基于51单片机的语音提示饮水杯的设计

郭凤雨，龚成龙，张 磊

（1.中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州 221008；2.淮海工学院 电子工程学院，江苏 连云港 222005）

目前，随着生活节奏的加快，在忙于工作的同时，许多人忽略了生活中的小细节，即适当饮水，特别是春秋季节，适当饮水可以很好地预防感冒等疾病的发生，同时适当饮水还有很多好处，在此，就不一一列举。怎样提示按时适当喝水呢？语音提示饮水杯即可实现此效果。与现有杯子相比，本饮水杯具有定时语音提示功能，使用者只要设定饮水时间和录下想要提示的录音，到达时间后，杯子上的语音提示装置就会提示使用者饮水。使用这种杯子，有益于使用者形成正确的饮水习惯。同时此杯子还可送给老人，小孩。在无暇照顾他们的时候，提示他们适时喝水，保持身体健康。

1 语音提示饮水杯外观的设计

以图1圆柱形饮水杯为例：杯盖分为两层，下层为普通的水杯盖，上层为语音提示盖，盖中装有语音提示装置。语音提示盖上有两个孔，即用作录音的话筒孔和用作放音的扬声器孔。打开语音提示盖上面的长方形保护盖，下面为：a：3个按键，分别是：开/关按钮、录/放音按钮、定时按钮。b：LED录音指示灯。当按住录音按键录音时，LED指示灯亮；松开按键停止录音时，LED指示灯灭。

图1 语音提示饮水杯的外观设计图Fig.1 Exterior design of voice prompts drinking cup

2 硬件电路的设计

由图2的框图可知：本设计框图包括3个按键，AT89C51单片机，ISD2560语音芯片，话筒和扬声器。其中AT89C51单片机为本设计的控制核心，它控制ISD2560语音芯片，实现对声音的录制，定时和播放。

图2 系统设计总框图Fig.2 General block diagram of system design

2.1 芯片的选取

2.1.1 语音芯片的选取

美国 ISD公司的 2500芯片，分为 ISD2560、2575、2590和25120 4个品种。它们的录放时间分别为：60 s、75 s、90 s和120 s。而在此设计中录放时间60 s的ISD2560芯片完全可以满足要求，所以选用ISD2560芯片。

ISD2560是ISD2500系列单片语音录放集成电路的一种，是一种永久记忆型录放语音电路。录音时间为60 s，最多可以分成600个段，能重复录放达10万次。它采用模拟量电平直接存储技术。把每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中。因此能够非常自然地再现语音、音乐等。又省去了A／D、D／A转换器，具有良好的音色，又避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声。片内集成了很多功能电路。包括前置放大器、定时器、内部时钟、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480 k字节的EEPROM。可以直接连接录音输入和放音输出，使用方便并且价格低廉。使得该系列芯片得到十分普遍的应用。在公共汽车语音报站器、电话自动应答系统、语音讲解仪、便携式语音记录装置、电子词典、语言复读机等诸多方面都有应用[1-3]。其引脚图如图3所示。

图3 ISD2560引脚原理图Fig.3 Schematic of ISD2560 pins

为了能够更深入地了解ISD2560芯片的工作原理。先介绍一下该系列芯片引脚功能[4]。

Pin28（数字电源 VCCD）和 Pin16（模拟电源 VCCA）：芯片内部的数字和模拟电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上。数字和模拟电源端最好分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容则应尽量靠近芯片，这样可以最大限度地减小噪声。

Pin12（数字地 VSSD）和 Pinl3（模拟地 VSSA）：这两脚最好通过低阻抗通路连接地。

Pinl4（扬声器输出 SP+）和 Pinl5（SP-）：单端输出时必须在输出端和喇叭间接耦合电容。而双端输出则不用电容就能将功率提高至4倍。

Pin20（模拟输入ANA IN）：录音信号输入端。

Pin21（模拟输出ANA OUT）：前置放大器输出。

Pin17（话筒输入MIC）：该端连至片内前置放大器，外接话筒应通过串联电容耦合到该端。耦合电容值和该端的输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。

Pin18（话筒参考MIC REF）：该端是前置放大器的反向输入，当以差分形式连接话筒（即话筒的一端连接MIC，另一端连接MIC REF）时，可减小噪声，并提高共模抑制比。

Pin19（自动增益控制AGC）：AGC可动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，减少失真度。

Pin1～Pinl0（地址 ／模式输入 A0／M0～A6／M6～A9）：当最高两位中有一个为0时，作为当前录音或放音的1O位起始地址（实际仅用0～599作为芯片内部EEPROM的地址码）。该地址码在的下降沿被锁存。当最高两位全为1时，A0～A6称为M0～M6，用做命令操作模式或者按键模式（M6也为1时）的命令位。

Pin24（节电控制PD）：高电平可使芯片停止工作而进入节电状态。

Pin26（外部时钟XCLK）：外部时钟输入，不用时应接地。

Pin27（录放控制P/R）：高电平选择放音，低电平选择录音。

2.1.2 单片机选取

随着集成电路工艺的迅速发展，出现了51系列单片机、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。其中16位DSP适合中高级工控到简单语音/图片处理；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/图片处理。AT89C51是一种带4 k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。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设计的要求，所以采用AT89C51单片机。

2.2 语音提示装置硬件电路

AT89C51单片机的4组I/O端口中，作为普通I／O端口的只有P1口。用外部中断0（即P3.2位）与录放器件的 EOM端（作为录音时的结尾标志输出端口）连接，录/放模式选择端，器件使能输入端CE、节电控制端PD分别与P1口的P1.5～P1.7相连，作为语音芯片和单片机的输入控制端口，10位地址端与单片机的低8位和高2位连接组成A0～A9。麦克风和扬声器与相应的ISD2560引脚相连，并接相应的电容电阻进行稳压和稳流[5]，整个系统电路原理如图4所示。

图4 语音提示装置电路图Fig.4 Schematic of voice prompts device

到此，硬件电路芯片的选型以及电路的搭建已设计完成。

3 软件的设计

随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS－51系列单片机程序的软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVison）将这些部分连在一起。

因此本设计的软件部分通过Keil进行程序的编程，下面主要介绍程序中的主要子程序和一些重要部分：

初始函数主要是对定时/计数器和一些参数初值的设定:

录音函数：

定时函数及原理

当单片机工作于定时状态时，定时/计数器对机器周期进行计数，每个机器周期包括12个振荡周期，以晶振频率为6 MHz为例，则：

1个机器周期=12/晶振频率=12/6 000 000=0.002 ms

定时时间为：TC=XTP。其中，TP为机器周期，TC为定时时间。

则应装入计数/定时器的初值为：

对于方式一，一次最大的定时时间为：T=（216－0）×0.002=131.072 ms，为了便于计算，设定每次最大定时时间为100 ms，计算应装入的初值[6]：

本设计软件默认定时时间为30 min，而每次耗时100 ms，所以30 min需循环18 000次。定时的时间间隔为1 h，即按一次按键定时为1 h，2次为2 h，3次为3 h。按到第4次就恢复到默认值，即30 min。

定时函数：

放音函数：

放音时，使PR为高而PD为低。置CE为低电平（此处通过编写C程序，将CE置为低电平）就开始从指定的地址开始放音。起到提示效果。

通过上述程序，稍加增减，设计所要求的软件部分即可实现，在此就不一一赘述。

4 结束语

本设计的语音提示饮水杯采用ISD2560语音芯片，省去A／D转换和D／A转换，语音自然真实。给出以AT89C51单片机为核心所编写的C程序，通过实验验证该语音录放系统录音和放音效果良好，单片机控制相当准确。完全可以起到语音提示饮水的效果。

在应用方面，这种为饮水杯所设计的语音提示装置还可用于其他领域，作为一个模块可与其他功能电路集成，实现各种功能复杂的语音系统，如手机话费查询系统、电脑语音钟、监控系统语音报警及公共汽车报站器等，具有一定的实用价值。

[1]王南阳.ISD系列单片语音录放集成电路 [J].电子世界，2005（12）:41－42.

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[2]翟祺，金文臣.ISD系列单片语音录放电路的原理及应用[J].山西电子技术， 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]刘连吉.ISD单片语音录/放器件及电路设计[J].海洋技术，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]杨志远，谢秋华.ISD2500系列语音芯片随机语音分段方法[J].三明学院学报， 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]吕印晓，谢震宇，张宝军.单片语音录放芯片ISD5102的原理及应用[J].电子工程师，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]陈桂友，孙同景.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.