基于单片机控制的语音采集与回放系统设计研究

1引言
目前，基于51单片机的语音采集回放系统种类繁多，但是在语音采集及回放的效果方面有的不
甚理想。

为此，本系统利用AT89C51单片机[1]的精准控制，
在采集通道采用射极跟随器隔离以及4阶低通滤波器滤波，保证采集语音的质量；在回放通道上，再次将存储的信号进行滤波放大和频率校正，进而保证回放语音的效果。

同时，
系统采用了三种编码模式，并在三种编码模式下对语音回放的效果做出对比。

2系统硬件设计
系统主体由语音处理前向通道、A/D 转换模块、
单片机控制兼数据处理模块、D/A 转换模块、
键盘显示模块及后向处理通道组成。

单片机构成系统的控
制中心，控制功能选择和结果显示。

通过前级放大和加法器进行2.5V 抬升，将微弱的电信号的峰-峰值
放大至MAX118可读取的0~5V ，中间由射级跟随器进行隔离，再通过300Hz~3.4kHz 的带通滤波器滤除噪声。

信号通过A/D 转换后进入单片机进行相应处理，然后经D/A 转换成模拟信号输出，后极通过
300Hz~3.4kHz 的带通滤波器使之平滑，并用音频功放放大语音信号输出。

系统分为采集通道、控制单元和回放通道三个部分。

采集通道通过麦克风将声音转换成电信号，经射极跟随器、两级放大器、滤波器对转换后的电信号进行隔离、放大和滤波后，再对声音信号进行A/D
基于单片机控制的语音采集与回放系统设计研究
崔浩斌，刘
伟
（中船重工纵横科技有限公司，
湖北宜昌443000）摘要:介绍了一种采用不同编码方式的语音信号采集与回放系统的设计方案，该系统以
AT89C51单片机为控制核心，主要结构由语音前级处理通道、A/D 转换模块、单片机控制兼数据处理
模块、D/A 转换模块、键盘模块和后级处理通道组成，
实现了语音的采集与回放功能。

系统采用32kB 的62256芯片作为语音存储介质，在PCM 、DPCM 、IV 三种编码模式下都能较好地实现语音回放功
能。

整个系统结构简练、友好，具备较高的性能指标，设计的整体实现具有一定的实用参考价值。

关键词：51单片机；语音回放；语音采集；
编码方式DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2020.03.012中图分类号:TP391文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2020）03-0051-04
Research on the Design of Voice Acquisition and Playback System
Based on MCU Control
CUI Haobin,LIU Wei
(CSIC Zongheng Technology Co.,Ltd.,Yichang Hubei 443000,China )
Abstract:A voice signal acquisition and playback system with different encoding methods is introduced.The system uses AT89C51single chip microcomputer as the control core,and its main structure consists of voice pre -processing channel,A/D conversion module,single chip microcomputer control and data processing module,D/A conversion module,keyboard module and post -processing channel,realizing the function of voice acquisition and playback.The system uses 32kB 62256chip as the voice storage medium,which can realize the voice playback function well in PCM,DPCM and IV coding modes.The whole system is simple and friendly in structure and has high performance index.The overall implementation of the design has certain practical reference value.
Key words:51MCU;Voice playback;Voice acquisition;Coding mode
作者简介：崔浩斌（1990—），男，陕西省商洛市人，助理工程师，
主研方向：自动化与微机控制。

收稿日期：2019-12-19
微处理机
MICROPROCESSORS
第3期2020年6月
No.3Jun.，2020
微处理机2020年
采样并存储到单片机的外部存储区内。

回放通道通
过D/A 转换将存储区中的信号转换成声音，经滤波器、频率校正及放大器后通过扬声器放出。

系统的
控制单元主要由单片机构成，
通过键盘对系统系统进行操作。

系统原理框图如图1所示[2]。

2.1
采集通道设计1)麦克风电路
话筒在受到声音振动后，
其电阻随声音信号的变化发生大小变化。

根据话筒采集语音的原理，在话筒与标准电压之间接一47kΩ的限流分压电阻。

通过10μF 耦合电容将话筒分得的变化电压信号传
递给初级同相放大器，输出信号作为下一模块的输入信号。

麦克风电路如图2所示[3]。

2)射极跟随器
麦克风采集的信号极为微弱，且输出阻抗不可忽略，故放大前必须进行隔离，并尽量减小信号输出阻抗。

运用电压跟随器的输入阻抗很高、输出阻抗很小这个特点，这里作为多级放大器的第一级，起隔离和缓冲的作用。

射极跟随器如图3所示[4]。

3)前级放大器
放大器采用多级信号放大器级连，其中A V =-R F /R 1。

总增益A V0=A V1×A V2=0.1~50×100，两级放大均增益可调，其中第一级放大倍数较小以保证信号不会被失真放大。

放大器具体电路如图4所示。

4)前级滤波器
选择巴特沃斯滤波器，4阶低通滤波器级联4阶高通滤波器，具体电路如图5所示。

由巴特沃思
低、高通电路阶数N 与增益G 之间的关系可知：二级四阶时V 1=1.152即Q 1=0.541，V 2=2.235即Q 2=
1.31，Q =0.541×1.31=0.70871≈0.707。

2.2控制单元设计
中央处理模块由A/D 采样、D/A 转换、单片机控制兼数据处理模块组成。

A\D 转换电路[5]使用ADC0809芯片，它将输入的连续模拟量，转换为数字量，然后再交由单片机处理和存储。

采用中断的方式检测电路是否转换完成。

图1系统原理框图
图2
麦克风电路
图3
射极跟随器
R 2
330Ω
V D D -12V
V C C 12V
图4
放大电路
图5巴特沃斯滤波器
·52·
3期其电路原理如图6所示。

内存扩展电路[6]如图7所示，
采用6225632K 来存储由AD 转换而来的数字量，用74373来锁存
低八位的地址。

D\A 转换电路如图8所示，使用DAC0832芯
片，将由62256存储的数据输出，转换为模拟量，经过运算放大器转换为电压量输出，这个输出量就是
经过存储和处理之后的声音的音量。

2.3
回放通道设计
回放通道中的放大器和滤波器与采集通道中的设计相同。

其扬声器电路设计为由集成功放LM386及外接元件构成，调节10kΩ的滑阻可调节扬声器的音量。

调节36kΩ的滑阻可以使电压放大倍数的调节范围在20~200范围内变化。

5引脚处
10Ω的电阻和0.047μF 的电容串联构成矫正网络用
来进行相位补偿。

7引脚处的10μF 的电容为旁路电容。

6引脚处的0.1μF 的电容去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。

扬声器电路如图9所示。

3系统软件设计
系统的软件流程[7]如图10所示。

4语音回放效果及分析
实验方式为在离麦克风相同距离上用相同音量播放音乐，分别换用不同的编码方式，对各编码方式最终放音效果进行记录。

结果如表1所示。

表1
不同编码方式语音播放效果
图6A/D
转换电路
图7
内存扩展电路
图8
D/A
转换电路
图9
扬声器电路
图10系统软件流程
放音速率/k/s 编码方式采样速率/k/s PCM DPCM 插值法
888
884
录音时间/
s
454545
放音效果
清晰、可
辨、无噪声较清晰、可辨、有噪声能听清楚、有噪声
崔浩斌等：基于单片机控制的语音采集与回放系统设计研究
·53·
微处理机2020年
依据表中数据，
对各编码方式[8]分析如下：采用PCM 编码（脉冲编码调制）
：其原理由抽样、量化和编码三个步骤组成，
具体实现是将信号通过A/D 转换为线性编码，直接存入RAM ，然后通过D/A 转换将音频信号回放出来。

该方法原理简单，易于实现，且音质效果较好，几乎不存在失真，缺点是存储器利用率低。

采用DPCM 编码（差值脉冲编码调制）
：该方法通过对抽样信号和预测信号的差值进行编码，可以压缩数码率，提高存储空间利用率。

其数学表达式为：
式中，S (n )表示当前采样值，A (n )表示增量的累加值，
A (n -1)作为预测e (n )表示A (n )与A (n -1)的差分值，以四位存入RAM 。

采用插值压缩算法：考虑到大多数情况下人声频率普遍在2kHz 左右，可以相应降低采样频率以
提高存储时间，将原来8kHz 的采样率降到4kHz 。

为了能较好地还原原来的语音，解码时要进行插值，
可以采用线性内插或抛物线拟合内插。

由于是半采样，插入的虚拟值不可能完全与原始的真实值相等，所以输出的语音信号会有一定的失真。

5结束语
实验表明，系统各模块能按预期稳定工作，是一种实用的语音采集回放系统设计。

同时通过三种编码方式进行编码，以及实际运行及理论分析可知，采用PCM 编码方式语音采集回放效果最好。

参考文献：[1][2][3]
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