[優(yōu)秀畢業(yè)設計精品]基于AT89C51的公車自動語音報站系統(tǒng)的設計

1、公交車站自動報站器的設計第1章 緒 論隨著科學技術的日益發(fā)展和進步, 無人售票公交車在街頭多起來了，語音報站器也被廣泛使用，這在相當大的程度上免除了乘務人員沿途報站的麻煩，給許多不熟悉公交線路的乘客帶來了方便。1.1 課題研究的背景及意義公共汽車為外出的人們提供了方便快捷的服務，而公共汽車的報站直接影響服務的質量。傳統(tǒng)由乘務人員人工報站，該方式因其效果太差和工作強度太大，在很多大城市已經被淘汰。近年來，隨著科學技術的日益發(fā)展和進步，微型計算機技術已經在許多領域得到了廣泛的應用。在聲學領域，微機技術與各種語音芯片相結合，即可完成語音的合成技術，使得汽車報站器的實現(xiàn)成為可能，從而為市民提供了更加人

2、性化的服務。鑒于傳統(tǒng)公交車報站系統(tǒng)的不足之處，結合公交車輛的使用特點及實際營運環(huán)境，設計了一種由單片機控制的公交車自動報站系統(tǒng)。公交車自動報站器的設計主要是為了彌補改變傳統(tǒng)語音報站器必須有司機操控才能工作的落后方式，進站、出站自動播報站名及服務用語，為市民提供更人性化，更完善的服務。1.2 報站器的動態(tài)發(fā)展趨勢公共汽車行駛在現(xiàn)代文明程度高的市區(qū)，它是一道流動的風景線，因而對整車外形乃至色彩都有更高的要求。作為公共汽車還要求有醒目和減少乘務人員勞動強度的電子報站器，電子顯示路牌，無人售票裝置，前后電視監(jiān)視系統(tǒng)等新技術的采用也將越來越普及。公交車報站器在公交事業(yè)中占有舉足輕重的地位，它直接影響到公

3、交車的服務質量。目前公交車報站有三種方式，一種是利用gps全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的公交車報站系統(tǒng)，在司機座位后面隔板上，安裝了一臺15英寸的液晶電視和 gps信號接收器，安裝了這套設備后，公交車在語音報站的同時，通過液晶電視還可以顯示到站站名的字幕，這樣如果沒聽清報站的話，通過顯示屏，乘客也可以一目了然。當出現(xiàn)緊急情況時，調度中心將會給公交車發(fā)出相應的信息，以短信的形式傳送到顯示屏上，同時車載臺會發(fā)出相應的提示音；駕駛員也可以通過相應的工具進行回復。目前在美國部分城市gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經投入使用，國內也有此類產品的研制開發(fā)，其功能強大，系統(tǒng)穩(wěn)定，但其投資昂貴，尤其是一些中小城市無法承受。另外兩種是

4、手動電子報站和人工報站的方式，而它們都離不開司務人員，加大司乘人員的工作強度。手動電子報站一般有司機或者乘務員控制，經常出現(xiàn)錯報，誤報的情況。城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。提供舒適，安全、便捷的乘車環(huán)境，對于公交企業(yè)來說，不僅是應盡的責任，亦是不斷追求的目標。1.3 設計的主要目標任務本課題要求設計一公交車自動報站系統(tǒng)，以實現(xiàn)公交車的語音自動報站，即在進站、出站時候自動播報語音提示信息及服務用語，同時利用led點陣電路進行漢字顯示。本設計要求利用at89c51作為主控芯片完成主控電路的設計，輔助電路要求包括語音電路、漢字點陣顯示電路、電源電路等。1.4 技術指標工作電壓 24v靜態(tài)

5、功耗 6w音頻輸出 10w信噪比 34db系統(tǒng)容量 可容納300個站點信息和8分鐘語音廣告信息環(huán)境溫度 -3080最大廣告條數(shù) 100條第2章 方案的選擇與論證公交車自動報站系統(tǒng)的設計主要是對里程計數(shù)來控制報站時刻，進站、出站自動播報站名及服務用語，準確、及時、完全不需要人工介入。本章介紹了兩種不同的方案，并將其進行對比。2.1 方案比較2.1.1 方案一公交車站自動報站器的設計，對車輪軸的轉角的脈沖進行計數(shù)，將計數(shù)值與預置值對比，即可確定報站時刻，達到準確自動的目的。以at89c51為主控芯片，對外來脈沖計數(shù)，結合語音芯片isd4004輸出語音。系統(tǒng)由脈沖檢測、脈沖計數(shù)、cpu控制、控制信號

6、、語音芯片、輸出顯示等組成。原理框圖如圖2.1所示。語音芯片控制信號脈沖計數(shù)cpu控制輸出顯示放音電路脈沖檢測 圖2.1 原理框圖1. 脈沖檢測：該系統(tǒng)關鍵是對轉軸所轉過的圈數(shù)進行計數(shù)，考慮到車輛將在復雜的 環(huán)境中運行，故采用可靠的霍爾元件dn6848作為信號的采集裝置，再經光電耦合器4n25輸入給單片機。2. 脈沖計數(shù)：光電耦合器的信號進入c51后，采用中斷方式對脈沖計數(shù)。外部晶振12mhz。3. cpu控制：程序中將計數(shù)值于預置值進行比較，判斷是否到站，當?shù)秸緯r就輸出信號控制語言芯片進行報站。4. 控制按鍵：用于手動控制、手動調整、預置值的輸入等5. 語言芯片：由專用語音芯片isd4004

7、組成，可擦寫，便于在不同公交線上使用。6. 輸出顯示：led點陣漢字顯示。7. 預置存儲：采用兩種方式存儲，一種是在燒寫器上將數(shù)據(jù)寫入，另一種是在車上，單片機處于輸入狀態(tài)，車輛行駛一遍，將站與站之間的脈沖數(shù)寫入片內。第3章 硬件電路的設計公交車報站系統(tǒng)主要由四個部分組成，即主控電路、脈沖檢測電路、語音電路以及l(fā)ed點陣漢字顯示電路。各部分電路的設計在本章中做了詳細的說明。3.1 主控電路的設計3.1.1 關于at89c51單片機at89c單片機的結構框圖如圖3.1所示。它主要由下面幾個部分組成：1個8位中央處理單元（cpu）、片內flash存儲器、片內ram、4個8位的雙向可尋址i/o口、1個

8、全雙工uart（通用異步接收發(fā)送器）的串行接口、2個16位的定時器/計數(shù)器、多個優(yōu)先級的嵌套中斷結構，以及一個片內振蕩器和時鐘電路。在at89c單片機結構中，最顯著的特點是內部含有flash存儲器，而在其他方面的結構，則和inter公司的8051的結構沒有太大的區(qū)別。cpu中斷控制振蕩器片內flash存儲器總線控制片內ram4i/o端口etc定時器1定時器0串行端口外部中斷p0 p2 p1 p3地址/數(shù)據(jù)txd rxd計數(shù)器輸入圖3.1 at89c單片機的結構框圖3.1.1.1 主要性能1. 與mcs-51 兼容 2. 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000次寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年

9、3. 全靜態(tài)工作：0hz-24hz4. 三級程序存儲器鎖定5. 128*8位內部ram6. 32可編程i/o線7. 兩個16位定時器/計數(shù)器8. 6個中斷源 9. 可編程串行通道10. 片內振蕩器和時鐘電路另外，at89c51是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到0hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式（idle mode）和掉電方式（power down mode）。在空閑方式中，cpu停止工作，而ram、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，故只保存片內ram中的內容，直到下一個硬件復位為止。3.1.

10、1.2 引腳功能說明at89c51引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 at89c51引腳圖vcc：供電電壓。vss：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8個ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于

11、內部上拉的緣故。p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫

12、入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.5 t1（記時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周

13、期的高電平時間。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次

14、/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.2 振蕩器電路的設計89系列單片機的內部振蕩器電路如圖3.3所示，由一個單級反相器組成。xtal1為反相器的輸入，xtal2為反相器的輸出?？梢岳?/p>

15、用它內部的振蕩器產生時鐘，只要在xtal1和xtal2引腳上外接一個晶體及電容組成的并聯(lián)諧振電路，便構成一個完整的振蕩信號發(fā)生器，如圖3.5示，此方法稱為內部方式。另一種使用方法如圖3.4示，由外部時鐘源提供一個時鐘信號到xtal1端輸入，而xtal2端浮空。在組成一個單片機應用系統(tǒng)時，多數(shù)采用圖3.5所示的方法，這種方式的結構緊湊，成本低廉，可靠性高。振蕩器的等效電路如圖3.5上部所示。在圖中給出了外接元件，即外接晶體及電容c1，c2，并組成并聯(lián)諧振電路。在電路中，對電容c1和c2的值要求不是很嚴格，如果用高質的晶振，則不管頻率為多少，c1，c2通常都選擇30pf。有時，在某些應用場合，為了

16、降低成本，晶體振蕩器可用陶瓷振蕩器代替。如果使用陶瓷振蕩器，則電容c1，c2的值取47pf。xtal2xtal1內部定時/pd400d1d2q1rfq2vccq3q4圖3.3 at89c51單片機內部振蕩器電路xtal2xtal1gndnccmos門外部振蕩信號圖3.4 外部時鐘接法xtal1xtal289系列單片機gnd內部定時vcc/pdrf石英晶體或陶瓷振蕩器c1c2圖3.5 片內振蕩器等效電路通常，在單片機中對所使用的振蕩晶體的參數(shù)要求如下：esr（等效串聯(lián)電阻）：根據(jù)所需頻率按圖366選取。c0（并聯(lián)電容）：最大7.0pf。cl（負載電容）：30pf+3pf。通常，其誤差及溫度變化的

17、范圍要按系統(tǒng)的要求來確定。6005004003002001000 4 8 12 16 圖3-6 esr與頻率的關系曲線在本設計中，采用的是內部方式，即如圖3.5所示，在xtal1和xtal2引腳上外接一個12mhz的晶振及兩個47pf的電容組成。3.1.3 復位電路的設計89系列單片機與其他微處理器一樣，在啟動的時候都需要復位，使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。89系列單片機的復位信號是從rst引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如rst引腳上有一個高電平并維持2個機器周期（24個振蕩周期），則cpu就可以響應并將系統(tǒng)復位。

18、復位時序如圖3.7所示，因外部的復位信號是與內部時鐘異步的，所以在每個機器周期的s5p2都對rst引腳上的狀態(tài)采樣。當在rst端采樣到“1”信號且該信號維持19個振蕩周期以后，將ale和/psen接成高電平 ，使器件復位。在rst端電壓變低后，經過1-2個機器周期后退出復位狀態(tài)，重新啟動時鐘，并恢復ale和/psen的狀態(tài)。如果在系統(tǒng)復位期間將ale和/psen引腳拉成低電平，則會引起芯片進入不定狀態(tài)。| s5 | s6 | s1 | s2 | s3 | s4 | s5 | s6 | s1 | s2 | s3 | s4 | s5 | s6 | s1 | s2 | s3 |rst：inst ad

19、dr inst addr inst addr inst addr inst addr instale：/psen：p0：11振蕩周期19振蕩周期圖3.7 內部復位定時時序3.1.3.1 手動復位手動復位需要人為在復位輸入端rst上加入高電平。一般采用的辦法是在rst端和正電源vcc之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則vcc的+5v電平就會直接加到rst端。由于人的動作很快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，保證能滿足復位的時間要求。手動復位的電路如圖3.8所示。vcc at89c51rst gnd8.2k10uf+vcc 圖3.8 手動復位電路3.1.3.2 上電復位at89c51的上電復位電

20、路如圖3.9所示，只要在rst復位輸入引腳上接一電容至vcc端，下接一個電阻到地即可。對于cmos型單片機，由于在rst端內部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至1uf。上電復位的過程是在加電時，復位電路通過電容加給rst端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即rst端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，vcc的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10mhz，起振時間為1ms；晶振頻率為1mhz，起振時間則為10ms。在圖3.8的復位電路中，當vcc掉電時，必然會使rst端電壓迅速下降到0v以下，但是，由

21、于內部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“1”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則在程序計數(shù)器pc中將得不到一個合適的初值，因此，cpu可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。vccat89c51rst8.2k10uf+vccgnd 圖3.9 上電復位電路3.1.3.3 復位后寄存器的狀態(tài)當系統(tǒng)復位時，內部寄存器的狀態(tài)如表3.1所列，即在sfrs中，除了端口鎖存器、堆棧指針sp和串行口的sbuf外，其余的寄存器全部清0，端口鎖存器的復位值為0ffh，堆棧指針值為07h，sbuf內為不定值。內部ram的狀態(tài)不受復位

22、的影響，在系統(tǒng)上電時，ram的內容是不定的。表3.1 各特殊功能寄存器的復位值專用寄存器復位值專用寄存器復位值pc0000htcon00hacc00hb00hpsw00hsp07hdptr0000hp0-p3ffhip00000bie000000btmod00hth000htl000hth100htl100hscon00hsbuf不定pcon（chmos）00000b在本設計中復位電路采用的是上電復位，即如圖3.9所示。3.1.4 電壓變換電路的設計公交車上所使用的電源電壓為24v，而at89c51芯片的工作電壓為5v，所以需要將24v的電壓轉換成5v電壓。設計中采用了三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器

23、7805，來得到+5v穩(wěn)定電壓。電壓變換電路如圖3.10所示。集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。由于集成穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優(yōu)點，在各種電源電路中得到了普遍的應用。常用的集成穩(wěn)壓器有：金屬圓形封裝、金屬菱形封裝、塑料封裝、帶散熱板塑封、扁平式封裝、雙列直插式封裝等。在電子制用中應用較多的是三端固定輸出穩(wěn)壓器。78xx系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，輸出電壓有5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v等規(guī)格，最大輸出電流為1.5a。它的內部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低、溫度

24、漂移小的基準電壓源，工作穩(wěn)定可靠。根據(jù)輸出電流值的不同，選用不同系列的芯片，當電流小于100ma時，可以選用78l00系列；當電流在0.5a以內時，可選用78m00系列；當電流在1.5a以內，應選用7800系列的芯片。7805的最大輸出電流為1.5a。 圖3.10 電壓變換電路3.2 脈沖檢測電路的設計3.2.1 霍爾器件簡介3.2.1.1 霍爾器件的分類霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，她們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1mhz），耐震動，不怕灰塵、油污

25、、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達um級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達-55150。按照霍爾器件的功能，可將它們分為霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按照被檢測的對象的性質，可將它們的應用分為直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數(shù)、轉速以及

26、工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。3.2.1.2 工作磁體的設置用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產生工作磁場。例如，用一個542.5（）的釹鐵硼號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應強度。在空氣隙中，磁感應強度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關器件的可靠工作，在應用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產品手冊中會給出。 因為霍爾器件需要工作電源，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當位置，用它去檢

27、測工作磁場，再從檢測結果中提取被檢信息。工作磁體和霍爾器件間的運動方式有：(a)對移；(b)側移；(c)旋轉；(d)遮斷?；魻栭_關電路的輸出級一般是一個集電極開路的npn晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的npn開關管相同。輸出管截止時，輸漏電流很小，一般只有幾na，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導通時，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個電阻器（即負載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20ma），以免損壞輸出管。輸出電流較大時，管子的飽和壓降也會隨之增大，使用者應當特別注意，僅這

28、個電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。以與發(fā)光二極管的接口如圖3.11所示，對負載電阻器的選擇作一估計。若在io為20ma（霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流），發(fā)光二極管的正向壓降vled=1.4v，電源電壓vcc=5v，所需的負載電阻器的阻值 （3.1）x+5vr 圖3.11 霍爾開關與發(fā)光二極管3.2.2 光電耦合器簡介光電耦合器是一種電信號的耦合器件，它一般是將發(fā)光二極管和光敏三極管的光路耦合在一起，輸入電信號加于發(fā)光二極管上，輸出信號由光敏三極管取出。光電耦合器以光電轉換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側）與信息接收并輸出端（二次側）是絕緣的，從而對地電位差干

29、擾有很強的抑制能力，而且有很強的抑制電磁干擾能力。速度高、價格低、接口簡單。光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強。無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，因而在各種電子設備上得到廣泛的應用。光電耦合器可用于隔離電路、負載接口及各種家用電器等電路中。光電耦合器的工作過程：光敏三極管的導通與截止，是由發(fā)光二極管所加正向電壓控制的。當發(fā)光二極管加上正向電壓時，發(fā)光二極管有電流通過發(fā)光，使光敏三極管內阻減小而導通；反之，當發(fā)光二極管不加正向電壓或所加正向電壓很小時，發(fā)光二極管中無電流或通過電流很小，發(fā)光強度減弱，光敏三極管的內阻增大而截止。3.2.3 脈沖檢測電路的設計本設

30、計的關鍵是對轉軸所轉過的圈數(shù)進行計數(shù)，考慮到車輛將在復雜的環(huán)境中運行，而霍爾元件具有耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點，故采用可靠的霍爾元件dn6848作為信號采集裝置，再經過光電耦合器4n25輸入給單片機。光電耦合器的電流傳輸比為10%250%，響應時間小于10us，其電路如圖3.12所示。 圖3.12 脈沖檢測電路3.3 語音輸出電路的設計3.3.1 關于語音芯片3.3.1.2 語音芯片isd4004isd4000系列單片聲音錄放器件是用cmos工藝實現(xiàn)的高語音質量、3v工作電壓的集成電路芯片，特別適用于移動電話和各種便攜式產品。按錄放時間又分isd4002、isd40

31、03和isd4004三個子系列。片內集成有振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜音電路、音頻放大器和高密度多級flash存儲陣列。這個系列的新片要求用于微處理器或微控制器系列，通過串行外圍接口spi或microwire串行接口進行尋址和控制。錄音數(shù)據(jù)被存放方法是通過isd的多級存儲專利技術實現(xiàn)的，用聲音和聲頻信號的自然形式直接存放在故態(tài)存儲器中，從而提供高質量回放語音的保真度。1. isd4004的主要性能及其特點 （1） 單片實現(xiàn)聲音錄放功能（2） 采用單一3v工作電壓（3） 低功耗：典型的錄音工作電流為25ma 典型的放音工作電流為15ma典型待機節(jié)能狀態(tài)電流為1ua （4） 單片錄放時

32、間為8min、10min、12min和16min（5） 高質量自然的聲音/音頻回放（6） 自動靜音電路可以在無聲狀態(tài)時消除背景噪音（7） 不需要考慮實現(xiàn)算法（8） 具有微控制器spi或microwire串行接口（9） 可以對多段信息尋址控制（10） 可以通過spi或microwire控制寄存器控制功耗（11） 語音數(shù)據(jù)斷電不丟失，可以保存100年（12） 允許反復錄音10萬次（13） 片上帶有時鐘源（14） 有pdip、soic、tsop和csp多種封裝形式（15） 使用溫度范圍有商業(yè)用擴展型和工業(yè)用兩種可供選擇：商業(yè)品擴展型：-20+70工業(yè)品：-40+852. 外部引腳及其說明圖3.13

33、isd4004引腳圖電源 (vcca,vccd)：為使噪聲最小,芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線,并且分別引到外封裝的不同管腳上,模擬和數(shù)字電源端最好分別走線,盡可能在靠近供電端處相連,而去耦電容應盡量靠近器件。地線(vssa,vssd)：芯片內部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線。同相模擬輸入(ana in+)： 這是錄音信號的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅動。單端輸入時,信號由耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值32mv,耦合電容和本端的3k電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅動時,信號最大幅度為峰峰值16mv，為isd33000系列相同。反相模擬輸入(ana in-)：

34、差分驅動時,這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值16mv音頻輸出(aud out)：提供音頻輸出,可驅動5k的負載。片選(ss)：此端為低,即向該isd4004芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。串行輸入(mosi)：此端為串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端,供isd輸入。串行輸出(miso)：isd的串行輸出端。isd未選中時,本端呈高阻態(tài)。串行時鐘(sclk)：isd的時鐘輸入端,由主控制器產生,用于同步mosi和miso的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在sclk上升沿鎖存到isd,在下降沿移出isd。中斷(/int)：本端為漏極開路輸出。isd在

35、任何操作(包括快進)中檢測到eom或ovf時,本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個spi周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用rint指令讀取。ovf標志-指示isd的錄、放操作已到達存儲器的未尾。eom標志-只在放音中檢測到內部的eom標志時,此狀態(tài)位才置1。行地址時鐘(rac)：漏極開路輸出。每個rac周期表示isd存儲器的操作進行了一行(isd4004系列中的存貯器共2400行)。該信號175ms保持高電平，低電平為25ms?？爝M模式下，rac的218.75s是高電平，31.25s為低電平。該端可用于存儲管理技術。外部時鐘(xclk)：本端內部有下拉元件。芯片內部的采樣時鐘在出廠前已調校,誤差在 +

36、1%內。商業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內, 頻率變化在+2.25%內。工業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內,頻率變化在-6/+4%內,此時建議使用穩(wěn)壓電源。若要求更高精度,可從本端輸入外部時鐘(如前表所列)。由于內部的防混淆及平滑濾波器已設定,故上述推薦的時鐘頻率不應改變。輸入時鐘的占空比無關緊要,因內部首先進行了分頻。在不外接地時鐘時,此端必須接地。自動靜噪(amcap)：當錄音信號電平下降到內部設定的某一閾值以下時,自動靜噪功能使信號衰弱,這樣有助于養(yǎng)活無信號(靜音)時的噪聲。通常本端對地接1mf的電容,構成內部信號電平峰值檢測電路的一部分。檢出的峰值電平與內部設定的閾值作比較,決定自動靜噪功

37、能的翻轉點。大信號時,自動靜噪電路不衰減,靜音時衰減6db。1mf的電容也影響自動靜噪電路對信號幅度的響應速度。本端接vcca則禁止自動靜噪。3. 極限參數(shù)（1） 支流電源電壓范圍（vccvss）：-0.3+0.7v（2） 輸入電壓范圍（所有引腳）：（vss-0.3v）（vcc+0.3v）（3） 輸入電壓范圍（所有引腳，輸入電流不超過20ma）：（vss-1.0v）（vcc+1.0v）（4） 輸入電壓范圍（mosi、sclk、int、rac、ss引腳，輸入電流不超過20ma）：（vss-1.0v）5.5v（5） 結溫：+150（6） 存儲溫度范圍（tstg）：-65+150（7） 引腳焊接溫度

38、（10s）：+3004. 串行外圍接口spiisd4004的串行操作是通過spi串行接口實現(xiàn)的，spi串行接口協(xié)議如下：數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設定微控制器spi的移位寄存器是有串行時鐘sclk的下降沿驅動。而對isd4004數(shù)據(jù)輸入是由mosi引腳上的上升沿驅動，數(shù)據(jù)輸出是由miso引腳上的下降沿驅動。（1） 所有串行數(shù)據(jù)傳送都是由/ss引腳上的下降沿開始。（2） 在所有串行通信期間，/ss引腳上都保持低電平，而在兩條指令之間保持高電平。（3） 數(shù)據(jù)輸入由時鐘的上升沿驅動，數(shù)據(jù)輸出由時鐘的下降沿驅動。（4） 錄音和放音操作的初始化是通過把/ss引腳為低電平使能芯片，把操作碼和地址串行輸入。（5） 輸入操

39、作碼和地址的格式如下：和（6） 每個由eom或溢出產生的結果信號都將產生中斷，包括報文周期插入周期。當下一次初始化spi周期時，中斷將被清除。（7） 當中斷數(shù)據(jù)被移位移出miso引腳時，控制和地址數(shù)據(jù)就同時被移進mosi引腳。需要注意的是，移入的數(shù)據(jù)與當前系統(tǒng)的操作是一致的。有可能在同一個spi周期讀中斷數(shù)據(jù)和啟動一個新的操作。（8） 任何一個操作都是從run位被置1開始，由run位清零結束。（9） 所有的操作都是有/ss的上升沿開始。spi控制寄存器用于各個期間功能的控制，這些控制包括放音、錄音、報文插入、上電和掉電、啟動和停止操作以及忽略地址指針等。以下是控制寄存器的說明：（1） n控制寄

40、存器：用于控制操作。當其為1時，啟動操作；當其為0時，停止操作。（2） /控制寄存器：用于選擇放音和錄音操作。當其為1時選擇放音操作；當其為0時，選擇錄音操作。mosic4 c3 c2 c1 c0 a15 a14 a13 a12 a11 a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0報文插入(mc)忽略的地址(iab)上電(pu)放音/錄音(p/r)運行misoovf eom p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 p8 p9 p10 p11 p12 p13 p14 p15 0 0 0 0 0 0圖3.14 spi端口及其相關控制位示意圖（3） mc控制寄存器：用語

41、控制報文插入功能。當其為1時，允許報文插入；當其為0時，關閉報文插入功能。（4） pu控制寄存器：用于主電源控制。當其為1時，控制上電；當其為0時，掉電進入節(jié)能狀態(tài)。（5） iab控制寄存器：忽略地址控制位。當其為1時，忽略輸入地址寄存器的內容a9-a0/a15-a0。當其為0時，使用在操作上使用的輸入地址寄存器的內容a9-a0/a15-a0。當iab被清0時，放音或錄音操作就從地址a9-a0/a15-a0開始。為了連續(xù)放音或錄音，iab應該在相應行結束前變?yōu)?，否則將會從同一行的地址處重復操作。存儲器管理時，rac（行地址時鐘）引腳和iab可以用來繞著存儲器分段移動。（6） p9-p0/p1

42、5-p0：行指針寄存器的輸出。（7） a9-a0/a15-a0：輸入地址寄存器。3.3.2 錄音、放音電路的設計isd4004聲音錄放器件的采樣頻率為6.4khz，它單片錄放時間有8min、10min、12min和16min幾種，其采用內置非易失性flash存儲器，這種快擦寫存儲器斷電不會丟失數(shù)據(jù)，所以保存數(shù)據(jù)不需要耗電。典型的被存儲信息可以保存時間高達100年，同一個存儲單元可以反復被錄音10萬次。3.3.2.1 功放電路的設計isd4004芯片的音頻輸出引腳aud out可以驅動一個5k的負載，當器件上電后，該引腳輸出的電源為1.2v。本設計中選用的放大器是lm386，lm386是為低電壓

43、應用設計的音頻功率放大器，其工作電壓為6v，最大失真度為0.2，功率頻響為20100khz。功放電路連線圖如圖3.15所示。圖3.15 功放電路由于功率放大器lm386要接+6v電壓，因此還需要一個電壓變換電路將24v電壓變換成+6v的電壓。這里選用的是芯片lm317。lm331是三端可調式集成穩(wěn)壓器，其電路結構和外接元件如圖3.15所示。它的內部電路有比較放大器、偏置電路（圖中未畫出）、恒流源電路和帶隙基準電壓等，它的公共端改接到輸出端，器件本身無接地端。所以消耗的電流都從輸出端流出，內部的基準電壓（約1.2v）接至比較放大器的同相端和調整端之間。若接上外部的調整電阻r1、r2后，輸出電壓為

44、 （3.2）lm317的=1.2v，=50ua，由于調整端電流 ，故可以忽略，所以上式化簡為 （3.3）基準電壓比較放大器調整管vrefivbti1iadji2+-vivoadj+r1r2圖3.16 三端可調試集成穩(wěn)壓器結構圖電壓變換電路連線圖如圖3.17所示。圖3.17 電壓變換電路3.3.2.2 錄音電路的設計連線圖如圖3.18所示，mic是麥克風，即語音信號的輸入端，輸出的模擬語音信號經過三極管組成的放大器放大后加到isd4004語音芯片的ana in-反向模擬輸入端。vcc圖3.18 錄音電路3.4 led顯示電路的設計3.4.1 led顯示器件簡介3.4.1.1 發(fā)光二極管特性發(fā)光二

45、極管與普通二極管一樣具有單向導電性，但是因其使用的半導體材料不同,其導通電壓較高，一般鍺二極管在0.2v左右，硅二極管在0.7v左右，而砷化鎵或磷化鎵發(fā)光二極管一般在1.1-2.4v，但其反向擊穿電壓不高，一般在5v或稍許高一點（不能用500型萬用表的r10k檔測量，在反壓較高的電路中需要加鉗位二極管保護）。對小功率led，支流工作電流以1-15ma為宜（不同材料的led要求會相差較大），最大電流不得超過50ma，最大平均電流不超過30ma，所以使用中必須要加限流電阻。中功率led的電流工作電流可達200ma左右。led可看承具有恒壓特性，其正向壓降變化不大，有一定的穩(wěn)定作用，其發(fā)光強度隨工作

46、電流增大而增大。對紅色led而言，工作電流一般為5-7ma較合適，當工作電流大于15ma后，其發(fā)光強度就趨于飽和。另外led的發(fā)光強度還一環(huán)境溫度有關，溫度越低發(fā)光強度越高，隨溫度升高，發(fā)光強度呈準線性下降，在75時發(fā)光強度僅為25時的一半，在80時，led幾乎就不能工作，led的最大工作電流也隨溫度升高而線性下降。3.4.1.2 led顯示器1. led顯示器類型led顯示器是用發(fā)光二極管構成的顯示器。構成方式有兩大類：一是筆段字符式，一般又有三種：7段（/8段）數(shù)碼管、15段（/17段）數(shù)碼管和6段符號顯示器；二是點陣字符式，一般有57、58、88和1616等若干種點陣結構。為了適應不同電

47、路的需要，根據(jù)構成led顯示器的發(fā)光二極管公共極的極性，有共陰極和共陽極兩種形式。對共陰極數(shù)碼管，公共陰極接地，當各段陽極上的電平為高電平時，該段接通亮，電平為0時，該段關斷不亮。對共陽極數(shù)碼管則剛好相反，高電平時不亮，低電平時亮。這種器件根據(jù)顯示數(shù)位分類，可以分為一位、雙位和多位led顯示器，一位led顯示器就稱作led數(shù)碼管，兩位以上的一般就稱作led顯示器。（1）7段（/8段）數(shù)碼管顯示器7段（/8段）數(shù)碼顯示器的每個數(shù)位都是由7段筆段組成，通過不同筆段的組合就可以顯示不同的數(shù)字和部分字母以及其他符號。其第8筆段一小數(shù)點形式位于字符的右下方。（2）15段（/17段）數(shù)碼管顯示器15段（/

48、17段）數(shù)碼顯示器的每個數(shù)位都是由14（/16）段數(shù)碼管組成外框加“米”構成，通過不同筆段的組合，不但可以顯示所有的數(shù)字，還可以顯示所有的26個英文字母和其他符號。15段與17段顯示器的區(qū)別在于外框上下兩橫結構不一樣，17段顯示器的上橫和下橫分別被分成兩個筆段，而15段顯示器則分別為一個筆段。17段顯示器可以顯示兩種尺寸不同的數(shù)字，一種為半尺寸瘦型數(shù)字，另一種為全尺寸的寬型數(shù)字；而15段顯示器則只能顯示全尺寸的數(shù)字。（3）6段符號顯示器6段符號顯示器經常在或計量顯示中用于顯示最高位和符號位，因為在3位半或4位半顯示器中，最高位最大僅為1，所以符號顯示器用6段筆段構成“+1”，可以根據(jù)需要顯示“

49、+1”、“-1”、“1”、“+”、“-”、“+1.”、“-1.”或“1.”等組合符號。（4）點陣式顯示器筆段式led顯示器只能顯示數(shù)字、部分簡單的英文字母和其他簡單字符等，不能顯示復雜的字母和符號，更不能顯示漢字和圖形，所以應用范圍受到限制。而點陣式led顯示器就可以解決這個問題，常見的點陣式led顯示器有57、58、88和1616等若干種點陣結構。57、58、88點陣顯示器可以顯示大小寫英文字母、數(shù)字和其他字符，1616點陣顯示器則可以顯示漢字和簡單的圖形。2. led顯示譯碼方式要驅動led顯示器顯示相應字符，必須通過接口向其提供字符的筆段字形碼和數(shù)位代碼。如何得到字符的筆段字形碼，可以通

50、過硬件譯碼方式，也可以通過軟件譯碼方式。（1）硬件譯碼常用的硬件譯碼器有bcd7段譯碼器mc14558，把譯碼器與驅動電路集成在一起的bcd7段譯碼驅動器mc14547，進一步把鎖存器、譯碼器和驅動器集成在一起的bcd7段鎖存譯碼驅動器mc14513和十六進制輸出的鎖存譯碼驅動器mc14495等。（2）軟件譯碼當led顯示器用于微處理器或微控制器應用系統(tǒng)時，利用微處理器的強大功能，通過軟件查表方式對所需要顯示的字符到筆段字形碼的變換實現(xiàn)譯碼不是一件困難的事，所以目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)應用都是采用這種軟件譯碼方式。3. led顯示器驅動方式led顯示器驅動方式可以分成靜態(tài)顯示驅動和動態(tài)顯示驅動兩種

51、。靜態(tài)顯示驅動一般是通過數(shù)字集成電路對所需要顯示的字符筆段連續(xù)施加電壓；而動態(tài)顯示驅動則是利用矩陣少秒方式間斷向所需要顯示的字符筆段輪流施加電壓。（1）靜態(tài)顯示驅動當led顯示器工作于靜態(tài)顯示驅動方式時，不同數(shù)位led數(shù)碼管的公共極（共陰極或共陽極）將被連接在一起并接地或+5v，而每個數(shù)位的8段筆段分別與一個8位鎖存器相連。不同數(shù)位的數(shù)碼管相互獨立，分別用不同的驅動器件進行驅動，它們的顯示字符一旦確定，只要不改變顯示字符，相應的鎖存器的輸出就將一直維持不變。這種驅動方式的優(yōu)點是編程容易、管理簡單、顯示亮度高、穩(wěn)定性好，占用cpu時間較少；但缺點是占用硬件電路和微處理器系統(tǒng)接口資源較多、引線多、

52、印刷板布線復雜、硬件投入成本高。（2）動態(tài)顯示驅動當led顯示器工作于動態(tài)顯示驅動方式時，通常把不同數(shù)位的同名筆段互連起來，共用一個顯示驅動器。每一個數(shù)位上的字符顯示都需要靠筆段字形驅動和數(shù)位驅動相配合，如果數(shù)位顯示該位字符，持續(xù)施加一段時間的電壓，然后再顯示下一個數(shù)位的字符。這樣輪回掃描所有的數(shù)位，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要掃描時間恰當，就會感覺到不同數(shù)位上在同時穩(wěn)定地顯示不同的字符。動態(tài)顯示驅動方式的優(yōu)點是引線少、線路簡單、硬件成本相對較低。其缺點是需要不斷刷新，當采用軟件掃描時，占用cpu的時間較多；當采用硬件掃描時，又會增加硬件成本，led顯示數(shù)位越多，顯示亮度越低，若處理不好或數(shù)位

53、太多，將會引起顯示閃爍。4. 數(shù)據(jù)輸入接口方式數(shù)據(jù)輸入接口方式有并行輸入方式和串行輸入方式兩種。（1）并行輸入數(shù)據(jù)并行輸入方式是以并行方式傳送數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是傳送數(shù)據(jù)速度快，其缺點是需要占用較多的i/o接口線。（2）串行輸入數(shù)據(jù)串行輸入方式是以串行方式傳送數(shù)據(jù)，其優(yōu)點是占用i/o接口資源少，其缺點是傳送數(shù)據(jù)的速度相對較慢。3.4.2 6116芯片簡介隨機存取存儲器簡稱 ram，也叫做讀/寫存儲器，既能方便地讀出所存數(shù)據(jù)，又能隨時寫入新的數(shù)據(jù)。ram 的缺點是數(shù)據(jù)的易失性，即一旦掉電，所存的數(shù)據(jù)全部丟失。3.4.2.1 芯片引腳排列圖 圖3.19所示是 2k8 位靜態(tài)cmos ram6116 的引腳排列圖。a0a10是地址碼輸入端，d0d7是數(shù)據(jù)輸出端， cs 是選片端， oe 是輸出使能端，we 是寫入控制端。圖3.19 6116引腳圖3.4.2.2 芯片工作方式和控制信號之間的關系 表 3.2 所列是 6116 的工作方式與控制信號之間的關系，讀出和寫入線是分開的，而且寫入優(yōu)先。表 3.2 靜態(tài) ram6116 工作方式與控制信號之間的關系 /cs/oe/wea0-a10d0-d7工作狀態(tài)1高阻態(tài)低功耗維持001穩(wěn)定輸出讀00穩(wěn)定輸入寫3.4.3 led點陣漢字顯示電路的設計電路圖如圖3.20所示。 圖3.20 led點陣漢字顯示電路本