，它与我们的生活密不可分。这一百多年的发展给语音技术带来的发展已经渗透进我们的生活，主要结果是：录音机、手机、摄像头等都融入了语音处理技术。综上可知，语音存储和回放技术的研究对于社会进步而言是不可或缺的，对社会向着信息化发展有着十分现实的作用。

第2章 总体方案设计

2.1 系统方案对比

本毕业设计的主要实现方法主要有以下两种：一种就是使用语音芯片来实现录放音功能，另外一种就是使用单片机和模/数、数/模转换电路来实现系统要求的功能。

通过了解我们可知传统的磁带录音技术将语音信号转换成模拟信号和磁信号的方法是利用麦克风和录音机，之后再将它们记录在磁带的磁性介质上以达到录放的目的。需要回放语音的时候，就可以运用例如记录器等来还原模拟语音信号，再用放大器来帮助扬声器回放声音信号。可是，如果我们注意到每次的记录方法都会受到电磁场的影响，就会发现这样会产生各种噪声和其他的一些干扰。并且磁带的频率特性也会在每次回放的时候发生变化，这些因素都会对音质产生非常大的影响。而音质一般以模拟信号的形式直接记录和传输，决定音质的主要因素就是其所用的材料和设备。可是我们在实验中，一直采用很好的材料和设备来获得高音质，这样代价很大，需要大量的资金，并且获得的音质也可能十分有限。

一般来说，数字音频技术就是指通过采样、量化和编码等一系列的处理，将输入的语音从模拟信号通过模/数转换器转换成数字信号，然后通过存储器对数字信号进行处理和存储。如果需要回放语音信号的时候，就利用数/模转换电路将数字信号转为模拟信号，这样就可以恢复语音信号播放出来。由于语音编码技术的存在于发展，我们的生活变得更加多姿多彩。如果将它与嵌入式系统结合起来，语音处理就会变得更加的容易。这几年，随着算法变得越来越风行和集成电路技术的飞速进步，研究人员们对语音识别算法的不断深入研究，此类芯片的研究也迎来了全新的阶段，越来越多的消费类电子产品之中都应用到这类芯片。语音识别芯片的分类方法很多，主要是依据性能和算法的差异来分类的。如今当下比较先进的语音芯片是语音识别系统级芯片SOC，该芯片里继承了许多功能的电路，主要包括有模/数和数/模转换电路、前置放大器等，只要外加电源和其他模块便可以十分方便的使用，这种芯片优点很明显，个头小、价格便宜性能好等，因此使用广泛。市场上最常见的语音识别芯片ISD系列芯片，是由美国的ISD公司开发和量产的。虽然这种芯片有点明显，可是它存在的一个很重要的不足就是缺乏灵活性，因此在很多场合都不能应用到。

综合上述分析，确定了以下两种比较合适的方案。

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