语音录放系统的设计与实现

杨皓宇 李智慧 景光铮 刘旭 王若桐

摘要：随着人类科学技术的发展，人们对于语音录放系统存储的工具也在不断改变，其中发展最好的是数字语音录放系统。本文主要介绍数字化语音录放系统的工作方式及其原理，其原理就是单片机控制系统的各种模块实现语音录放的功能，利用语音录放电路和A/D、D/A转换电路来实现语音信号的保存与还原的任务，并通过运放电路和喇叭将声音播放出来，进而达到记录和播放语音的目的。

关键词：语音录放;单片机;数字电路;A/D、D/A转换

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0136-03

0 引言

语言是人类最重要的信息载体，影响着人类文明的科学进步。随着新世纪的到来，传统的磁带录音和CD录音因为体积大、放音不清而被淘汰或被边缘化。现在采用单片机对语音进行处理，改变了原来产品体积大的缺点。本文介绍了基于STC12C5A16S2单片机的语音录放电路的工作方式、设计的原理，并且根据语音录放系统的特点，引出了系统的总体设计。对于录放系统的录音、放音的理论设计进行了软件和硬件论证，介绍了单片机在语音录放系统中的重要性，并且分析系统各个模块的功能，以及进行系统实物测试。

1 数字语音录放系统的原理分析

在处理数字音频信号的数字技术中，需要一些与处理模拟语音信号方法不同的概念。由于原始的语音信号是模拟量，所以数字语音处理系统会对音频信号进行采样，转化语音信号，所以说将语音信号数字化可以理解为采样和量化。

因为语音数字化需要注重两个方面，分别是量化精度和采样频率。采样频率应该大于原始语音信号最高频率的两倍。样本比特数的大小影响着声音的质量，样本比特数越大，声音越清晰，存储空间需求更大，当位数减少，声音清晰度降低，但是所占的存储空间降低。

因为原始语音信号是模拟信号，在原理上模拟信号就是一个连续的随时间函数，采样就是在定义域上对连续函数进行离散化。原始语音信号经过带通滤波后再经过采样，最后进行数字化处理。

要将数字信号恢复模拟信号，需要用到DAC0832，这款芯片是一种常见的8位D/A转换芯片，最高速度可达1M，可以将来自EEPROM的数字信号转换成模拟量信号，通过进行转换，可以将经过采样后变成数字信号的原始信号恢复过来，恢复成模拟信号，进而将模拟信号输入到后置放大电路中，经过放大后的模拟信号可以在小喇叭中将语音播放出来。

在转化数字信号时，如果DAC收到的数字量发生改变，输出的模拟量电压也将改变，但从输出模拟量电压变化到稳定时相对于输入的数字量的变化会有一段时间的延迟，这个延迟的时间就被称为建立时间。当一个芯片建立时间越短，DAC的转换速度越块，例如DAC0832的转换速度为100ns。

2 数字语音录放系统的硬件设计

2.1 控制电路设计

数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过麦克风将外界语音信号转化成模拟信号，再经过放大器电路、带通滤波器电路的放大滤波，模拟语音信号通过单片机芯片内置的A/D转换电路转换成成数字信号存储在EEPROM中，之后单片机将数据从存储器中读出，通过进行D/A转换电路转换成模拟信号，经二阶放大后在小喇叭上输出。整个系统流程图如图1所示。

2.2 语音记录电路的设计

语音录放系统的输入通道由麦克风、前置放大器、带通滤波器和AD转换器组成的。通过语音输入通道，信号将被进行初步的放大降噪处理。

麦克风可以把空气中的声信号转换成电信号。而麦克风可以分为压电式、电磁式、动圈式、半导体等。动圈式麦克风因为造价低，灵敏度较好而被广泛应用，所以本文采用动圈式麦克风。

2.2.1 前置放大电路

麦克风输出的信号实际范围约为20mv～25mv，此时需要对信号进行放大，所以要让麦克风输出的获得的语音信号放大很多倍才行，所以要求放大器的增益为46dB，且增益可调，本文采用LM741单运放和NE5532p来组成放大器。

第一级的放大倍数为R5/R2=47K/470=100倍，R4=R5∥R2≈100Ω。之后再过一个放大倍数可调的反向比较放大电路，范圍为0

2.2.2 带通滤波器

滤波器能够衰减无用频率信号，所以生活中人们常用滤波器来过滤噪声或者抑制干扰等等。此外，由于集成运放的输入阻抗很高而且输出阻抗很低，计算开环增益后，发现该运放的开环增益同样很高，所以构成的带通滤波电路具有一定的电压放大作用。

为了过滤掉噪声，设计输入通道的滤波器由低通滤波器和高通滤波器共同组成。因为语音信号的频率分布在300Hz～3400Hz，将该信号通过带通滤波器滤除3400Hz以上和300Hz以下的频谱波形，这样可以过滤掉大部分的噪声和杂波，之后该信号将被送入AD转换电路。带通滤波电路如图3所示。

2.2.3 A/D转换电路

A/D转换是把模拟量信号转换成数字信号。在日常生活中我们使用的电子设备如电脑或者工业控制设备处理信息的方式是基于布尔逻辑来工作的，也就是使用与或非电路来工作。要想让芯片工作需要把外界的模拟信号转换成数字信号才能进行数据处理。这时就需要用到AD转换电路。

本文采用STC12c5a60s2单片机的内置A/D进行转换，STC12c5a60s2内置了8路10位高速AD转换器。速度可达250KHz。满足8位8k采样速率。

2.3 语音播放电路的设计

语音输出电路是由D/ A转换器、带通通滤波器和后置放大器构成。经过DA转换器后，数字信号将被转换为模拟信号，模拟信号经过带通滤波器滤去杂波，进入到后置放大器进行放大，最后进入小喇叭播放声音。

2.3.1 带通滤波电路

此滤波器与语音输入的带通滤波电路相同，功能都是衰减无用频率的信号，将处在通频带之外的信号衰减掉，最大限度的保证在传输信号中噪声或者杂波降到最低。此带通滤波电路图如图4所示。

2.3.2 后置放大电路

末级放大电路采用一个反相比例放大电路和一个功率放大电路组成。反相比例放大电路采用OP07芯片，OP07芯片是一种低噪声双极性运算放大器集成电路。因为OP07输入失调电压较低，所以除非特殊需求OP07不需要额外的调零。OP07输入偏置电流低而且拥有高开环增益，这种特点使得OP07适用于检测微小信号。功率放大电路采用LM386是一款集功耗低、电源电压接收范围较大、需要外接的元件少和失真小等等优点于一身的功率放大器。

2.4 存储模块E2PROM

本文存储采用的是AT24C512芯片，AT24C512是一种512K（64k×8位）串行大容量的电可擦除的可编程存储器（EEPROM），由于其接口方便、功耗低、数据掉电不丢失、体积很小等特点，使得它应用十分广泛，在需要性价比的市场竞争中脱颖而出，所以该芯片是一款非常经典的存储芯片。

本设计采用三片AT24C512，使采样频率f=8KHz时语音录放的时间达到20秒。

2.5 液晶显示电路

本文采用LED1602做显示屏。它可以显示字母、符号和数字等等，1602是一款点阵液晶显示器件。它由许多的点阵字符位组成，每个字符位负责显示一个字符，每个字符以及上下两行之间都有一定的间距，它通过控制LCD1602的液晶显示屏各个部分的电压情况，使液晶屏的不同部分有着不同的电压，这就可以显示出不同的字符。

2.6 单片机控制电路

STC12C5A60S2单片机是一款高速、低耗能、抗干扰的新一代8051系列单片机，程序代码完全兼容80C51，但本芯片比原版处理速度快8～12倍。内部拥有集成的MAX810专用的复位电路，8路高速10位AD转换，使本芯片成为了一款兼容功能强大和抗干扰性的芯片。

系统最重要的是单片机控制的主控电路，该控制电路处理滤波后信号，将信号从模拟信号变成数字信号存储在24C512存储芯片中，当要求系统放音时，单片机将存储在24C512中的数字量发送到DA转换电路中，转换成模拟信号，再经过后置放大电路，让喇叭播放出声音。单片机控制电路如图5所示。

3 数字语音录放系统的软件设计

3.1 数字语音录放系统的软件流程

本设计的录音系统主要由主控系统、录放音系统、放音系统和按键系统和显示系统组成。这些系统共同组成了本设计所需要的录放系统。按键模块通过扫描键盘确定键盘是否按下，进而选择执行什么操作;显示模块是利用液晶屏显示系统处于录音还是放音的状态;主控系统模块负责在录音时将音频准换成存储的数字量，并在放音时将数字量转换成模拟量。

主控模块主要负责对LCD1602、DA转换模块进行初始化设置以及处理来自键盘系统的信号，当本程序处于不同的模式时候可以实现不同的功能，进行录音的时候用程序控制单片机处理进过前置放大和带通滤波器的模拟信号，并将信号通过AD转化变成数字量存储起来。程序放音的时候单片机控制存储器将数据发送到DAC0832，进而将数字量信号转化成模拟量信号，之后通过后置放大电路传入小喇叭将声音复原。

主控系统会根据键盘系统不同的信号，选择不同的模式，当录音按键按下，系统进行录音，同时进行检测，当检测到中断键按下的时候，系统从录音模式跳出，若中断键没有按下则继续录音，直到存储芯片存满录音终止。

3.2 按键程序设计

在本电路中有四个按键，分别是擦除键、录音键、放音键、终止键，在工作时，系统实时进行键盘扫描，扫描出录音键按下时候，则系统开始录音;扫描出放音键按下的时候，则系统开始放音。当擦除键按下时，则开始对于EEPROM中的程序进行擦除。当终止键按下，系统无论处于何种状态都会跳出回到最初的模式。

4 系统仿真和调试

打開Keil uvision4软件，建立工程，将编写好的程序加入到之前的工程中，然后进行编译。之后将编译之后产生的hex文件放入Multisim的仿真中，进行软件仿真。

5 电路硬件的焊接与调试

随着硬件设计、软件设计以及软件仿真的基本完成，接下来就是实物的制作。制作硬件时候要按照原理图进行制作，如果出现接触不严，有可能会导致该实物不能实现正常功能。系统实物图如图6所示。

6 结语

实物完成后经检测，可以实现对语音录放系统的任务要求，达到了基本的使用效果，可以进行语音的记录和播放功能。但是由于焊接技术不足以及硬件调试不充分，导致硬件实物在工作时，喇叭总是会出现杂音或者电流声，影响硬件功能的效果。尽管经过努力调试，仍然不能完全消除喇叭的电流声，只能将电流声降到最低。今后将进行相应的改善工作。

参考文献

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