桂林理工大学毕业.论文
附录2 .......................................................................................................................................... 26 附录3 .......................................................................................................................................... 28
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1 绪论
1.1 课题背景
语音信号处理是信息科学的一个重要分支，伴随着大规模集成技术的高度发展以及计算机技术的飞速前进，推动了语音信号处理技术的快速发展。语音采集系统的设计，则是利用语音电路来实现语音信号的数据存储、还原等任务，它是以数字电路为基础，采用52系列单片机作为核心的语音处理系统[1]。数字化原理语音电路是一种集语音合成技术、大规模集成电路技术以及微控制器技术为一体的新型综合型技术，利用它可以很容易的实现语音的可控制。为了克服集成芯片音量不能放大、智能性比较差、语音采集的时间比较固定同时还要增加硬件投资，并且在一些由单片机构成的测控系统中，由于单片机接口有限，还需要扩展硬件接口线路等诸多缺点，本系统则采用了另外一种方案：没有采用专用的语音处理芯片，不需扩展接口电路[2]。而是以AT89C52单片机为核心，采用滤波、放大等电路设计了一套可以灵活的实现语音的采集、并将其在PC机上显示出来的系统。这种方法为以单片机为中心的测控系统语音操作提供了一种新的思路[3]。
1.2 课题研究的意义
掌握语音采集的原理和具体过程，并实现单片机与PC进行的通讯。在此过程中涉及大学所学的数模电，单片机，信号与系统，通信原理等知识。在实践中把大学所学应用于实际中，从而达到毕业生的目的。
单片机控制语音采集，其实就是将模拟化的语音变成数字化的语音，而数字化具有以下几个的特点：
（1）数字信号和模拟信号比较而言，数字信号是加工信号。加工信号对于有杂波的外部环境以及易产生失真的电路来说应该具有较好的稳定性。可以说，数字信号非常适用于易产生杂波和波形失真的数据等远距离传送使用。数字信号传送具有稳定性好、可靠性高的优点。相关软件对程序进行编写与仿真[4]。
（2）数字信号需要使用集成电路和大规模集成电路，但是计算机易于处理数字信号，同时数字信号还特别适合于数字特技和图像处理。
（3）数字信号处理电路简单，它没有模拟电路里的各种调整，因而电路工作稳定，技术人员能够从日常的调整工作中解放出来。
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（4）可以很容易的对数字信号进行加密，这对商业经营、版权保护、军事经济情报保密和信息高速公路的安全是十分必要的。因此, 从信息产业向社会提供服务和对信息产品的实际要求出发,采用数字化方案是很必须的[5]。
综上，研究数字化的意义重大。
1.3 数字化处理的前景
语音采集的过程就是数字化的过程，数字化和信息化有着密不可分的联系，进而影响着科技进步的现代化进程。在在新经济时代，推动时代发展的根本力量，仍必将是信息化和科技进步推动的全球经济一体化。对科技进步的现状(包括数字技术)与经济发展前景的联系，会引起人们的各种思考。一方面，数字技术对推动科技进步(以新颖性、创造性、实用性为标准)带来的机遇，不容忽略；另一方面，人类综合能力、实践能力和创新能力的提高，也会推动数字信息化在更宽阔的领域里有新的创造[6]。
人类通过对信息的处理来认识客观的世界，又是通过对信息的应用实践来改造世界的。人们可以认为，信息处理的数字化技术，一定和其他任何事物的发展规律一样，只是信息处理的一个阶段：反映了从模拟到数字的飞跃，但是在这个阶段将会停留很长时间让我们去发展它、去完善处理它的方法。数字处理绝不是信息处理方法的终极方案，也不是没有缺陷的方案(比如不适合用它处理频率很高的信号等)。
数字化处理技术对人类的贡献已经十分明显，而信息处理的数学方法对科学技术的推动作用更是不可估量的，数字化革命已经渗透到了人类生活和工作的各个方面。而且，人类正以信息处理主宰者的姿态，不断实践，绘制着自己更加丰富多彩的光明未来[7] 。
数字化已经成为了时代的主流发展的趋势。
1.4 课题任务要求
本次设计的主要目的是将单片机信息处理技术应用到数字化语音采集系统中，依靠单片机可再次开发的独特的优势设计一个简单实用的数字化语音采集系统，按照规定要求能够实现对语音信号的采集和能够将其波形显示在PC机上的功能。前置放大滤波部分能够完成包括对语音信号的采集、放大滤波等功能，信号通过ADC0804实现对模拟信号的数字化。单片机作为处理器对信息进行处理，之后经过串口通信，将其波形在PC机上显示出来。
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需要考虑的有：拾音器的阻抗问题，放大器的输入阻抗，滤波器的通阻带的要求，单片机的而执行速度以及人机接口功能。本次设计分为软、硬件设计两部分，硬件部分完成数据的采集、放大、滤波、AD转换等系统功能。软件部分则为单片机的程序设计和在PC机上显示波形进行控制。
课题任务的内容：信号采集、信号放大与滤波、A/D转换、单片机程序设计，应用端程序设计。
1.5 本文的主要内容
本课题主要研究信号采集，滤波放大电路以及AD的转换，利用52系列单片机进行数据控制和处理和串口通信。研究工作包括52单片机的原理应用及接口电路的连接和软件的编程调试。为了实现语音采集并将其在PC机上显示出语音波形的功能，本文主要研究工作如下：
首先，进行语音采集系统设计的分析与设计。主要介绍语音采集系统的性能指标、工作原理、外接电路接口技术等。设计语音采集系统，使之具有无失真实现语音波形的显示的功能。
然后，进行语音采集系统的硬件设计。主要包括单片机最小硬件系统、模数之间的转换，滤波器的使用，串口通信的分析与设计。根据语音频段的范围及要求，选择传感器。
最后，进行系统的软件设计。主要通过keil软件进行程序的编写并使用Multisim10进行各个部分的模拟仿真。
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2 系统方案论证
语音采集系统设计的主要原理是：用拾音器来进行语音采集，而采集到的语音信号将会由声音信号转换成电信号，由于采集到的信号太小，而与后面AD转换输入信号大小不符，故需要经过放大器放大，此时的信号由于没有滤波，会有各种频率的信号混合在一起，致使采集到的信号质量不高，需要通过二阶低通滤波器滤波，这样能够保证得到高质量的信号。单片机只能控制数字信号，所以要通过模数转换将模拟信号转换成数字信号，然后通过单片机的串口向计算机发送。最后在计算机端的应用程序接收这些信号并显示。整个框架图如图2.1所示：
拾音器增益放大器带通滤波器复位电路AT89C52单片机AD转换电路电源电路PC机串口
图2.1 总体框架图
系统组成如图所示,该系统根据所实现的功能分为六大模块三大部分，第一个模块为信号采集，第二模块为信号放大和滤波，第三模块为AD转换，此三大模块为输入部分；第四模块为单片机，此模块为单片机控制部分；第五模块为串口，第六模块为计算机端应用程序[8]，这两模块为输出部分。拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信号太小不能够进行采样。后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V,故将语音信号调整为动态的0~5V，就是将其放大为200倍左右。考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将二阶低通滤波器设计为可通过典型的300Hz~3.4kHz信号,这样既可滤掉低频分量又可滤掉A/D转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理，要使采样信号无失真，则抽样频率最低为6.8kHz，我将其设为8kHz，这样就足够保证语音质量。经量化后，单片机将数据通过串口传到PC机上，将采集到的语音在PC机上显示出来。
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