基于51单片机的语音计算器设计.docx

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基于51单片机的语音计算器设计

毕业设计

题目：

基于单片机的简易计算器设计

姓　名：

学　号：

学院：

信息学院

专业：

电子信息工程

指导教师：

协助指导教师：

2011年5月23日

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬件结合，来加以完善。

计算器在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一，并且语音技术的进展给这种应用需要提供了一种有力的技术支持，逐渐被广大用户所接受，并广泛用于各种需要语音响应的场合。

基于这样的理念，本次设计是用AT89C51单片机、LCD显示器、控制按键、语音芯片ISD2560为元件来设计的具有语音播报功能的简易计算器。

利用此设计熟悉单片机微控制器及C语言编程，对其片资源及各个I/O端口的功能和基本用途的了解。

掌握MicrosoftVisualC++6.0应用程序开发环境，常用的LCD显示器的使用方法和一般键盘的使用方法。

关键字：

AT89C51、ISD2560、LCD、控制按键

Abstract

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,theapplicationofSCMisagrowing,whiledrivingmoretraditionalcontroldetectiontechnologyupdates.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,butonlySCMknowledgeisnotenough,thestructureshouldbebasedonspecifichardware,softwareandhardwarecombinationtobeimproved.

Calculatorinpeople'sdailylivesisoneofthemorecommonelectronicproducts,andprogressinspeechtechnologytosuchapplicationsneedtoprovideastrongtechnicalsupport,havebeengraduallyacceptedbythemajorityofusers,andiswidelyusedforvariousneedsVoiceresponseapplications.Basedonthisconcept,thisdesignisAT89C51microcontroller,LCDdisplay,controlbuttons,voicechipISD2560devicesdesignedforthevoicebroadcastfunctionwithasimplecalculator.FamiliarwithusingthismicrocontrollerdesignandClanguageprogrammingmicrocontrollers,resourcesandallofitschipI/Oportfunctionsandbasicuseoftheunderstanding.MastertheMicrosoftVisualC++6.0applicationdevelopmentenvironment,thecommonuseofLCDdisplaysandgeneraluseofthekeyboard.

Keywords:

AT89C51、ISD2560、LCDcontrolbuttons

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引言

当今社会，随着人们物质生活的不断提高，电子产品已经走进了家家户户，无论是生活或学习，还是娱乐和消遣几乎样样都离不开电子产品，大型复杂的计算能力是人脑所不能胜任的，而且比较容易出错。

计算器作为一种快速通用的计算工具方便了用户的使用。

计算器可谓是我们最亲密的电子伙伴之一。

随着人类社会的不断进步，随着语音芯片的普及，语音报播被广泛应用于车站报站器，语音型数字万用表，出租车语音报站器，排队机等，并且面向家庭个人使用的方向发展，更加人性化。

自动语音提示技术是计算机语音处理技术的一种应用，属于语音再生合成技术范畴。

录放系统具有电路简明、应用方便、单片录放、不怕掉电、音色纯正、性价比高等特性，与此相关的语音系统已广泛地用于通信、工控、医疗、报警示讯等领域。

本设计着重在于计算器的设计和开发，并从实际意义出发对计算器设计做了进一步的扩充，将语音播报录放技术融入其中，更好的发挥了电子产品的作用，为人们的生活带来便利。

1绪论

1.1系统开发背景

随着社会的法阵发展，科学的进步，人们的生活水平在逐步的提高，尤其是微电子技的术的发展，犹如雨后春笋的变化。

计算器在人们的日常中视比较常见的电子产品之一，如何将常见的计算器技术更加成熟，充分利用已有的软件和硬件条件，设计出更加出色的计算器，使其更好的为各行业服务，成了如今电子领域重要的研究课题。

1.2系统开发意义

人们的日程生活中已经离不开计算器了，社会的各个角落都有它的身影，比如商店，办公室，学校…。

因此设计一款简单实用的计算器会有很大的实际意义。

普通的计算器只能完成计算功能，并不能根据用户自身需要进行录音，而本设计设计的计算器不仅仅能完成计算这项功能，并能将语音系统融到计算器中，可以自定义一段录音，然后播放出来，很有意思。

这种根据自己喜好录放音的计算器将会受到大家的喜欢。

1.3设计内容和章节分配

随着嵌入式的快速发展，单片机本着它简单，功能强大，易于设计等优点被设计者使用。

因此，本设计使用单片机做为控制器件，将计算系统与语音系统结合。

通过此次设计的完成，对字符液晶显示模块的工作原理，如初始化、清屏、显示、调用及外特性有较清楚的认识，并会使用LCD实现计算结果的显示，在充分分析内部逻辑的概念的同时，进行软件编译和调试。

第一章为设计的背景、意义介绍，简明扼要的阐述设计的目的和成果；第二章为系统方案设计介绍，主要从设计的功能，方案的确定及选择原因和系统组成来介绍。

第三章为主要芯片介绍，详细介绍了芯片的内部结构和引脚分布。

第四章为设计的核心，即硬件电路设计，此章将硬件电路分为若干模块，分别介绍了模块的硬件设计电路。

第五章为软件设计，从语言的选择，控制字的确定，流程图的介绍到最后的仿真与调试。

通过这几章的介绍，完成简易计算器的设计。

2系统方案设计

2.1功能介绍

2.1.1基本功能

根据所学知识，自行设计一个计算器，要求自行设计供电电源，该计算器能够实现加减乘除四则混合运算，能够实现连续计算。

2.1.2扩展功能

（1）该计算器能够实现精确到小数点三位的运算。

（2）该计算器可显示负数。

（3）该计算器带有DIY语音系统，可自定义录/放音。

2.2方案论证与比较

2.2.1控制部分的设计方案论证与选择

根据设计要求，控制器主要用于红外信号的接收和辨认、控制步进电机的动作，控制显示步进电机的转速等。

控制器主要用于数据的接收和发送、数据的运算，控制显示液晶屏等，针对这些要求，对于控制器的选择有以下三种方案。

方案一：

采用计算器专用芯片实现。

用计算器专用芯片进行设计并编程实现。

这种设计方案计算效率高、速度快、而且成本也相对较低，是厂家做计算器的最佳方案。

但是本人对计算器专用芯片掌握的不够，还不足以实现设计计算器，所以这个方案不可去可取。

方案二：

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

FPGA将所有器件集成到一块芯片上，体积小，节省空间，提高了稳定性；直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，工作可靠性好。

可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，采用并行的输入输出方式，系统处理速度高，适合作为大规模实时系统的控制核心。

由FPGA内部编程实现计算器功能，本设计对数据处理速度的要求不是很高，FPGA的高速处理的优势得不到充分的体现，由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

并且FPGA的价格相对较高，性价比太低，所以这个方案不考虑。

方案三、用单片机实现。

由于单片机集成了运算器电路、控制电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等，所以用单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。

由于单片机是可编程芯片，并且它可以运用C语言编写，对于一些复杂的计算功能，可以调用C语言库函数。

使编写程序变得非常简单。

所以该课题用单片机实现，不仅功能易于实现，而且精确度高，稳定性好，抗干扰能力强。

并且由于其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，且技术比较成熟。

性价比也相当高。

更重要的是本人经过几年的学习，对单片机已有深刻的理解，并且可以灵活运用。

综上所述，并通过各个方面综合比较为达到最佳效果。

我们采用方案三利用单片机控制器。

2.2.2显示电路的设计方案论证与选择

方案一：

数码管显示方案。

数码管显示使用两个四位一体动态数码管显示方案，采用动态数码管显示，具有程序简单，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，精确可靠，操作简单。

显示直观的特点。

但只能显示数字和一些代码，不能显示汉字及一些常用的符号，且硬件设计比较复杂。

方案二:

采用AT1602型液晶显示。

（一）基本特性

显示特性

1、+5V电压，对比可调度；

2、内含复位电路；

3、提供各种控制命令，如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；

4、有80字节显示数据存储器DDRAM；

5、内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；

6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

（二）接口定义

AT1602接口定义如图2.1所示：

图2.1接口定义图

综上所叙，AT1602的显示效果好、功能齐全，所以我们选用AT1602液晶显示。

该液晶有16个引脚，它能显示32个字符，并且硬件电路设计简单，显示美观。

2.2.3键盘设计方案与选择

方案一：

独立键盘。

独立键盘为一端接地，另一端接I/O口，并且要接上拉电阻。

这种键盘的硬件都很容易实现，但每一个按键就要用一个I/O口，非常的浪费单片机的I/O口资源，不适合本次设计。

方案二：

自制编码键盘。

编码键盘编程简单，占用资源少，但其硬件比较复杂，要用很多的二极管，不是很理想。

方案三：

4*4矩阵式键盘。

这种键盘的硬件简单，使用的I/O口比独立键盘减少一半，而且这种键盘的编程方法已很成熟。

所以本次设计采用这种矩阵式键盘。

2.3系统组成

本设计采用MCS-51系列单片机AT89C51来设计计算器。

通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计。

由键盘输入数值，再通过8051单片机输入到系统，并由I/O口输出送到LCD显示屏；最后由1602LCD显示输入数值和输出结果，还可以通过语音模块可以达到语音播报实现录放音的功能效果。

其中，设计以单片机为核心，包括开关模块、扩展模块、运算模块、语音模块和显示模块。

系统框图如下图所示：

图2.2系统框图

硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。

硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统实用性强、操作简单。

软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，因此使用KeilC语言进行开发，Proteus仿真软件进行仿真。

此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。

本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过Keil调试后，达到设计功能要求，并在Proteus中仿真。

在设计中采用AT89C51单片机作为微处理器，低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

硬件方面完成包括键盘控制，LCD屏显示控制，运算控制、语音控制等设计。

除外，还有各部件之间的连接、引脚间的连接等工作；软件方面完成各功能的程序编写，在程序编写完成后，进行程序调试。

2.4总体设计思想

1、可以进行四则运算，采用LCD显示数据和结果。

2、键盘包括数字键（0-9）、符号键（+、-、*、/）、清除键和等号键，设计中采用4*4键盘。

3、执行程序：

键入数字，通过LCD显示出来，当键入+、-、*、/运算符，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结果。

4、错误提示：

当单片机执行程序中有错误时，会在LCD上显示相应的提示，如：

当除数为0、数值超出范围时，计算器会在LCD上错误提示。

5、可进行声音的录音和放音。

3主要芯片介绍

3.1AT89C51选择及介绍:

随着集成电路工艺的发展，出现了单片机、DSP,、ARM等多种单片机。

DSP：

它从16位~32位，内部采用哈佛结构，特别适合数据处理。

16位DSP适合中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理；32位DSP适合复杂语音/图片/视频处理。

ARM：

是32位单片机，由于结构和计算速度的原因，目前适合做事务处理或者中低端应用，从中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理。

而AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

51单片机虽然和DSP,ARM相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本次实验的要求，所以我们采用AT89C51这款单片机。

AT89C51内部原理图如图3.1所示：

图3.1AT89C51单片机内部原理图

引脚图如图3.2所示：

图3.2AT89C51单片机引脚图

AT89C51的主要特性：

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程闪烁存储器

（3）数据保留时间：

10年

（4）全静态工作：

0Hz-24Hz

（5）128*8位内部RAM

（6）32可编程I/O线

（7）两个16位定时器/计数器

（8）5个中断源

（9）可编程串行通道

（10）片内振荡器和时钟电路

中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

数据存储器（RAM）：

C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

程序存储器（ROM）：

C51共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

定时/计数器：

C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断，用于控制程序转向。

并行输入输出（I/O）口：

C51共有4组8位I/O口（P0、P1、P2和P3），用于对外部数据的传输。

全双工串行口：

C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

中断系统：

C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

时钟电路：

C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但C51单片机需外置振荡电容。

3.2ISD2560选择及介绍:

目前市场流行的语音芯片有很多，从性价比的角度来考虑，美国ISD公司的ISD系列语音芯片可谓是一只独秀。

ISD系列语音芯片具有以下优点：

（1）采用模拟量数据存储在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟量数据直接写入单个存储单元，不需要经过A/D，D/A转换。

（2）内部集成了大容量的的EEPROM，不再需要扩展存储器。

（3）控制简单，控制引脚与TTL电平兼容。

（4）集成度高，使用方便。

（5）能较好的真时再现语音的自然效果，避免了一搬固体语音电路的因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象。

因此本例选用ISD公司的语音芯片ISD2560。

ISD2560是ISD公司生产的语音录入和重放芯片ISD2500系列之一，ISD2500系列芯片包括ISD2560，ISD2575，ISD2590和ISD25120四种，他们的主要区别在于存储语音的时间长度，ISD2560的录音时间为60秒，ISD2575的录音时间为75秒，ISD2590的录音时间为90秒，而ISD25120的录音时间为120秒。

ISD2560采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实，自然得再现语音，音乐，音调和效果声，从而避免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”。

ISD2560的采样频率为8kHZ，同一系列的产品采样频率越低，录音/放音时间越长，但同频带和音质会有所降低。

ISD2560可重复录放10万多次，它是一种永久记忆型语音录音/放音电路，它具有音质自然，使用方便，单片存放，反复录音，功耗低，抗断电等许多优点，因此在许多领域获得了广泛的应用。

ISD2560省去了A/D和D/A转换器，集成度较高，内部包括前置放大器，内部时钟，定时器，采样时钟，滤波器，自动增益控制，逻辑控制，模拟收发器，解码器和480k字节的EEPROM。

ISD2560内部的EEPROM存储单元均匀分为600行，有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100ms。

此外，ISD2560还具备微控制器所需的控制接口。

通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以便实现复杂的信息处理功能，如信息的组合，连接，设定固定的信息段和信息管理等。

ISD2560可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。

ISD2560内部原理图如图3.3所示：

图3.3ISD2560内部原理图

由内部框图可知其内部集成了高精度的时钟电路，无需外部配置晶振，ISD2560可进行录、放两种操作。

录入时，语音信号经过换能器MIC转变为电信号，该信号经过隔直电容去除直流分量后送入前置放大器，微弱的电信号经过前置放大后由ANAOUT脚输出，经过隔直电容后送入ANAIN脚，既而信号进入自动增益AGC放大器，信号电平得到调理，使其符合存储电路的动态范围。

为使得采样信号不产生失真，采样系统必须满足奈奎斯特采样定律。

ISD2560的采样频率8K，故实际应用中，为存储不失真音频信息，放大后的信号必须经过一个低通滤波器后方可送入存储单元，该滤波器为一五极点抗干扰滤波器，高频频限为3.4K，完全满足奈奎斯特定律，该器件典型带宽为3.4K。

调理完毕的信号在内部时钟的作用下以闭环控制形式送入模拟存储阵列。

如3.4图所示：

图3.4闭环存储电路

被采样信号经采样电路取样保持，同时电子被泵入模拟存储单元，此时两者被送入比较器的比较端，当两者电平相等时则停止向EPROM中写入数据，这样模拟信息得到了存储。

在器件的放音模式下，录入的模拟电压在取样脉冲的作用下，顺序的从模拟矩阵中读出并恢复为原始波形，经五极点平滑滤波器后入混合器，以便与外界其他信号混合，而后送入功率放大器，并由SP+,SP-端输出，可直接驱动扬声器。

ISD2560应用电压：

单5V供电

录/放时间：

60S

寻址空间：

1024位

最多语音分段：

600支持OVF溢出

支持节电模式：

录放操作周期外电流仅为0.5uA

ISD2560引脚图如图2.4所示：

图3.5ISD2560引脚图

3.3开发工具的选择及介绍：

本设计原理图绘制采用的是Protel99SE。

Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。

因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。

利用protel进行电路设计需要三个步骤：

图3.6protel设计电路步骤图

本设计利用protel软件画的硬件电路图主要有单片机AT89C51的最小系统和语音芯片ISD2560电路及它们的接口电路，并对其进行PCB版图绘制。

本设计的计算器语音播报系统是以AT89C51为核心建立的系统，在软件编辑方面，需要对计算器、语音录/放音两部分分别构成的子函数进行编辑。

在编辑中需要用keilC51软件。

计算器的仿真由软件Proteus完成，他能很好的模拟计算环境，达到硬件的仿真效果。

4硬件电路设计

硬件电路主要包括单片机为核心的复位电路、时钟电路，外围电路有显示电路、语音电路和按键电路。

通过各电路，详细的介绍了电路组成。

4.1复位电路

AT89C51单片机在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内部的斯密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期），则CPU就可以响应并将系统复位。

如图4.1所示，其为手动复位电路，通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态。

图4.1复位电路

4.2时钟电路

AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2,两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。

电容器C1和C2通常取22pf左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。

振荡脉冲频率范围为0~24MHz。

时钟接口电路如图4.2所示：

图4.2时钟电路

4.3显示电路

本设计采用LCD1602液晶显示器来显示输出数据，即可以显示两行，每行16个字符。

本设计通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应的数据。

其接口电路如图4.3所示。

图4.3显示电路

4.