基于protel实现语音报警电路设计毕业论文

1、基于protel实现语音报警器电路板的设计摘要本设计系统硬件利用at89s52作为cpu进行总体控制，通过isd4004语音芯片建立语音信息库，对语音信息进行自由组合，形成变化多样的语音信息，利用lm386功放播出语音信息以及提示语音，热释电红外传感器re200b作检测元件 ,具有本低、报警可靠性高、方便实用等特点，适于一般家庭使用。 目 录第一章 语音报警器设计的意义及任务31.1 语音报警器设计的意义 41.2 设计任务4第二章 系统的硬件设计和方案对比选择52.1 系统设计结构图2.2 系统设计方案对比选择2.2.1 mcu微处理控制器的方案对比选择2.2.3 语音芯片的方案对比选择 2

2、.2.5 防盗检测部分的方案选择第三章 系统的硬件设计电路及元件说明3.1 mcu微控制器电路3.2 防盗检测电路3.3 语音芯片电路133.3.1 isd4004引脚的说明143.3.2 isd4004的操作模式说明如下163.4 功放电路163.6 按键控制173.9 复位电路173.10 晶振电路183.11 系统电源供电电路18设计总结19致谢36参考文献36附录20附录一 语音报警器设计的原理图20附录二 语音报警器设计的pcb图21附录三 语音报警器设计的元器件清单24附录四 系统的参考程序26第一章 语音报警器设计的意义及任务1.1 语音报警器设计的意义 随着人们生活水平的提高和

3、安防意识的增强, 急需开发面向大众、价格低廉、运行可靠的自动报警系统。安防的最好方法 ,是在不法分子有入侵企图时通过各种提醒 警告 甚至恐吓方式 ,增加其心理压力 ,使之主动离开。在警告失效的情况下 ,可以记录入侵时间、进行现场录音 ,然后通过电话或其他方式通知主人或报警中心 。本语音报警器设计结构简单，使用灵活，功能稳定，音质自然、清晰，无论对于社会或者科研也有一定的研究价值。1.2 设计任务 本设计结合单片机的特点和语音报警器的特点，提出了一种基于单片机at89s52来控制语音芯片isd4004进行语音报警，并通过数码管来显示当前实时情况。设计过程中包括硬件电路设计和protel排版两个方

4、面。本系统硬件利用at89s52作为cpu进行总体控制，通过isd4004语音芯片建立语音信息库，对语音信息进行自由组合，形成变化多样的语音信息，利用lm386功放播出站号语音信息以及提示语音信息，同时运用数码管进行相应显示。当用键盘设置本报警器工作时，可通过数码管提示。适合普通 家庭使 用 的语音报警系统。第二章 系统的硬件设计和方案对比选择本章重点主要是从系统结构图来阐述了硬件的设计以及从方案上对比选择各个电路部分的元件，目的是使系统达到一个低成本、高质量、稳定可靠的设计。2.1 系统设计结构图2.2系统设计方案对比选择根据设计要求，结合实际情况和设计成本要求，对系统主要部分的电路方案叙述

5、如下。2.2.1 mcu微处理控制器的方案对比选择方案一：mcu微处理控制器的种类很多，有atmel公司生产的at89sxx系列单片机，其中有8位的单片机，也有16位的单片机。at89s52为8位的单片机，它是一种低损耗、高性能的cmos微处理器，片内有8k字节的存储空间，128字节ram、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围64k。并且可以在线进行重复编程、快速擦除、快速写入程序，能重复擦除 / 写入1000次左右，数据保存时间为十年。方案二：微处理控制器也有凌阳公司生产的，同样有8位的cpu和16位的cpu。它也有很多特点，比如：体积小 、集成度高、可靠性好、易

6、于扩展；具有较强的中断处理能力；功能强、效率高的指令系统及低功耗、低电压。但是其应用领域主要是为控制处理数据处理以及数字信号处理等领域，其中凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。综上所述，在本设计中，考虑到本人对单片机的运用熟练度和单片机的功能领域，选择atmel公司生产的at89s52单片机作为本设计的微控制器。2.2.2语音播放部分的方案对比选择方案一：使用通用a/d器件对音频信号进行采样和转换，然后保存到数据存储器地址单元当中，放音时将不同地址单元的语音信息进行组合，通过d/a器件转换以后还原为模拟音频信号。这种方案思路清晰，但外扩接口比较复杂，如果使用高精度与高速的转换器件，数

7、据量很大，单片机处理比较困难；如果使用低精度低速的转换器件，语音质量将大打折扣，故没有采用。方案二：使用专用的语音处理设备与语音编程设备实现。先将模拟音频信号通过语音处理设备转换为相应的数字数据，然后用专用的语音编程设备将该数据烧写到单片机的程序存储器当中，然后在程序中对语音数据进行查表组合，再经过d/a转换输出模拟音频信号。这种方案编程容易，语音衔接流畅，但是对器件和设备要求高，在短时间和一般条件下不易实现，故没有采用。方案三：使用专用语音录放芯片实现。专用芯片有很多型号，这里我们选择了现有产品中性能最好的isd4004-08m芯片，该芯片能够连续录音8分钟，可分2400段，同时采用spi串

8、行总线接口，便于与单片机连接，8k的采样率可以提供高质量的语音信息，对于任务要求的完成已经游刃有余，所以我们选择了这个方案。2.2.3 语音芯片的方案对比选择方案一：台湾公司生产的apr9600语音录放芯片，是采用模拟存储技术的一款音质好、低噪音、不怕断电、可反复录放的新型语音芯片，单片可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。与isd同类芯片相比它具有：价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点，同时保留了isd2500芯片的一些特点，都是dip28双列直插塑料封装，在管脚排列

9、上也基本相同。方案二：美国isd公司生产的isd4004系列芯片。与普通的录音重放芯片相比isd4004具有如下特点：首先，记录声音没有段长度限制，并且声音记录不需要转换和压缩；其次，将快速闪存作为存储介质，无需电源即可保存数据长达100年，重复记录10000次以上；此外，isd4004具有记录时间长（可达16分钟，本文采用的为8分钟的isd4004语音芯片）的优点；最后，isd4004的开发应用具有所需外围电路简单电路具有抗断电、音质好，使用方便以及使用语音还原技术和自动静噪功能强等优点。综上所述，结合本设计的需要及控制情况，选择方案二最好。台湾公司生产的apr9600语音录放芯片和美国is

10、d公司的isd4004语音录放芯片相比，相同点都是dip28双列直插塑料封装，在管脚排列上也基本相同，可以不加功放直接外接驱动扬声器。但是不同点是isd的录放时间为8/16分钟，在本设计中需要录音时间长点的；另外，在控制上，isd4004可以直接通过地址的方式查询录音信息并通过扬声器报放录音信息。2.2.4防盗检测部分的方案选择 采用热释电红外传感器(pir) re200b检测人体信号,采用红外传感信号专用处理芯片biss0001对所采集的号进行初步处理 。biss000i的输出信号vo接单片机 ,供其读取和进行处理。热释电传感器以非接触方式检测出人体辐射的红外线 ,并将其转变为电压信号 ,它

11、还能鉴别出运动的生物与其他非生物。实际使用时,热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜 ,将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上 ,同时产生交变的红外辐射高灵敏区和盲区 ,以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性。实验证明,若不加菲涅耳透镜 ,热释电外传感器的检测距离仅2m左右 检测人体走过 ,配上菲涅耳透镜后 ,检测距离可增加到10m,甚至20m 以上。第三章 系统的硬件设计电路及元件说明本章根据系统设计结构图来对每个部分的电路进行分析和说明，重点讲述微控制器at89s52、语音芯片isd4004、防盗检测电路、。该系统中at89s52是核心器件，系统的设计原理图如附录二所示。3.1 mcu微

12、控制器电路at89s52的塑封图如图3.1所示，它为dip40双列直插塑料封装。at89s52作为系统的核心控制元件，只有它能正常工作后才能使其它的元件进入正常工作状态。因此，下面对at89s52进行必要的说明，at89s52的管脚如图3.2所示。图3.1 at89s52的塑封图 图3.2 at89s52的管脚图1）vcc：40脚，供电电压，一般接+5v电压。2）gnd：20脚，接工作地。3）p0口：18脚，p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用

13、。在这种模式下，p0具有内部上电阻。但是p0口在程序校验作为输出指令字节时，需要外部加上拉电阻，一般上拉电阻选4.7k10k为宜。本设计中用5.1k的排阻对p0口进行上拉电平。4）p1口：3239脚，p1口是一个内部具有上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4个ttl门电流。p1端口写入“1”后，被内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为作输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。5）p2口：2027脚，p2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此

14、时可以作为输入口使用。6）p3口：1017脚，p3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个ttl 逻辑电平。对p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。7）reset：9脚，复位输入端。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。8）：30脚，当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于系统校验。9）psen：29脚，外部程序存储器的选通

15、信号。10）：31脚，访问外部程序存储器控制信号。当为低电平时，读取外部程序存储器；当端为高电平时，则读取内部程序存储器，设计中一般接高电平。11）xtal1：19脚，振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。如采用外部时钟源时，xtal1为输入端。12）xtal2：18脚，振荡器反相放大器的输出端。如采用外部时钟源时，xtal2应悬空不接。3.2防盗检测电路部分 图3.3 防盗检测部分由于pir热释电传感器的输出信号变化缓慢、幅值小 ,故biss0001专用信号处理器一般分三步对信号处理 ,即1 滤波放大;2 窗 口 比较;3 噪声抑制及数字信号处理。biss0001是由运放、电压比较器、

16、状态控制器 、延迟时间定时器 ,以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用电路。其内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。通过将管脚a置1 或置0可将其设置为可重复触发或不可重复触发方式两种工作方式。本系统选择可重复触发方式。在将传感的输出信号进行预处理后 ,通过双向鉴幅器可检出有效触发信号vs。在可重复触发方式下 , vs可重复触发vo为有效状态 ,并使vo延时周期tx 内一直保持有效状态。yx可通过r3 、c5调节。在tx时间内,只要vs 发生上跳变 ,则有效态将从 ,上跳变时刻起延长一个tx 周期 若vs 保持状态 1,则vo 一直保持有效状态 ，若 vo保持 状态 ,则在tx 周期结束后 vo将恢

17、复为无效状态 ,并且在封锁时间ti ,vs内,的任何变化都不能将vo 触发为有效状态。3.3语音播放部分 因为要完成语音报值，所以语音芯片是本系统中的核心器件，这里我们选用了性能优良的录放芯片isd4004来实现这部分的设计。isd4004是美国isd公司的新产品，声音录放采用了chip2corder 专利技术,即声音无须a/ d 转换和压缩就可直接存储, 没有a/ d 转换误差, 在一个记录位可存储多达250 级声音信号，相当于通常a/d技术记录容量的8 倍。录音时间816分钟，时间长短由采样频率决定，采样频率越高记录时间越短但音质越好，我们的系统采用了8分钟的芯片，取得了较好的音质。其内部

18、语音存储器共分为2400段，每段占用时间为200ms(针对8分钟芯片)，分段地址范围为0000h-0960h。片内集成了晶体振荡器、麦克风前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、声音功率放大器等, 只需很少的外围器件, 就可以构成一个完整的声音录放系统。3 伏电压供电, 电流小: 待机时1a , 放音时30ma ,录音时25ma。图3.6是isd4004在本系统中应用的原理图。 图3.4：语音播放部分由于isd4004采用2.7v3.3v低电压供电，所以必须要将5v电压转换为3v，典型电路使用ht1030转换芯片，但是很难买到，我们也考虑过使用lm317稳压的方案， 图3.5 lm

19、317稳压电路图刚好达到isd4004的工作电压要求范围。由于isd4004本身对电源供电质量要求不是很高，而且实验证明此种方法可以使其可靠的工作，所以我们采用了此种方案。isd4004采用spi接口与单片机通讯，虽然它的供电电压只有3v，但是单片机可以准确地识别接口的高低电平，不会发生错误。isd4004的spi总线由4线构成，分别为片选端、时钟输入端sclk、串行数据输入端mosi、串行数据输出端miso，关于详细的spi总线协议以及驱动方法请参看有关资料。3.3.1 isd4004引脚的说明isd4004的塑封图如图3.6所示，对其引脚的说明如下：图3.6 isd4004的塑封图1）模拟

20、、数字电源（vcca、vccd）使用不同的电源总线，分别引到外封装上，尽可能在靠近供电端相连，去耦电容应尽量靠近芯片。2）数字和模拟地线（vssa，vssd）使用不同的地线，这两脚最好在引脚焊盘上相连。3）节电控制端（pd）高电平使芯片停止工作，进入不耗电的节电状态。当芯片发生溢出，即该端输出低电平后，要将pd端短暂变高复位芯片，才能使之再次节电工作。4）片选端（）变为低电平后（而且pd 为低电平），才允许进行录放操作。芯片在 端的下降沿锁存地直线和端的状态。5）录放模式（）状态在 的下降沿被锁存。高电平选择放音，低电平选择录音。录音时，地址线的输入作为起始地址，录音持续到（或pd）变高或内存

21、溢出为止。如果录音过程被pd 或 端的高电平中止时，当前地址中会自动存入一个信息结束标志（）。放音时，地址线的输入作为起始地址，放音过程将持续进行，直到检测到标志。如果 一直为低电平或芯片工作在某些操作模式，放音会忽略 ，继续进行下去。6）信息结尾标志（）在录音时由芯片自动插入到该信息的结尾。放音遇到 时输出低电平脉冲。7）溢出标志（），芯片处于存储空间末尾时 端输出低电平脉冲表示溢出，之后其端状态跟随 端的状态，直到pd 端变高。该端还可用于级联扩展。8）话筒输入端（mic）连至片内前置放大器。前置放大器的增益范围是- 1524db，由片内自动增益控制电路控制。需注意的是麦克风信号应通过电容

22、交流耦合至mic 引脚。9）话筒参考端（mic ref）是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。3.3.2 isd4004的操作模式说明如下isd4004内置了若干操作模式，可用最少的外围器件实现最多的功能。操作模式也由地址端控制；当最高两位地址(msb)a8、a9 都为“1” 时，地址端就作为操作模式选择端(高电平有效)，其工作模式如表3.1所示。因此操作模式和直接寻址相互排斥，操作模式可由微控制器，也可由硬件实现。所以使用操作模式有两点要注意。 表3.1 isd4004工作模式表3.4 功放电路在本设计中，使用了外接功放块lm386的方法来提高功率，在i

23、sd4004的14脚（sp+），将音频信号耦合至电位器r20，通过调节电位器的中心抽头位置来改变输入给lm386的信号强度，从而控制了扬声器的音量大小。lm386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值。本设计中使用+5v（vcc）电源电压供电，电路连接图如图3.7所示，图中采用的是增益为200 db的接法。图3. 7 功放部分电路图3.5 按键控制本设计使用简单的独立式按键来控制语音报警信息，同时通过设置系统在不同的功能下让单个按键的功能也跟随不同，及按键复用

24、功能，这使系统使用起来很方便，设计新颖。如图3.8所示： 图3.8 系统的按键控制图3.6 复位电路在at89s52单片机中的振荡器运行时，引脚上保持到少2个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。根据此原理，本设计采用上电复位和按键复位嵌套在系统中，增强了系统的实用性。本设计具体的复位电路，如图3.9所示： 图3.9 复位电路连接图3.7 晶振电路at89s52在工作时需要外部提供时钟信号，因此，本设计选择在其18脚19脚之间接上12mhz的晶振，为单片机提供1s的机器振荡周期。其电路连接图如图3.10所示。在图中，电容器c12，c13起稳定振荡频率电容值一般在2050pf。 3.10

25、晶振电路连接图3.8 系统电源供电电路 本设计中采用c2和c3进行滤波和去耦，得到平稳的直流电（大于+5v），直流电经过三端稳压器78l05稳压后再经过c4和c7进行再次滤波和去耦，最后输出比较稳定的+5v电压。其中c2和c3滤波的作用的是消除电源的纹波特性，c4和c7去耦的作用是为了改善负载的瞬态响应、防止产生自激振荡和减少高频噪声。图3.11所示为系统电源供电电路连接图。图3.11 系统电源供电电路连接图设计总结通过这次对语音报警器设计的设计与制作过程，让我更清楚了该次设计的流程，更加懂得该设计中各个电路部分的作用以及各元件的基本功能。在布电路的pcb时，我结合自己的经验以及布线的规则，我

26、将pcb图布为单面板，两边焊接元件。这样做的目的一方面可以节约pcb板面积，另一方面也增加设计的美观。同时也让我了解到一个科研项目的设计和制作离不开科研人员自身的经验和对电路知识的掌握程度。这次设计让我更清楚地知道了该设计的工作原理。本系统通过单片机at89s52作为整过系统的cpu控制，通过isp4004语音芯片建立语音信息库，由按键来选择其语音地址信息并利用功放块lm386驱动扬声器播放语音信息。这次设计同时还有以下自己的创新点：1）pcb为单层板，双面焊接元件，这样的作用一方面节约覆铜板，另一方面美观。2）核心元件布在电路板的中间，相同功能区域的元件排在主芯片的外围，方便于调试和维修。3

27、）电源接口采用插座，可以方便于电源的连接。4）采用isp4004语音芯片作为本次设计的语音模块，这充分利用了其控制的特性。只要放音结束时单片机检测到其25脚（）有低电平变化时，便使芯片的23脚（）和24脚（pd）置高电平，芯片进入节能模式，从而降低了整个系统的功耗。致谢光阴似箭，大学三年的时光在转眼之间就过去了。这次的毕业设计能够顺利完成，完全离不开学校和老师的帮助。感谢学校能给我提供一个这么好的学习环境和学习基础设施，让我能将理论知识能用于实践；让我学到专业知识的同时又学到社会知识，这有利于我今后在学习和工作中得到不断的完善和进步。同时，在这次毕业设计中，我还得到班上其他一些同学的帮助，解决

28、了不少的难题。在此，我也由衷的感谢他们对我的帮助。参考文献1 张俊谟编著.单片机中级教程单片机基础m.第二版.北京:北京航空航天大学出版社。2 韩志军,沈晋源，王振波.单片机应用系统设计入门向导与设计实例m.第一版. 北京：机械工业出版社。32008年第2期 电子制作 .41附录附录一 ：语音报警器设计的原理图附录二 语音报警器设计的pcb图附录三 语音报警器设计的元器件清单附录四 系统的参考程序（实验板调试通过）isd4004语音播放模块-四段语音部分演示程序当按下p3.5键时，从指定地址开始录音，每按一次，录一段语音，总共可以录四次。当按下p3.4键时，从指定地址开始放音，每按一次，放一段

29、语音。总共可以放四段。如需要录更多的段数，只需要注意更改段数的值和录音的时间。程序中的录放停部分已做成子函数，可以直接调用， 只需要输入录音的地址就行录音地址的设定与芯片型号有关系，以isd4004-8为例，isd4004-8录音时间为8分钟，即8*60=480s, 根据4004的资料，480秒可分为2400段，也就是1s的段数为5段，即从，00000005h的内容为1秒。#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intbit playbit,recbit;/定义两个位变量，放音和录音位/定义放音命令,

30、定义常量/#define isdpowerup 0x20 /isd4004上电#define isdstop 0x10 /isd4004下电#define operstop 0x30 /isd4004停止当前操作#define playset 0xe0 /isd4004从指定地址开始放音#define playcur 0xf0 /isd4004从当前地址开始放音#define recset 0xa0 /isd4004从指定地址开始录音#define reccur 0xb0 /isd4004从当前地址开始录音sbit ss=p15; /low is activelysbit mosi=p11;s

31、bit miso=p17;sbit sclk=p14; sbit k1=p35;sbit k2=p36;sbit k3=p37;sbit led1=p01;sbit led2=p02;void delayms(uchar ms);uchar playcout,reccout; /放音和录音次数。/放音部分子程序，放音地址由addr决定/void play(uint addr) uint y;ss=0;mosi=0;/发送开始sclk=0;for(y=0;yy)&0x01)mosi=1;else mosi=0;_nop_();_nop_();_nop_();sclk=1;_nop_();_nop

32、_();_nop_();/发送结束ss=1;/上电结束delayms(50);ss=0;mosi=0;/发送地址sclk=0;for(y=0;yy)&0x01)mosi=1;else mosi=0;_nop_();_nop_();_nop_();sclk=1;_nop_();_nop_();_nop_();/发送地址结束mosi=0;/放音sclk=0;for(y=0;yy)&0x01)mosi=1;else mosi=0;_nop_();_nop_();_nop_();sclk=1;_nop_();_nop_();_nop_();ss=1;ss=0;mosi=0;/放音sclk=0;for(y=0;yy)&0x01)mosi=1;else mosi=0;_nop_();_nop_();_nop_();sclk=1;_nop_();_nop_();_nop_();ss=1; /lu音部分子程序，地址由addr决定/void rec(addr) ui