基于51單片機(jī)的語音提示飲水杯的設(shè)計(jì)

郭鳳雨，龔成龍，張 磊

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.淮海工學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

目前，隨著生活節(jié)奏的加快，在忙于工作的同時(shí)，許多人忽略了生活中的小細(xì)節(jié)，即適當(dāng)飲水，特別是春秋季節(jié)，適當(dāng)飲水可以很好地預(yù)防感冒等疾病的發(fā)生，同時(shí)適當(dāng)飲水還有很多好處，在此，就不一一列舉。怎樣提示按時(shí)適當(dāng)喝水呢？語音提示飲水杯即可實(shí)現(xiàn)此效果。與現(xiàn)有杯子相比，本飲水杯具有定時(shí)語音提示功能，使用者只要設(shè)定飲水時(shí)間和錄下想要提示的錄音，到達(dá)時(shí)間后，杯子上的語音提示裝置就會(huì)提示使用者飲水。使用這種杯子，有益于使用者形成正確的飲水習(xí)慣。同時(shí)此杯子還可送給老人，小孩。在無暇照顧他們的時(shí)候，提示他們適時(shí)喝水，保持身體健康。

1 語音提示飲水杯外觀的設(shè)計(jì)

以圖1圓柱形飲水杯為例：杯蓋分為兩層，下層為普通的水杯蓋，上層為語音提示蓋，蓋中裝有語音提示裝置。語音提示蓋上有兩個(gè)孔，即用作錄音的話筒孔和用作放音的揚(yáng)聲器孔。打開語音提示蓋上面的長(zhǎng)方形保護(hù)蓋，下面為：a：3個(gè)按鍵，分別是：開/關(guān)按鈕、錄/放音按鈕、定時(shí)按鈕。b：LED錄音指示燈。當(dāng)按住錄音按鍵錄音時(shí)，LED指示燈亮；松開按鍵停止錄音時(shí)，LED指示燈滅。

圖1 語音提示飲水杯的外觀設(shè)計(jì)圖Fig.1 Exterior design of voice prompts drinking cup

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

由圖2的框圖可知：本設(shè)計(jì)框圖包括3個(gè)按鍵，AT89C51單片機(jī)，ISD2560語音芯片，話筒和揚(yáng)聲器。其中AT89C51單片機(jī)為本設(shè)計(jì)的控制核心，它控制ISD2560語音芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的錄制，定時(shí)和播放。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖Fig.2 General block diagram of system design

2.1 芯片的選取

2.1.1 語音芯片的選取

美國 ISD公司的 2500芯片，分為 ISD2560、2575、2590和25120 4個(gè)品種。它們的錄放時(shí)間分別為：60 s、75 s、90 s和120 s。而在此設(shè)計(jì)中錄放時(shí)間60 s的ISD2560芯片完全可以滿足要求，所以選用ISD2560芯片。

ISD2560是ISD2500系列單片語音錄放集成電路的一種，是一種永久記憶型錄放語音電路。錄音時(shí)間為60 s，最多可以分成600個(gè)段，能重復(fù)錄放達(dá)10萬次。它采用模擬量電平直接存儲(chǔ)技術(shù)。把每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)EEPROM單元中。因此能夠非常自然地再現(xiàn)語音、音樂等。又省去了A／D、D／A轉(zhuǎn)換器，具有良好的音色，又避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲。片內(nèi)集成了很多功能電路。包括前置放大器、定時(shí)器、內(nèi)部時(shí)鐘、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480 k字節(jié)的EEPROM?？梢灾苯舆B接錄音輸入和放音輸出，使用方便并且價(jià)格低廉。使得該系列芯片得到十分普遍的應(yīng)用。在公共汽車語音報(bào)站器、電話自動(dòng)應(yīng)答系統(tǒng)、語音講解儀、便攜式語音記錄裝置、電子詞典、語言復(fù)讀機(jī)等諸多方面都有應(yīng)用[1-3]。其引腳圖如圖3所示。

圖3 ISD2560引腳原理圖Fig.3 Schematic of ISD2560 pins

為了能夠更深入地了解ISD2560芯片的工作原理。先介紹一下該系列芯片引腳功能[4]。

Pin28（數(shù)字電源 VCCD）和 Pin16（模擬電源 VCCA）：芯片內(nèi)部的數(shù)字和模擬電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上。數(shù)字和模擬電源端最好分別走線，并應(yīng)盡可能在靠近供電端處相連，而去耦電容則應(yīng)盡量靠近芯片，這樣可以最大限度地減小噪聲。

Pin12（數(shù)字地 VSSD）和 Pinl3（模擬地 VSSA）：這兩腳最好通過低阻抗通路連接地。

Pinl4（揚(yáng)聲器輸出 SP+）和 Pinl5（SP-）：?jiǎn)味溯敵鰰r(shí)必須在輸出端和喇叭間接耦合電容。而雙端輸出則不用電容就能將功率提高至4倍。

Pin20（模擬輸入ANA IN）：錄音信號(hào)輸入端。

Pin21（模擬輸出ANA OUT）：前置放大器輸出。

Pin17（話筒輸入MIC）：該端連至片內(nèi)前置放大器，外接話筒應(yīng)通過串聯(lián)電容耦合到該端。耦合電容值和該端的輸入阻抗決定了芯片頻帶的低頻截止點(diǎn)。

Pin18（話筒參考MIC REF）：該端是前置放大器的反向輸入，當(dāng)以差分形式連接話筒（即話筒的一端連接MIC，另一端連接MIC REF）時(shí)，可減小噪聲，并提高共模抑制比。

Pin19（自動(dòng)增益控制AGC）：AGC可動(dòng)態(tài)調(diào)整前置增益以補(bǔ)償話筒輸入電平的寬幅變化，減少失真度。

Pin1～Pinl0（地址 ／模式輸入 A0／M0～A6／M6～A9）：當(dāng)最高兩位中有一個(gè)為0時(shí)，作為當(dāng)前錄音或放音的1O位起始地址（實(shí)際僅用0～599作為芯片內(nèi)部EEPROM的地址碼）。該地址碼在的下降沿被鎖存。當(dāng)最高兩位全為1時(shí)，A0～A6稱為M0～M6，用做命令操作模式或者按鍵模式（M6也為1時(shí)）的命令位。

Pin24（節(jié)電控制PD）：高電平可使芯片停止工作而進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

Pin26（外部時(shí)鐘XCLK）：外部時(shí)鐘輸入，不用時(shí)應(yīng)接地。

Pin27（錄放控制P/R）：高電平選擇放音，低電平選擇錄音。

2.1.2 單片機(jī)選取

隨著集成電路工藝的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了51系列單片機(jī)、DSP、ARM 等多種單片機(jī)。DSP：它從16位～32位，內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，特別適合數(shù)據(jù)處理。其中16位DSP適合中高級(jí)工控到簡(jiǎn)單語音/圖片處理；32位DSP適合復(fù)雜語音/圖片/視頻處理。ARM：是32位單片機(jī)，由于結(jié)構(gòu)和計(jì)算速度的原因，目前適合做事務(wù)處理或者中低端應(yīng)用，從中高級(jí)工控到簡(jiǎn)單語音/圖片處理。AT89C51是一種帶4 k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。51單片機(jī)雖然和DSP，ARM相比處理速度和運(yùn)算速度上都比較慢，但它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，它的速度可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，所以采用AT89C51單片機(jī)。

2.2 語音提示裝置硬件電路

AT89C51單片機(jī)的4組I/O端口中，作為普通I／O端口的只有P1口。用外部中斷0（即P3.2位）與錄放器件的 EOM端（作為錄音時(shí)的結(jié)尾標(biāo)志輸出端口）連接，錄/放模式選擇端，器件使能輸入端CE、節(jié)電控制端PD分別與P1口的P1.5～P1.7相連，作為語音芯片和單片機(jī)的輸入控制端口，10位地址端與單片機(jī)的低8位和高2位連接組成A0～A9。麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器與相應(yīng)的ISD2560引腳相連，并接相應(yīng)的電容電阻進(jìn)行穩(wěn)壓和穩(wěn)流[5]，整個(gè)系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖4 語音提示裝置電路圖Fig.4 Schematic of voice prompts device

到此，硬件電路芯片的選型以及電路的搭建已設(shè)計(jì)完成。

3 軟件的設(shè)計(jì)

隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級(jí)語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS－51系列單片機(jī)程序的軟件。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVison）將這些部分連在一起。

因此本設(shè)計(jì)的軟件部分通過Keil進(jìn)行程序的編程，下面主要介紹程序中的主要子程序和一些重要部分：

初始函數(shù)主要是對(duì)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和一些參數(shù)初值的設(shè)定:

錄音函數(shù)：

定時(shí)函數(shù)及原理

當(dāng)單片機(jī)工作于定時(shí)狀態(tài)時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，每個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)振蕩周期，以晶振頻率為6 MHz為例，則：

1個(gè)機(jī)器周期=12/晶振頻率=12/6 000 000=0.002 ms

定時(shí)時(shí)間為：TC=XTP。其中，TP為機(jī)器周期，TC為定時(shí)時(shí)間。

則應(yīng)裝入計(jì)數(shù)/定時(shí)器的初值為：

對(duì)于方式一，一次最大的定時(shí)時(shí)間為：T=（216－0）×0.002=131.072 ms，為了便于計(jì)算，設(shè)定每次最大定時(shí)時(shí)間為100 ms，計(jì)算應(yīng)裝入的初值[6]：

本設(shè)計(jì)軟件默認(rèn)定時(shí)時(shí)間為30 min，而每次耗時(shí)100 ms，所以30 min需循環(huán)18 000次。定時(shí)的時(shí)間間隔為1 h，即按一次按鍵定時(shí)為1 h，2次為2 h，3次為3 h。按到第4次就恢復(fù)到默認(rèn)值，即30 min。

定時(shí)函數(shù)：

放音函數(shù)：

放音時(shí)，使PR為高而PD為低。置CE為低電平（此處通過編寫C程序，將CE置為低電平）就開始從指定的地址開始放音。起到提示效果。

通過上述程序，稍加增減，設(shè)計(jì)所要求的軟件部分即可實(shí)現(xiàn)，在此就不一一贅述。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的語音提示飲水杯采用ISD2560語音芯片，省去A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換，語音自然真實(shí)。給出以AT89C51單片機(jī)為核心所編寫的C程序，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該語音錄放系統(tǒng)錄音和放音效果良好，單片機(jī)控制相當(dāng)準(zhǔn)確。完全可以起到語音提示飲水的效果。

在應(yīng)用方面，這種為飲水杯所設(shè)計(jì)的語音提示裝置還可用于其他領(lǐng)域，作為一個(gè)模塊可與其他功能電路集成，實(shí)現(xiàn)各種功能復(fù)雜的語音系統(tǒng)，如手機(jī)話費(fèi)查詢系統(tǒng)、電腦語音鐘、監(jiān)控系統(tǒng)語音報(bào)警及公共汽車報(bào)站器等，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]王南陽.ISD系列單片語音錄放集成電路 [J].電子世界，2005（12）:41－42.

WANG Nan-yang.Integrated circuit of ISD series single voice recorders[J].Electronic World，2005（12）:41－42.

[2]翟祺，金文臣.ISD系列單片語音錄放電路的原理及應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)， 2001（3）:24－27.

ZHAI Qi，JIN Wen-chen.Principles and applications of ISD series single voice recorders circuit[J].Shanxi Electronic Technology， 2001（3）:24－27.

[3]劉連吉.ISD單片語音錄/放器件及電路設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，1997，16（3）:38－45.LIU Lian-ji.ISD single-chip voice record/playback devices and circuit design[J].Marine Technology，1997，16（3）:38－45.

[4]楊志遠(yuǎn)，謝秋華.ISD2500系列語音芯片隨機(jī)語音分段方法[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào)， 2007，24（2）:160－165.

YANG Zhi-yuan，XIE Qiu-hua.Segmentation method of random voice of ISD2500 series voice chips[J].Journal of Sanming College， 2007， 24（2）:160－165.

[5]呂印曉，謝震宇，張寶軍.單片語音錄放芯片ISD5102的原理及應(yīng)用[J].電子工程師，2004，30（4）:14－15.

LV Yin-xiao， XIE Zhen-yu， ZHANG Bao-jun.Principles and applications of single voice recorders chip ISD5102[J].Electronics Engineer， 2004，30（4）:14－15.

[6]陳桂友，孫同景.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.