基于单片机的语音信号采集与回放系统

项目六语音信号采集与回放系统

指导老师：xxxxx

队员及年级：xxxxxxxx

院系：长沙航空职业技术学院电子电气工程系

摘要：本系统以C8051F120为核心，扩展两片62256作为RAM存储器，利用PCM编码对数据进行压缩以及回放，尽量的延长录音时

间。前级使用反向放大器、带通滤波器对信号进行处理，以提高信号存储质量。后级使用带通滤波器、功率放大器使信号噪声减小提高了放音的质量。整机可以实现设计所要求的语音采集以及回放功能，并能达到较高的功能指标。语音存储与回放系统比较重要的两个指标是语音的最大录制时间和语音回放的质量。整个系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节，电路结构简单，可靠性能高，无论在结构和技术上都具有较好的科学性。

关键词：C8051F120 带通滤波62256

目录

第一部分：方案论证与选择 ......................................................................................... - 2 -

1.1总体设计框图 .................................................................................................. - 2 -

1.2放大级............................................................................................................. - 2 -

1.3带通滤波 ......................................................................................................... - 2 -

1.4存储器............................................................................................................. - 3 -

1.5模数、数模转换............................................................................................... - 3 -

1.6功放芯片 ......................................................................................................... - 3 - 第二部分单元模块电路............................................................................................. - 3 -

2.1 C8051F120单片机 ........................................................................................... - 3 -

2.2语音接收及放大电路........................................................................................ - 4 -

2.3 带通滤波器电路.............................................................................................. - 4 -

2.5功放电路 ......................................................................................................... - 6 -

2.6 电源、按键及显示电路 ................................................................................... - 6 - 第三部分软件设计...................................................................................................... - 7 -

3.1程序流程图...................................................................................................... - 7 -

3.2 A/D,D/A转换................................................................................................ - 8 -

3.3 存储控制 ........................................................................................................ - 8 - 第四部分：系统调试.................................................................................................... - 8 -

4.1声音输入与输出调试............................................................................................... - 8 - 附录1 原理图.............................................................................................................. - 9 - 附录2 PCB板图......................................................................................................... - 13 - 附录3 元件清单 ........................................................................................................ - 14 - 附录3 组员分工情况 ................................................................................................. - 15 -

第一部分：方案论证与选择

1.1总体设计框图

图1.1 总体设计方框图

1.2放大级

前级通道用来将话筒输出的微弱语音信号放大到ADC要求的输出模拟信号量化范围内，并尽可能的减少输入噪声。前级通道中最重要的是信号放大部分，有以下几种实现方案。

方案一：采用差分放大电路，语音信号通过双话筒输入，减少差模输入，降低温漂。

方案二：直接采用多级运放电路。第一级主要用于减少噪声干扰，放大倍数不要太高，第二级为可调增益放大，根据实际语音信号选择调整放大倍数。采用的是741芯片，最通用的反向放大电路。

在我们通过仿真和测试后，我们发现从话筒输出的信号在50mV~100mV之间，这对于只有几个mV的噪声来说，已经具有比较高地信噪比，而不需要采用方案一，在方案一要求有两个输入端，要双话筒，但如果从两个话筒中输入的信号差别不大时，反而减小了信号幅度，降低了信噪比。所以我们决定采用方案二。

1.3带通滤波

未来避免不必要的干扰和杂波，系统前向通道和后向通道各设计了一个带通滤波器，其宽带为300Hz~3.4KHz。考虑到电路的复杂性和效率问题，我们通滤波器采用一级高通滤波和一级低通滤波构成。且都为一阶有缘滤波器。其性能良好，电路简单。

1.4存储器

存储器采用两块62256构成。62256是32K的低功耗静态RAM存储器，如果不采用任何压缩技术，两块62256也可以存储并回放8s时间。

1.5模数、数模转换

由于语言信号的宽带是300Hz~3.4KHz,故根据抽样定理至少要6.8K的采样率，实际中一般是8K的采样率，用8051F120的内部AD转换（8位方式）就能达到这一要求。DA也用单片机内部资源来完成。

1.6功放芯片

选用美国国家半导体公司生产的LM386。静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V 或5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；并由失真度低等特点

第二部分单元模块电路

如图1.1和图1.2所示，整体电路由C8051F120单片机、LCD12864液晶、62256存储、语音信号接收、语音信号放大、带通滤波等电路组成，而报警电路使用蜂鸣器。

2.1 C8051F120单片机

C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU。具有64个数字I/O引脚，高速性能流水结构的8051兼容的CIP-51内核；12位、100ksps的ADC、

而我们使用的是C8051F120核心板。其核心板的外接电路如图2.1所示：

图2.1 C8051F120核心板及外接电路

2.2语音接收及放大电路

在语音接收后、一级放大器主要是用于减少干扰信号，放大倍数仅为2。第二级中放大倍数最大可调到50，刚好实现20dB至40dB可调。

图2.2 语音接收、放大电路

2.3 带通滤波器电路

声音信号经过放大后，系统在在对其进行数据采集之前，有必要经过带通滤

波器除外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz 至3.4Kz 起作用是：

保证300~3400Hz 的语音信号不失真的通过滤波器；

滤波带外地低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影响，

该频率下线可延到270Hz 左右；

便于滤波带外的高次谐波，益减少因8Kz 采样率而引起的混叠失真。根据

实际情况，该上线频率可在2700Hz 左右。

鉴于Butterworth 滤波器带内平坦的影响特征，我们选用二阶Butterworth 带

通滤波器，电路如图2.2所示。

图2.3 带通滤波器

2.4存储电路

62256存储芯片与单片机的P5、 P6、 P7。如图2.3所示

图2.4 存储电路

2.5功放电路

由集成功放LM386及外接元件构成，调节10kΩ的电位器可调节扬声器的音量。5引脚处10Ω的电阻和0.047uF的电容串联构成矫正网络用来进行相位补偿。7引脚处的10uF的电容为旁路电容。6引脚处的0.1uF的电容去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。电路如图2.5所示：

图2.5 功放电路

2.6 电源、按键及显示电路

电源使用外接正负5V电源。显示用LCD12864液晶，显示信息量大利于人观看。另外四个独立按键用来控制系统工作状态。两个LED用来显示用做电源指示灯。如图2.6所示：

图2.6电源、按键及显示电路

第三部分软件设计3.1程序流程图

3.2 A/D,D/A转换

采用C8051F120单片机内部转换模块实现AD,DA 转换AD采用八位

3.3 存储控制

原先我们想采用62256 的复用模式，但由于各种原因最终没能接。只用了一块62256。能储存4S中钟的音频信号。

第四部分：系统调试

使用仪器：示波器；信号发生器；万用表

4.1声音输入与输出调试

首先不接其他电路。直接对着MIC讲话。示波器接在音频耦合点。观察示波器显示的波形能否因声音的大小变化而变化。输出模块则可以外接音频输入；让扬声器能正常输出。

4.2 放大电路调试

前级放大电路只放大2倍。其主要还是可以减少温漂。这样信号经过二级放大后的信号失真会有较大的减小。二级放大倍数为~50可调。

表4.1 放大电路测试

4.3 带通电路调试

带通电路在选择时我们做了很多仿真和实物调试。最终决定下的电路我们已经经过了多次的实物测试。我们的前级为低通，后级为高通。最后我们测得电路的通频带为4hz~147K hz。满足题目的要求。但是但当我们把滤波电路接成10

被是通频带却只有450hz~108 hz。

2.36V

1.66V

图4.1 放大倍数为1时通频带

图4.2 放大倍数为10时通频带

在本次设计的过程中，我们遇到了各种困难和许多没有预想到的情况，但我们通过团队协作和努力，最终克服了困难、解决问题。由于我们的水平有限和时间紧张等因素，我们在电路的设计上海存在许多值得改进的地方。经过此次产品的设计与制作，我们也深刻的体会到：实践是；理论运用最好的检察官，懂得了共同协作和团队的重要性，提高了我们电路分析、解决好各种电路问题的能力。同时也认识到很多不足之处，在很多方面还可以有很大地进步空间。在下次的产品设计时我们会吸取这次的教训，尽量的避免同样的问题出现。

在作品完成之际，我们要特别感谢指导老师的热情关怀和悉心指导。在我们作品制作过程中，老师给了我们很多耐心的指导和启发，不仅让我学到了专业知识，还让我学到了很多做人的道理。特别是他们广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风是我们终身受益，在此表示真诚地感谢。

在此还特别感谢给我们提供这次学习机会的院系领导，是你们让我们有了学习更多知识的机会。

最后，向在百忙中抽出时间对我们作品评审并提出宝贵意见的各位领导老师表示衷心地感谢！

附录3 组员分工情况