第頁單片機控制的語音播報系統(tǒng)硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14138單片機控制的語音播報系統(tǒng)硬件和軟件設計案例 129983第1章硬件設計 132251.1硬件的總體設計 119531.2STC89C52芯片介紹 2295241.3聲音采集電路 5302801.4QJ000M02模塊介紹 6179151.5顯示電路 933631.5.1LCD1602工作原理 953941.5.2LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能 993381.5.3LCD1602的指令說明及時序 105971.5.4LCD1602的初始化過程 13326371.6本章小結 1421256第2章軟件設計 1525142.1UART通信簡介 16230112.2Keil４軟件的簡單介紹 18128782.3Protues的簡單介紹 20第1章硬件設計本次設計中所用到的元器件清單如表3-1表3-1元器件清單模塊名稱型號數(shù)量（個/塊）51單片機STC89C521QJ000M02語音模塊QJ000M021液晶顯示屏LCD16021按鍵輕觸按鍵6咪頭MIC111.1硬件的總體設計大多數(shù)語音播報系統(tǒng)通過微處理器控制QJ000M02芯片完成語音播報功能。記錄的形式下，音頻信號，即聲波信號，通過麥克風傳輸并轉換為電信號。由于QJ000M02的特性，駐極體直接獲得的聲音信號雖然很微弱，但不需要通過放大濾波，就可以直接送到QJ000M02。在語音播放模式下，在微控制器將播放地址和音頻播放指令發(fā)送到QJ000M02之后，它可以播放相應的音頻。播放音樂時，芯片通常由外部濾波器和放大器處理，但是QJ000M2芯片具有1W8歐姆放大器，因此1W8歐姆揚聲器可以直接連接到芯片，而無需外部濾波器電路和功率放大器電路。系統(tǒng)結構圖如圖3-1所示。單片機控制電路電源電路液晶顯示電路單片機控制電路電源電路液晶顯示電路聲音采集電路時鐘電路聲音采集電路時鐘電路復位電路復位電路錄音模塊電路錄音模塊電路按鍵電路按鍵電路聲音播放電路聲音播放電路圖3-1系統(tǒng)總體結構框圖1.2STC89C52芯片介紹STC89C52是一種高性能的微處理器，是一個8位CMOS8K字節(jié)的isp只讀存儲器，可讀寫1000次。兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)和80C51針結構，STC89C52是一款功能強大的微型計算機，它與通用的8位CPU和ISPFlash存儲器相結合，為許多嵌入式控制器提供經(jīng)濟高效的解決方案STC89C52具有以下功能：40管腳、8K字節(jié)的Flash片內存儲器、256字節(jié)的RAM、32個外部輸入/輸出接口（I/O），5個優(yōu)先級的干擾級別，2級嵌套中斷，2個16位可編程定時器，2個完整的通信接口和時鐘接口。此外，STC89C52可以降低到0Hz，運行靜態(tài)邏輯，并切換到兩個可選的節(jié)能模式。在空閑模式下，CPU停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串行端口和中斷繼續(xù)。在掉電模式下，RAM的內容被保存，振蕩器被凍結，所有微控制器的操作被停止，直到下一次崩潰或下一次硬件配置。STC89C52具有四個8位并行I/O端口：端口P0，P1，P2和P3，對應的極點為P0.0?P0.7，P1.0?P1.7，P2.0?P27，P3。0?P1.7，共有32條I/O電纜，每根電纜都可以單獨用作輸入或輸出。端口P0：端口P0是具有8位打開和關閉的I/O端口。作為輸出端口，每位可驅動8級TTL邏輯。當向端口P0寫入“1”時，針的功能是輸入具有嚴格限制的數(shù)據(jù)。在該模型中，P0沒有內部上拉電阻。在編程期間，端口P0還用于接收字節(jié)指令。在程序測試期間，它將發(fā)布結果作為指南。檢查探頭后，必須存在一個外部上拉電阻。端口P1：端口P1是具有內置上拉電阻器的高效8位I/O端口。P1處理器可以驅動4級TTL邏輯。將“1”寫入端口P1時，內部上拉電阻會將端口拉高，并且此時可以將其用作輸入端口。當用作輸入時，由于內部電阻，針向外拉以產(chǎn)生電流（IIL）。端口P2：端口P2是具有內部上拉電阻的8位加速I/O端口，P2輸出緩沖器可驅動4級TTL邏輯。當將“1”寫入端口P2時，內部上拉電阻會將端口上拉，此時可以將其用作輸入端口。當用作輸入時，由于內部電阻，針向外拉以產(chǎn)生電流（IIL）。在此應用中，端口P2使用較強的內部上拉發(fā)送1。當使用8位地址訪問外部存儲器時，端口P2導出P2鎖存器的內容。端口P3：端口P3是具有內部上拉電阻器的高效8位I/O端口。P3輸出控制器可以驅動4個TTL邏輯電平。當將“1”寫入端口P3時，內部上拉電阻將上拉到高位置，此時它可以用作輸入端口。在閃存編程和驗證期間，P3端口還接收一些控制信號。單片機的引腳圖如圖3-2-1所示。圖3-2-1STC89C52單片機引腳圖最小的微型單片機系統(tǒng)是指由最少的組件和單個微型計算機芯片組成的系統(tǒng)。對于52的微型單片機產(chǎn)品，最小系統(tǒng)應包括：單片機，晶振和復位電路。單片機接口電路主要用于連接計算機和其他外部設備。復位電路：單片機最小系統(tǒng)復位電路的極性電容C3的大小直接影響單片機的復位時間。CS-51微控制器通常使用兩種復位方法：自動重置和按鍵重置。這里采用了按鍵重置和上電復位兩個的組合。晶體電路振蕩器：典型的晶體振蕩器是一個12MHZ的大型晶體振蕩器，單個微芯片的C1和C2上的最小起始電容通常為15-33pF。單片機最小系統(tǒng)的電路如圖3-2-2所示。圖3-2-2單片機最小系統(tǒng)的電路1.3聲音采集電路聲音采集電路的設計是直接使用駐極體進行聲音采集。在效應晶體管的柵極，柵極和源極之間有一個間接二極管，如圖3-3所示。當駐極體膜片本身施加電場時，表面電荷為Q，極板之間的電容為C，并且在極點末端產(chǎn)生電壓U=Q/C。電壓變化的頻率反映了外部聲音的頻率。圖3-2-2駐極體原理圖1.4QJ000M02模塊介紹它是一種新型的高質量MP3錄音模塊，可以全方位滿足客戶的需求。可以使用文件夾分類，指定要播放的文件名和指定要播放的索引號，從而可以靈活地組織音頻文件。還可以按文件名或索引在指定文件夾中保存和播放，并且可以指定任何文件的刪除。具有讀取內存狀態(tài)和查詢內存容量的能力，能夠隨時了解內存狀態(tài)并靈活使用。圖3-4-1QJ000M02產(chǎn)品特性：1）支持WAV，WMA，MP3高質量音頻播放，音質優(yōu)美。2）MP3格式的高質量音頻錄制，采樣率為48KHz，比特率為32?128Kbps。3）使用內部存儲器或外部U盤作為存儲，可以支持32G內存和32GU。4）有3種錄音系統(tǒng)，麥克風，電纜錄音和兩聲道錄音。5）交換文件名記錄器，最長22個字符。6）連續(xù)錄制時間最多可以使用3個月。7）采用FAT和FAT32文件系統(tǒng)。8）計算機可以通過USBInternet轉換內部存儲器的音頻內容。9）支持USB音頻功能。10）使用無線通訊，UART，通用標準接口，控制更加靈活方便。11）1W音頻放大器，8ohm/1W直揚聲器，32級音量大且可調的音量。12）DC5V電源。圖3-4-2QJ000M2管腳圖管腳號管腳名稱類型功能描述1P34IO普通IO口2GNDPWP與TF卡座連接的GND3P22IO普通IO口4P37IOAUX錄音音頻信號左聲道輸入端5P02IOAUX錄音音頻信號右聲道輸入端6Mie_inI錄音音頻輸入端7P35/RESETIFLASH控制引腳（外部下載器對FLASH進行下載時需要對該引腳進行控制）8ALODAC音頻輸出9SP=AO喇叭接線端10SP+AO喇叭接線端11FS_DIISPI-FLASH的SPI接口數(shù)據(jù)輸入端12FS_DOOSPI-FLASH的SPI接口數(shù)據(jù)輸出端13FS_CLKISPI-FLASH的SPI接口時鐘信號輸入端14GNDPWP電源地15FS_CSI/OSPI-FLASH的片選端16TXDOUART異步串口數(shù)據(jù)輸出端17RXDIUART異步串口數(shù)據(jù)輸入端18IRDAI紅外信號輸入端19ADC_KEYIADC按鍵連接端20VDD33PWPLDO1.3V電源輸出端21BUSYI/O忙信號22VDDPWP模塊電源端+5V23GNDPWP與TF卡座連接的GND24P12IOP12端口25DMIOUSB數(shù)據(jù)端DM26DPIOUSB數(shù)據(jù)端DP27DNDPWP與TF卡座連接的GND28P13IOP13端口表3-4-1管腳說明技術規(guī)格：名稱功能支持音頻格式支持采樣頻率8K～42.1K，比特率8~224Kbps的MP3音頻文件。支持采樣頻率8K～42.1K的WAV音頻文件。支持采樣頻率8K～42.1K的WMA音頻文件。支持存儲器容量模塊內存最大可達３２GB最大支持３２GBU盤USB接口全速２.０供電電壓DC３.３～５V額定電流２０～２５０ｍＡ（和負載有關）IO端口電平３.３VTTL電平尺寸２１ｍｍ*１８ｍｍ*４ｍｍ工作溫度－40～85度濕度5％～95％表3-4-2技術規(guī)格圖3-4-3QJ000M2總體電路圖1.5顯示電路液晶是一種液晶是一種有機化合物，在常溫條件下對其通電時，其內部分子排列變得有秩序。光線比較容易通過；不通電時，分子排列混亂，可以阻止光線通過。原理使用液晶顯示的此功能可以通過施加電壓來控制顯示區(qū)域。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大尺寸且易于實現(xiàn)全彩的集成電路電動機。1.5.1LCD1602工作原理1602液晶也叫1602字符型液晶，這是一種特殊的類型，用于顯示字母和數(shù)字。LCD點矩陣模塊，用于字符等，能夠同時顯示16列2行共32個字符。圖3-5-11602液晶顯示器尺寸圖1.5.2LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并沒有什么差別。LCD1602的主要技術包括：32個字符的顯示功能；芯片工作電壓4,5V?5.5V；工作電流2.0mA（工作電壓為5.0V狀態(tài)下）。LCD內部包含以下幾個重要組成部分：（1）DDRAM：顯示數(shù)據(jù)RAM，它用于寄存待顯示的字符，共有80個字節(jié)。（2）CGROM：字體生成器ROM，它存儲160個不同尺寸的圖像以用于字符顯示。（3）CGRAM：RAM緊湊型，由8個用戶定義的5×7點表組成。LCD1602采用標準的14針或16針，16引腳接口功能如下表所示。表3-5-1LCD引腳接口功能表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9DB2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10DB3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12DB5數(shù)據(jù)5R/w讀/寫選擇13DB6數(shù)據(jù)6E使能信號14DB7數(shù)據(jù)7DB0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8DB1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極其中，VL引腳是液體顯示器的對比度調整端，當連接到電源的正極時，對比度是最弱的，而當接地時，對比度是最高的。1.5.3LCD1602的指令說明及時序通過在顯示屏上寫入指令，可以識別LCD1602液晶模塊的讀寫性能，切換功能等，如下表所示。序號指令RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB01清屏00000000012光標復位000000001*3進入模式設置00000001**4顯示開關控制0000001DCB5設置顯示屏或光標移動方向000001S/CR/L**6功能設置00001DLNF**7字符發(fā)生器地址設置0001字符發(fā)生器地址8DDRAM地址設置001顯示數(shù)據(jù)庫存儲地址9讀取忙標志或AC地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)據(jù)到CGRAM或DDRAM10要寫入的數(shù)據(jù)內容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)據(jù)11讀出的數(shù)據(jù)內容表3-5-2LCD1602指令表各指令的具體功能如下：（1）清屏：清除LCD屏幕，將光標移動到屏幕的左上角，將AC地址設置為0，然后將光標從左向右移動，且DDRAM的自增量為1。（2）光標復位：將光標移至顯示屏左上角，地址計數(shù)器AC設置為00H，DDRAM內容保持不變。（3）輸入設置模式：設定每次進入1位數(shù)據(jù)后光標移位方向及寫入的字符是否移動。①I/D：指定光標的移動方向。I/D=1，光標向右移動，I/D=0，光標向左移動。②S：顯示屏上畫面向左或向右全部平移一個字符位。S=0時顯示不移動；S=1時有效。③當S=1，I/D=1時，顯示向左移動；當S=1，I/D=0時，顯示向右移動。（4）顯示開關控制，控制顯示，光標和光標閃爍的開關。①D：控制顯示的開與關。②C：光標控制，C=1，表示有光標；C=0，表示沒有光標。③B：控制光標是否閃爍，B=1，表示閃爍。B=0，表示不閃爍。（5）設置顯示屏或光標的移動方向；設置顯示屏的整個屏幕移動或光標移動模式。①當S/C=0，R/L=0時，光標移至左側，并且AC地址減少1。②當S/C=0且R/L=1時，光標向右移動，直接AC地址增加1。③當S/C=1且R/L=0時，顯示的內容向左移動，并且光標不移動。④S/C=1，R/L=1時，顯示內容向右移動，光標不移動（6）功能設置：設置數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，行數(shù)和顯示的字符。①DL=1，數(shù)據(jù)總線8位；DL=0，數(shù)據(jù)總線為4位。②N=0，表示半條線；N=1，代表兩行。③F=0，字母為5×7點；（7）設置字符的CGRAM地址：設置要存儲在數(shù)據(jù)中的下一個CGRAM地址。DB5?DB3是字母數(shù)字字符，即要顯示的字符DB2?DB0使用的字符的地址。（8）DDRAM地址配置。（9）讀取業(yè)務標記或AC地址：業(yè)務標記字段為BF，BF=1表示模塊此時處于繁忙狀態(tài)，無法接收信息或命令，BF=0表示此時模塊不忙。（10）寫數(shù)據(jù)：向DDRAM或CGRAM寫入數(shù)據(jù)。①寫指令時，RS=0，R/w=0，E為下降沿，此時DB0?DB7中裝入的是指令碼。②寫數(shù)據(jù)時，RS=1，R/w=0，E為下降沿，此時DB0?DB7中裝入的是數(shù)據(jù)。（11）讀數(shù)據(jù)：從DDRAM或CGRAM讀出數(shù)據(jù)。①讀取狀態(tài)時，RS=0，R/w=1，E=1，此時DB0?DB7中輸入狀態(tài)字。②讀數(shù)據(jù)時，RS=1，R/w=1，E=1，此時DB0?DB7中輸入數(shù)據(jù)。圖3-5液晶顯示電路圖1.5.4LCD1602的初始化過程LCD1602初始化時需要使用清屏指令、功能設置指令、顯示開關控制指令以及輸入方式設置指令等，單片機在向液晶顯示模塊發(fā)送指令之前，請確保模塊業(yè)務（BF）是否為低電平。LCD1602的初始化過程如下：寫入命令38H：顯示屏幕設置指令，確定顯示屏幕數(shù)據(jù)總線，行數(shù)和顯示的字符。DL=1，及設置數(shù)據(jù)總線為8位；N=0表示只顯示一行；F=0表示字形為5×8點陣字符。寫入命令08H：有關開關控制的說明。寫入命令01H：清除屏幕的說明。寫入命令06H：輸入模式設置，I/D=1表示光標右移，S=0表示整個屏幕不移位。寫入命令0CH：顯示開關控制指令，D=1表示打開顯示功能。1.6本章小結本章主要介紹了語音播報系統(tǒng)的硬件總體設計，STC89C52芯片的詳細介紹，聲音采集電路的詳細介紹，語音模塊QJ000M02的介紹及產(chǎn)品特性，顯示電路的工作原理及LCD1602的工作原理。

第2章軟件設計在本設計中，通過單片機控制聲音的播報，也可以將聲音存儲在TF卡和U卡上以進行播放，將數(shù)據(jù)發(fā)送到QJ000M2芯片，然后用一個微控制鍵控制QJ000M2執(zhí)行正確的數(shù)據(jù)處理操作，最后顯示在LCD屏幕上。軟件設計采用KeiluVision4，C51編程。KeilC51是一個與51單片機兼容的C語言開發(fā)系統(tǒng)。與匯編語言相比，C語言在功能，結構，閱讀能力，保留能力等方面具有明顯的優(yōu)勢。KeilC51開發(fā)的目標代碼功能強大，大多數(shù)新聞稿生成的代碼緊湊且易于理解，在開發(fā)大型軟件時可以體現(xiàn)出高級語言的表達。所以本系統(tǒng)采用C51編程語言。圖4-1整體程序流程圖此設計使用六個按鈕的組合，用于控制音頻數(shù)據(jù)的播放和暫停，播放前的歌曲，下一首歌曲，更改播放模式，記錄和暫停音頻數(shù)據(jù)以及刪除音頻數(shù)據(jù)。2.1UART通信簡介通用異步收發(fā)傳輸器，通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器。同步通信是指，發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)之后，該通信方法在發(fā)送下一個分組之前等待接收者發(fā)送答復。異步通信意味著在發(fā)送者不等待之后，接收者發(fā)送答復，然后發(fā)送下一個數(shù)據(jù)集和通信方法。同步通信就是阻塞方式，異步通信就是非阻塞方式。UART不規(guī)則地發(fā)送數(shù)據(jù)，這意味著沒有時鐘信號可以使發(fā)送的UART的小輸出與接收的UART樣本同步。UART傳輸不是時鐘信號，而是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中添加了開始和停止位。UART數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)取決于UART總線。數(shù)據(jù)總線通過其他設備將數(shù)據(jù)發(fā)送到UART。數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)酵瑫r發(fā)送的UART。UART傳輸從數(shù)據(jù)總線接收并行數(shù)據(jù)后，它會添加一個開始位，奇偶校驗位和停止位以創(chuàng)建數(shù)據(jù)集。接下來，在PINTX按鈕上輸出一點數(shù)據(jù)。UART接收器將數(shù)據(jù)的每一位讀入其Rx引腳。接收到的UART將數(shù)據(jù)轉換為并行格式，并消除了起始點，奇偶校驗位和停止位。最后，接收到的UART同時作為數(shù)據(jù)集接收。圖4-1-1UART發(fā)送的數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)集。每個數(shù)據(jù)集都有1個起始位，5到9個數(shù)據(jù)位（取決于UART），可選的奇偶校驗位和1或2個停止位：

圖4-1-2開始位：當UART不傳輸數(shù)據(jù)時，通常處于高電壓電平。為了開始發(fā)送數(shù)據(jù)，UART發(fā)送器將發(fā)送器從高電平拉低到低電平持續(xù)一個時鐘。當UART檢測到高電壓到低電壓時，它將開始以波特率讀取數(shù)據(jù)幀中的位置。數(shù)據(jù)框：包含傳輸中的實際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，則其長度可以為5到8位。如果不使用奇偶校驗值，則框架的最大長度為9位。奇偶性描述數(shù)字的均勻性或奇數(shù)。位奇偶校驗是一種用于接收UART以確定傳輸期間哪些數(shù)據(jù)已更改的方法。信息可能會由于電磁輻射，不一致的利率或長距離傳輸而發(fā)生變化。UART讀取數(shù)據(jù)幀后，它將計算數(shù)字1，并檢查數(shù)字是偶數(shù)還是奇數(shù)。如果奇偶校驗值為0（偶數(shù)奇偶校驗），則數(shù)據(jù)幀中的1位應為整數(shù)。如果奇偶校驗數(shù)為1（奇校驗），則數(shù)據(jù)幀中的1位應為奇偶數(shù)。當奇偶校驗位與數(shù)據(jù)匹配時，UART知道沒有轉發(fā)錯誤。但是，如果