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家庭语音防盗系统的设计.doc
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家庭语音防盗系统的设计.doc
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家庭语音防盗系统的设计
【摘 要】:目前,市场上的语音录放系统,多采用的是顺序录音,不具备循环录音功能
而且存在着难以实现自动播音、无法实现直接对地址的操作、不能有效利用存储器资源等
问题。本次设计将 AT89S51 单片机系统和语音芯片 ISD4004 联系起来,形成一个基于
ISD4004 语音芯片的智能化的语音录放系统,通过 ISD4004 语音芯片和 AT89S51 单
片机芯片的有机接合实现了语音录放系统控制的智能化,成为一个既能够循环录放、又能
智能化管理的语音录放电路,具有较高的实际应用价值。作为家庭防盗的语音录放系统,
它能够录下一些主人的话,当红外检测装置检测到有未知的进入者时,会适时地发出语音
警告,起到一定的保护作用,而且本钱很低,反响灵活,适合大局部家庭的应用。
1 设计思路
1.1 课题的选取
最初的设计灵感来自于以前做过的一个语音播放作品,当时用很简单的电路和很少的元件
实现了一个市场上一般音响的功能,用在自己的电脑来放音乐。通过查阅一些相关的资料,
再加上一些功能来作为此次的设计作品。这样,操作起来比拟简单,而且这个作品很实用,
设计出来的系统可以应用到家庭防盗系统、公交报站系统、旅游景点导游系统中,应用 X
围很广泛。考虑到家庭财产的平安,设计出的语音系统再连接一个红外检测装置,就可以
用在防盗系统中,起到一定的保护作用。而且相比于市场上昂贵的防盗产品,这样简单实
用的设计更适用于一般的家庭。
1.2 设计思路
采用 AT89S51 和 ISD4004 语音芯片再配合麦克风、LM386 功放组成一个简单的语
音录放系统,实现以下功能:录制并播放语音,包括音乐、歌曲、说话的声音以及自然界
的声音等;设置四个按键和一个拨动开关,按键实现语音的播放、停顿、快进和感应控制,
拨动开关实现录音和放音的切换;配置一个复位按键,消除以前的录音;配置两个 LED 发
光二极管和两个一位七段数码管,一个 LED 发光二极管显示是否正常工作,另一个用来指
示对语言芯片的操作,数码管显示当前录放的段数。上面的录放系统再外接一个热释电传
感 RE200B 及传感信号处理器 BISS0001 就可以完成一个简单的家庭语音防盗系统,当有
人接近门窗时,热释电传感器检测到人的存在,就会向控制系统 AT89S51 发出信号,然
后会通过放音电路放出以前存储在 ISD4004 语音芯片中的语音,起到语音警告的作用,
吓走不法分子。
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2 工作原理
录放系统主要由 ISD4004、AT89S51、LM386 和热释电传感器 RE200B 组成,
AT89S51 负责控制,ISD4004 芯片负责录音,LM386 用作功放,热释电传感器
RE200B 负责检测是否有人接近门窗。现在将主要芯片的资料介绍如下:
2.1 ISD4004 芯片
ISD4004 是美国 ISD 公司制造的一种新款语音芯片。与 ISD 其它系列语音产品不同
的是,ISD4004 是一种微控制器“从〞设备,而“主〞控制器可以是内置有 SPI 兼容接口的
微控制器,也可以用 I/O 仿真 SPI 通信协议。ISD4004 系列工作电压为 3V,单片录放时
间为 8~16 分钟,音质好,适用于移动及其他便携式电子产品中。
2.1.1 特点:
〔1〕单片 8 至 16 分钟语音录放;
〔2〕内置微控制器串行通信接口;
〔3〕3V 单电源工作;
〔4〕多段信息处理;
〔5〕工作电流 25-30mA,维持电流 1μA ;
〔6〕不耗电信息保存 100 年(典型值);
〔7〕高质量、自然的语音复原技术;
〔8〕10 万次录音周期(典型值);
〔9〕自动静噪功能;
〔10〕片内免调整时钟,可选用外部时钟;
2.1.2 内部框图:
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图 2-1 ISD4004 系列语音芯片内部框图
芯片采用 CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动
静噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。(内部构造如图2-1所示)。芯片设计是基于所有操作
必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI 或 Microwire)送入。芯片采用多
电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、
自然地再现语音、音乐、音调和效果声,防止了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量
化噪声和"金属声"。采样频率可为 4.0、5.3、6.4、8.0kHz,频率越低,录放时间越长,
而音质那么有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存 100 年(典型值),
反复录音 10 万次。
2.1.2 引脚功能描述
ISD4004 的引脚排列如图2-2 所示,各引脚功能如下:
〔1〕电源(18-VCCA、27-VCCD):此引脚提供芯片工作所需的电压。为了使噪声最
小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模
拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。
〔2〕地线(11/12/23-VSSA、4-VSSD):此引脚接芯片工作的地线。芯片内部的模拟
和数字电路使用不同的地线。
〔3〕同相模拟输入(17-ANA IN+):这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单
端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值 32mV,耦合电容
和本端的 3KΩ 电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度
为峰峰值 16mV。
〔4〕反相模拟输入(16-ANA IN-):差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号
通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值 16mV,本端的标称输入阻抗为 56K 。单端驱
动时,本端通过电容接地。两种方式下,ANA IN+和 ANA IN-端的耦合电容值应一样。
〔5〕音频输出(13-AUD OUT):此端提供音频输出,可驱动 5KΩ 的负载。
〔6〕片选(1-SS):此端为低,即向该 ISD4004 芯片发送指令,两条指令之间为高电
平。
〔7〕串行输入(2-MOSI):此端为串行输入端,主控制器应在串行时钟上升沿之前半
个周期将数据放到本端,供 ISD 输入。
〔8〕串行输出(3-MISO):此端为 ISD 的串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。
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图 2-2 ISD4004-08MP 系列引脚
〔9〕串行时钟(28-SCLK):此端为 ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步
MOSI 和 MISO 的数据传输。数据在 SCLK 上升沿锁存到 ISD,在下降沿移出 ISD。
〔10〕中断(25-INT):本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到
EOM 或 OVF 时,本端变低并保持。中断状态在下一个 SPI 周期开场时去除。中断状态也
可用 RINT 指令读取。OVF 标志----指示 ISD 的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM 标
志----只在放音中检测到内部的 EOM 标志时,此状态位才置 1。
〔11〕行地址时钟(24-RAC):此端为漏极开路输出端。每个 RAC 周期表示 ISD 存储
器的操作进展了一行 (ISD4004 系列中的存贮器共 2400 行)。8kHz 采样频率的器件,
RAC 周期为 200ms,其 XX 号 175ms 保持高电平,低电平为 25ms(如图2-3所示)。快
进模式下,RAC 的 218。75μs 是高电平,31。25μs 为低电平。该端可用于存储管理技
术。
175ms
25ms
图 2-3 ISD4004-08MP 录放时序
〔12〕外部时钟(26-XCLK):本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已
调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压 X 围内, 频率变化在+2.25%内。
工业级芯片在整个温度和电压 X 围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。
假设要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如附录所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波
器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进
展了分频。在不外接时钟时,此端必须接地。
〔13〕自动静噪(14-AM CAP):当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,
自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接 1mF
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的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一局部。检出的峰值电平与内部设定的阈值作
比拟,决定自动 静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减
6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接 VCCA 那么制止自
动静噪。
2.1.3 工作原理与功能特性
〔1〕SPI 协议(串行外端接口)
ISD4004 工作于 SPI 串行接口。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微
控制器的 SPI 移位存放器在 SCLK 的下降沿动作,因此对 ISD4004 而言,在时钟上升沿锁
存 MOSI 引脚的数据,在下降沿将数据送至 MISO 引脚。协议的具体内容为:
① 所有串行数据传输开场于 SS 下降沿。
②SS 在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间那么保持为高电平。
③ 数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。
④SS 变低,输入指令和地址后,ISD 才能开场录放操作。
⑤ 指令格式是(8 位控制码)加(16 位地址码)。
⑥ISD 的任何操作(含快进)如果遇到 EOM 或 OVF,那么产生一个中断,该中断状态在
下一个 SPI 周期开场时被去除。
⑦ 使用"读"指令使中断状态位移出 ISD 的 MISO 引脚时,控制及地址数据也应同步从
MOSI 端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进展的操作兼容。当然,也允许在
一个 SPI 周期里,同时执行读状态和开场新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以
不兼容)。
⑧ 所有操作在运行位(RUN)置 1 时开场,置 0 时完毕。
⑨ 所有指令都在 SS 端上升沿开场执行。
〔2〕SPI 接口指令
以以下举了几种对 ISP 器件进展操作时的指令次序:
① 信息快进
用户不必知道信息确实切地址,就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。
放音速度是正常的 1600 倍,遇到 EOM 后停顿,然后内部地址计数器加 1,指向下条信息
的开场处。
② 上电顺序
器件延时 TPUD(8kHz 采样时,约为 25ms)后才能开场操作。因此,用户发完上电指
令后,必须等待 TPUD,才能发出一条操作指令。
例如,从 00 从处发音,应遵循如下时序:
1>发 POWER UP 命令;
2>等待 TPUD(上电延时);
3>发地址值为 00 的 SETPLAY 命令;
4>发 PLAY 命令;
器件会从此 00 地址开场放音,当出现 EOM 时,立即中断,停顿放音。
如果从 00 处录音,那么按以下时序:
a。发 POWER UP 命令;
b。等待 TPUD(上电延时);
c。发 POWER UP 命令;
d。等待 2 倍 TPUD;
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pyhm63
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