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1、 本 科 生 毕 业 论 文 题 目：单片机语音合成系统的设计院 系： 物理与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011年4月单片机语音合成系统的设计摘要：语音合成技术是实现人机语音通信，建立一个有听说能力的口语系统所必需的关键技术之一。随着计算机运算速度的提高，人工智能领域的研究获得了飞速发展，而人工智能领域的最新研究成果不断地向语音研究渗透，促使语音处理技术及语音合成的研究也产生了突破性的飞跃。和语音识别相比，语音合成技术相对要成熟一些，是该领域中近期最有希望产生突破并形成产业化的一项技术。介绍一个以语音合成系统为主电路，在单片机89C51的管理下，用
2、软件编程并通过串行口编程进行通信，产生不同定时来准确地控制乐曲节奏，最终实现蜂鸣器唱歌的过程。此通用合成语音系统能根据需要利用多种语音压缩算法无缝地混合配合，用以优化语音质量和存储容量。此设计使人们能够甩掉键盘，通过语音命令进行操作。系统在完成其它任务的同时具备语音输出功能，可使单片机系统成本下降，体积减小，可靠型提高。它对于解脱繁琐的事物性和危险性工作更具有意义。关键词：89C51单片机；语音压缩算法；语音合成；蜂鸣器Design Of SCM Speech Synthesis SystemAbstract：Speech synthesis technology is a human-com
3、puter voice communication, listening and speaking ability to establish an oral system one of key technologies required. With the increase in computing speed, artificial intelligence research in the field has made a rapid development, the latest in artificial intelligence research studies continue to
4、 penetrate to the voice, speech processing technology and to promote the research of speech synthesis created a breakthrough leap. And voice recognition compared to speech synthesis technology is relatively mature, is the most promising areas of recent breakthroughs in production and the formation o
5、f a technology industrialization. Describes a speech synthesis system, the main circuit, under the management of the 89C51 microcontroller, software programming and programming through the serial port to communicate, have different time to accurately control the rhythm of music, and ultimately the p
6、rocess of singing buzzer. The general synthetic speech systems as needed using a variety of voice compression algorithms seamlessly mixed with, to optimize voice quality and storage capacity. This design allows people to get rid of the keyboard, through voice commands to operate. System to complete
7、other tasks at the same time with voice output, SCM systems can lower costs, reduce size, improve reliability type. It complicated things for free and dangerous work more meaningful.Key words: 89C51SCM;Pronunciation compression algorithm;Speech synthesis; Buzzer目 录1绪论11.1研究背景及意义11.2 语音合成的介绍21.2.1组成与
8、分类21.2.2性能指标31.2.3语音合成原理32方案设计62.1 设计目的62.2 设计方案62.3 总体硬件组成框图62.4 设计任务63系统硬件设计73.1 蜂鸣器的概述73.2 蜂鸣器的分类73.3蜂鸣器实验的硬件电路说明73.4 89C51单片机的概述73.5 89C51单片机的基本结构83.6 89C51单片机的引脚及其功能93.6.1电源引脚Vcc和Vss103.6.2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2103.6.3控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA103.6.4输入/输出端口P0.P1.P2和P3113.7硬件电路图124系统的软件设计134.1 系统软件流程135系
9、统调试及测试结果分析155.1 系统调试155.1.1硬件调试155.1.2软件调试155.1.3硬件软件联调155.2 测试结果15结 论16参考文献17致 谢181绪论1.1研究背景及意义18世纪人们就开始研究“会说话的机器” , 现代电子技术产生以后，“会说话的机器”这一术语也被“语音合成（speech synthesis）所替代。由人工制作出语音称为语音合成，就是由机器产生出声音，它是人机语声通信的一个重要组成部分。语音合成系统是一个单向系统，由计算机到人。用语音合成来传递语言具有下面的优点： （1）不用特别注意和专门训练，任何人都可以理解。（2）可以直接使用电话网和电话机。（3）无须
10、消耗纸张等资源。在语音合成和语音识别这两个问题中，合成无疑是比较容易的。人们还没有弄清关于大脑是如何识别语音和识别说话人的一般理论，即使有这样的理论也不能保证简单地在计算机上模仿即可得到最佳的处理方法，更不能保证方法是可行的。但如第二章所指出的，人们已经掌握了语音生成的声学特性。用现代数字信号处理技术，特别是用格型结构的线性预测滤波器是很容易复制发音机理的。目前还不太明白音位转化语音的心理过程，尽管如此，语音模拟已经取得了巨大的成功。前面讨论的语音编码是研究怎样才能较为真实地恢复输入是将收发间的信道换成存储器而已。语声应答系统实际上是一个方向上（由机器到人）用语声进行通信，它用口语的形式输出信
11、息。语声应答系统可作为计算机的一个外设，它将计算机存储的信息转换成语声形式输出。这在许多由计算机进行查询和检索的场合中是十分有意义。例如邮电部门使用的微机响应系统，机场子、车站的问讯系统，以及信息检索系统如股票行情系统等。在股票行情系统中，用户通过按键输入某一代码去询问某股票的价格，系统通过按键进行译码以确定股票的市价，同时用语声进行输出。同时，语声应答系统和语音识别相结合可构成双系统，还将发展出很多崭新的研究领域。语音合成的目的是产生与人通信有关的语音，所以可懂度是很重要的。同时，语音的质量与自然度这些主观因素对语音合成的实用性也有很大的影响。由于计算机和集成电路技术的发展，推动了语音信号处
12、理的实用化，已开发出了很多产品。现在有很多专用语音处理芯片，这些芯片和微型计算机或微处理器相结合可以组成各种复杂的语音处理系统。其中语音合成在技术上比较成熟，在语音处理中影响也最大，多是有限词汇量的语音合成器。目前语音合成的应用领域十分广泛，从办公信息处理、工业自动化、交通运输到文化教育以至日常生活用品等无所不在。汉语语音合成的研究20世纪70年代以后发展比较快。80年代，采用自适应增量调制（ADM）和自适应差分脉冲编码（ADPCM）等波形编码技术，开发了一些汉语普通话语音的编辑合成系统，并被实际应用到公共汽车报站、自动电话报时、查号台自动报号等场合。90年代初，我国开始在语音合成中采用676
13、3个汉字的语音合成系统。这些系统可以被看作是初级的文语转换系统，被应用于文本校对、计算机辅助教学等方面。目前汉语的规则合成技术也取得了进展，包括汉语普通话所以音节的合成系统已经开发成功，目前开发的重点是连续话语的合成。语音合成技术是实现人机语音通信，建立一个有听说能力的口语系统所必需的关键技术之一。随着计算机运算速度的提高，人工智能领域的研究获得了飞速发展，而人工智能领域的最新研究成果不断地向语音研究渗透，促使语音处理技术及语音合成的研究也产生了突破性的飞跃。和语音识别相比，语音合成技术相对要成熟一些，是该领域中近期最有希望产生突破并形成产业化的一项技术。1.2 语音合成的介绍1.2.1组成与
14、分类 语音合成系统包括三个主要的组成部分：文本分析模块、韵律生产模块和声学模块。文本分析模块对系统要处理的文本进行分词、注音，其输出是文本对应的音标序列。为了得到自然、可懂的语音语音输出，韵律生成模块必须对每个发音单元进行韵律调整，调整后输出时包含韵律信息的音标序列。声学模块利用音标序列中的相应参数，选择合适的合成方法，生成合成语音。为实现高性能的语音合成系统，人们对语音的产生、感知原理进行了深入的研究。根据声学模块中采用模型的不同，可以将语音合成方法分为如下几类：（1）发音器官参数合成法：通过对发音过程进行生理分析，直接根据声源参数、声道参数和辐射参数等多组发音器官参数对人的发音过程建立物理
15、模型进行模拟。（2）声源一声道模型合成法：根据浊音、清音不同的发生规律对声源进行建模，并用短时变化的滤波器模拟声道。这种思想在语音编码中应用得最为广泛。这种模型包括线性预测参数合成方法、共振峰合成法等。（3）波形拼接合成法：通过将准备好的语音分段拼接在一起，再经过合适的韵律调整算法进行韵律调整，可以得到较好的合成音质。基音同步叠加法时其中使用最广的一种方法，TDPSO-LA算法、LPPSOLA算法和FDPSOLA算法则是进一步的推广。近几年来正在研究的合成方法还有同态处理法、正弦模型法等。1.2.2性能指标语音合成系统最重要的指标就是合成语音的质量。合成语音的音质一般可从清晰度、可懂度、自然度
16、。连贯性和文字注音正确率（分词正确率）等方面来评价。清晰度是正确听辨有意义词语的百分率；自然度用来评价合成语音音质是否接近人说话的声音，合成语音的语调是否自然；连贯性用来评价合成语句是否流畅等。然而要综合判断合成语音的质量，必须考虑合成用语音的最佳质量以及高质量的合成语句占整个合成语音的百分比。（1）专门用途的波形拼接合成方式：波形拼接合成方式作为主要的数据驱动方法，在合成语音时不需要对基本单元进行大的修改，最多只对相对强度和时长作简单的调整。因此多选用如词、词组等较大的语音单元做合成基本单元。此时合成语音时基本单元之间相互影响较小，比较容易得到很好的合成语音质量。在专门的应用中，波形拼接合成
17、方法可以得到很高的合成质量。（2）没有波形调整的拼接合成方式：这种方式可以合成任意文本的语音，语音质量也不错，但当拼接的效果不好时，语音质量可能会变差。（3）波形调整的拼接合成方式：这种方式在选择语音段时有更好的灵活性，总体上语音质量较好的语句占的比例更高，但合成过程中韵律调整会降低整体合成语质量。（4）按规则合成方式：这种方式主要用于无限词汇的语音合成，它试图对不同的语句采用相同的发声去合成。它利用与语言中归纳出来的规则，对合成语句的韵律特征进行定量描述。这种方法对语音段进行了较多的人工调整，而很多规则并不能完全准确的体现自然语音的产生原理，因此其合成质量的音质相对较差。除此之外，考虑到实际
18、应用，评价一个语音合成系统性能还有系统的延迟、并行处理能力、存储量、算法 运算量、适应性、可靠性、灵活性、可扩展性等多项指标。1.2.3语音合成原理语音合成可以分为下面三种类型。（1）波形合成法这是一种相对简单的语音合成技术。它把人发音的语音波形直接存储或者进行波形编码后存储，根据需要编辑组合输出。这种系统中语音合成器只是语音存储和重放的器件。其中最简单的就是直接进行A/D变换和D/A反变换，或称为PCM波形合成法。显然，用这种方法合成出语音，词汇量不可能做到很大，因为所需的存储容量太大了（大约使机器讲一秒钟的语音，就需要64kbit以上的存储量）。当然，可以使用波形编码技术（如ADPCM，A
19、PC等）压缩一些存储量，为此在合成时要进行译码处理。如果使用大的语音单元作为基本存储单元，例如词组或句子，能够合成出高质量的语句，但需要很大的存储空间。这种方法在自动报时、报号、报站及报警中应用较多。（2）参数合成法进行压缩存储的进一步发展是参数合成形式。参数合成法也称为分析合成法，是一种比较复杂的方法。为了节约存储容量，必须先对语音信号进行分析，提取出语音的参九，以压缩存储量。最常用的方法是提取PARCOR（偏自相关）系数和LPC、LSP系数，而由人工控制这些参数的合成。实现合成的方法，则因线性预测系数、共振峰参数等而各不相同。当然，这种方法在抽取参数或编码过程中难免存在逼近误差，所以合成语
20、音质量（清晰度等）也就比波形合成法要差。这种方法采用声码器技术，以高效的编码来减少存储空间，但这是以牺牲音质为代价的，使合成语音的音质欠佳。这种语音合成又称为“终端模拟合成”，因为它只是在谱特性的基础上来模拟声道的输出语音，而不考虑内部发音器官是如何运动的。（3）规则合成法这是一种高级的合成方法。规则合成法通过语音学规则产生语音。合成的词汇表不事先确定，系统中存储的是最小的语音单位（如音素或音节）的声学参数，以及由音素组成音节、由音节组成词、由词组成句子以及控制音调、轻重等韵律的各种规则。给出待合成的字母或文字后，合成系统利用规则自动地将它们转换成连续的语音声波。这种方法可以合成无限词汇的语句
21、，存储量比参数合成法更小，但音质也更难得到保证。这种以最小单位进行合成的方法是极其复杂的研究课题。上面介绍人的语音合成方法实质上并未解决机器说话的问题，因为其本质上只是一个声音还原过程。语音合成的最终目的是使机器像人一样说话，或者说计算机模仿人类说话。根据先前介绍的语音产生过程，可以设想在机器中首先形成讲话内容，它一般以表示信息的字符代码形式存在；然后按照复杂的语言规则，将信息的字符代码的形式，转换成由发音单元组成的序列，同时检查内容的上下文，决定声调、重音，必要的停顿以及陈述、命令、疑问等语气，并给出相应的符号代码表示。根据这些符号代码，按照发音规则生成一组随时间变化的参数序列，去控制语音合
22、成器发出语音，犹如人脑中形成的神经命令，以脉冲形式向发音器官出指令，使舌、唇、声带、肺等部分的肌肉协调动作发出声音一样。即使是按规则的文语合成，也已经是十分复杂的了。为了合成出高质量的语言，除了依赖于各种规则，包括语音学规则、语义学规则、词汇规则等，还必须对文字的内容有很好的理解。这将涉及自然语言理解的问题。在文语合成中，语言处理占据了重要部分。按照语言学规则，首先检查文字信息，决定每个单字的发音以及声调、语调等韵律特性，完成文字序列到音素序列的转换。这种处理过程需要大量的计算时间，因为它要反复检查上下文后才能被确定。然后，根据上下文，输出正确的音素序列、单字边界、标点符号；最后，决定声调调型
23、（包括变调）、音长、重音以及语调等韵律特性。因而，文语合成不仅要应用数字信号处理技术，而且必须有巨大的语言学知识。下面简要说明一下语音合成中存储基元的选择问题。很明显，使用大的语音单位作存储基元，则能合成出高质量的语句，但需要很大的存储量。为此需要在语音质量和存储量之间折衷考虑，通常存储量是首先要考虑的因素。对于合成无限词汇的情况，只能采用较小的语音单位，如以音素为基元。大多数语言中只有几十个音素，因而存储量很小。音素是语音的最小单位，任何语音都可以由音素按其结构规则组合而成。但是，音素的发音依赖于邻接的音素，而且受说话快慢、声调等影响产生音素变体；困此，合成不同的语音时，要对音素的发音进行调
24、整。另外，音素与音素结合时，其频谱特性在交界处需要平滑，以避免出现间断不连续的现象。这一调整和平滑过程使得语音合成器变得十分复杂，并且可导致合并语音缺乏自然度。也可采用音节作为存储基元。音节是语音中最自然的结构单位。在汉语中，一个音节就是汉语中一个字的音，由音节构成词，最后由词构成句子。所以由音节作为基元构成的语句也是无限多的。我们知道，汉语中只有412个无调音节字，以这些基元组成的语音库并不庞大，却具有合成音质好、控制拼音灵活等优点。所以采用音节作为基元是汉语合成中比较好的一种方案。2方案设计2.1 设计目的现在社会，人们依靠各种机电系统和计算机系统从事劳动生产、工业控制和科学研究。当人们操
25、纵这些系统的时候，就自然地出现了人与系统的信息交流，即系统不断的报告自己的运行状态和结果，而人们根据这些状态和结果发出下一步应进入何种状态的命令。长期以来，计算机与人之间的信息交流主要依靠各种形式的键盘，按键等实现的，计算机要报告运行状态，结果只能通过各种显示装置。现我们设计了单片机系统中由软件实现词汇语音合成器，使人们能够甩掉键盘，通过语言命令进行操作。系统在完成其它任务的同时具备语音输出功能，可使单片机系统成本下降，体积减小，可靠性提高。它对于解脱繁琐的事物性和危险性工作更具有现实意义！2.2 设计方案本课题是以语音合成部分作为主电路，在单片机89C51CPU管理下，用软件编程并通过串行口
26、编程进行通信，产生不同定时来准确地控制乐曲节奏，也可采用EPROM芯片固化语音，保证断电后补丢失信息，最终实现蜂鸣器唱歌的过程。2.3 总体硬件组成框图图2.3 单片机控制蜂鸣器发声系统框图单片机控制蜂鸣器发声如图2.3所示，系统主要由SPK1蜂鸣器发声装置，PNP型三极管U9012和电阻R19组成的驱动电路及单片机89C51组成；2.4 设计任务用单片机产生不同定时来准确地控制乐曲节奏，实现蜂鸣器唱歌的过程。3系统硬件设计3.1 蜂鸣器的概述在单片机系统中，除了显示器件外经常用到发生器件，最常见的发声器件就是蜂鸣器。蜂鸣器一般用于一些要求不高的声音报警及发出按键操作提示音等。虽然蜂鸣器也有自
27、己固有的频率，但是也可以对其施加不同频率的方波，使之发出一些简单的乐曲。3.2 蜂鸣器的分类蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型：压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管；多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声；压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣
28、器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。3.3蜂鸣器实验的硬件电路说明因为蜂鸣器是感性负载，一般不建议用单片机的I/O口直接对其进行操作，最好是加一只驱动三极管。在要求较高的场合，还要加上一只反相保护二极管。蜂鸣器最重要的特点是只要按照极性要求加上合适的直流电压就可以发出固有频率的声音，使用起来比扬声器简单。3.4 89C51单片机的概述 Intel公司继1976年推出MCS-48系列8位单片机之后，又于1980年推出了MCS-51系列高档8位单
29、片机。至今20多年来，51系列单片机经久不衰，并得到了极其广泛的应用。51系列单片机有多种型号的产品，如普通型80C51，80C31,87C51和89C51等，增强型80C32,80C52,87C52和89C52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。80C31片内没有程序存储器，80C51内部有4KB的掩膜ROM程序存储器。87C51是将80C51片内的ROM换成EPROM，89C51则换成4KB的闪速E2PROM。51增强型的程序存储器容量为普通型的2倍。通常以8*C51代表这一系列的单片机。89系列单片机以及在片内增加4KB或8KB的FlashROM，而且整个89C51/
30、89C52芯片比87C51便宜的多。所以现在已经没有人用80C31或87C51开发产品了。单片机是典型的嵌入式系统，从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好地满足面对控制对象，应用系统的嵌入，现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。因此单片机是发展最快，品种最多，数量最大的嵌入式系统。嵌入式系统与单片机已深入到国民经济众多技术领域，从天上到地下，从军事，工业到家庭日常生活。在人类进入信息时代的今天，难以想象，没有单片机的世界将会怎样！3.5 89C51单片机的基本结构在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分如图3.1所示，即89C51单片机芯片内包括：1）一个8位的
31、80C51微处理器（CPU）2）片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果，最终结果以及欲显示的数据等。3）片内4KB程序存储器FlashROM，用以存放程序，一些原始数据和表格。4）4个8位进行I/O端口P0P3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。5）两个16位的定时器/计算器，每个定时器/计算器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。6）具有5个中断源，两个中断优先级的中断控制系统。7）一个双全工UART的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机也PC机之间的串行通信。8）片
32、内振荡器和始终产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许震荡频率为24MHz。9）89C51单片机和8051相比，具有节电工作方式，即休闲方式和掉电方式。以上各个部分通过片内8位数据总线（DBUS）相连接。另外89C51是用静态逻辑来设计的，器工作频率可下降到0Hz,并提供2种可用软件Kauai选择的省电方式空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM，定时器/计算器，串行口和中断系统都继续工作。此时的电流可降到大约为正常工作方式的15%。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟倍冻结，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下次硬件恢复为止。这种方式下的电流可
33、降到15A以下，最小可降到0.6A。图3.1 单片机内部结构3.6 89C51单片机的引脚及其功能图3.2 单片机引脚图3.6.1电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 Vss（20脚）：接地端。3.6.2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在89C51片内塔式振荡反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若须采用外部时钟电路，则该引脚悬空。要检查89C51的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端，在片内，他是振荡电路反相放大器的输入
34、端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。3.6.3控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA RST(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。当次输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。ALE/:地址锁存允许信号端。当89C51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确认89C51芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。若有脉冲信号输
35、出，则89C51基本是好的。ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL负载。次引脚的第二功能对片内带有4KB FlashROM的89C51编程写入时，作为编程脉冲输入端PESN：程序存储允许输出信号端。当89C51/LV51由片外程序存储器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效地PSEN信号将不出现。PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。要检查一个89C51小系统上电后CPU能否正常工作，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有，则说明基本上工作正常。EA/Vpp:外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，
36、CPU只访问内Flash ROM并执行内部程序存储器中的指令；但当PC得值超过0FFFH时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号EA引脚接低电平时，CPU只访问片外ROM并执行片外程序存储器中的指令，而不管时候有片内程序存储器。然而需要注意的是，如果保密位LB1被编程，则复位时在内部会锁存EA端的状态。当EA端保持高电平时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在FlashROM编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp.3.6.4输入/输出端口P0.P1.P2和P3P0端口:P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载
37、。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1，这就是准双向的含义。在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口：P1时一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。PI的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可做输入口。P1作输入口使用时，因为内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流在对Fl
38、ashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口：P2时一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可动4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可做输入口。P2输入口使用时，因为内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时,P2口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。在对Flsah ROM 编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动4个
39、TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可做输入口。P3作输入口使用时，因为内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流.在89C51中，P3端口还用于一些复用功能。在对Flsah ROM 编程和程序校验时，P3还接收一些控制信号。3.7硬件电路图硬件电路如图3.3所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以
40、通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P3.7引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P3.7输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。图3.3 硬件电路图4系统的软件设计4.1 系统软件流程我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单处机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调。仅这还不够，要准确奏出一首曲子，必须
41、准确地控制乐曲节奏，即一音符的持续时间。图4.1系统流程图音符的节拍我们可以用定时器T0来控制，送入不同的初值，就可以产生不同的定时时间。便如某歌曲的节奏为每分钟94拍，即一拍为0.64秒。但时，由于T0的最大定时时间只能为131毫秒，因此不可能直接用改变T0的时间初值来实现不同节拍。我们可以用T0来产生10毫秒的时间基准，然后设置一个中断计数器，通过判别中断计数器的值来控制节拍时间的长短。例如对1/4拍音符，定时时间为0.16秒，相应的时间常数为16（即10H）；对3拍音符，定时时间为1.92秒，相应时间长数为192（即C0H）。我们将每一音符的时间常数和其相应的节拍常数作为一组，按顺序将乐
42、曲中的所有常数排列成一个表，然后由查表程序依次取出，产生音符并控制节奏，就可以实现演奏效果。此外，结束符和体止符可以分别用代码00H和FFH来表示，若查表结果为00H，则表示曲子终了；若查表结果为FFH，则产生相应的停顿效果。为了产生手弹的节奏感，在某些音符（例如两个相同音符）音插入一个时间单位的频率略有不同的音符。此系统流程图如上图4.1所示：5系统调试及测试结果分析5.1 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：LED驱动模块的调试，数据存储模块的调试，PC机通信模块的调试等
43、，最后将各模块组合后进行整体测试。5.1.1硬件调试对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。5.1.2软件调试软件调试采用单片机仿真器WAVE6000L及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。5.1.3硬件软件联调将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。5.2 测试结果此次系统设计结果较好，单片机产生不同定时控制蜂鸣器根据歌曲的音调节拍来实现蜂鸣器的唱歌。结 论蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一
44、个电流放大的电路。改变单片机P3.7引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P3.7输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。因此，本课题基于单片机的控制，使得在没有键盘等的辅助下也能实现蜂鸣器的“唱歌”，操作变得简单生动 ，并且可以减少操作上的失误，同时也使控制面板小型化及高性能；它对于解脱繁琐的事物性和危险性工作更具有现实意义！ 参考文献1 张志良.单片机原理与控制技术M.北京:机械工业出版社,2001.2 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2004.3 肖洪兵.跟我学用
45、单片机M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.4 何立民.单片机高级教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2001.5 赵晓安.MCS一51单片机原理及应用M.天津:天津大学出版社,2001.6 李广第.单片机基础M.北京:北京航空航天大学出版社,1999.7 夏继强.单片机实验与实践教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2001.8 童诗白.模拟电子技术基础(第三版)M.北京:高等教育出版社,2000.9 康华光.电子技术基础(模拟部分)M.北京:高等教育出版社,2001.10 康华光.电子技术基础(数字部分)M.北京:高等教育出版社,2001.11 张志良.单片机原理与控制技术M.北京
46、:机械工业出版社,2001.12 楼然苗.51系列单片机设计实例M.北京航空航天出版社,2003.3 13 唐俊翟.单片机原理与应用M.冶金工业出版社,2003.9 14 刘瑞新.单片机原理及应用教程M.机械工业出版社,2003.715 李全利.迟荣强编著 单片机原理及接口技术M.高等教育出版社,2004.116 Atmel Corporation.AT89S52-Data SheetM.Atmel,2001.17 Fu K.S.Learning control systems and intelligent control Artificial intelligence and automa
47、tic controlM. IEEE Trans.AC,1971,16(1).18 M.C.Shaw. Metal Cutting PrinciplesM. Oxford University Press, 1984.致 谢本次毕业设计已经接近尾声了，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有李文联老师的帮助，以及同学的支持，想要完成这个设计是很困难的。从课题的选择到最终的完成，李文联老师给予我细心的指导和支持，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。其次要感谢大学四年来所有的老师对我们的栽培，希望在不久还能有机会跟着这些优秀的老师学习。同时还要感谢所有的同学和室友。正是有了这些支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。最