公共汽車自動報站系統(tǒng)設計

SHANDONG 畢業(yè)設計說明書 公共汽車自動報站系統(tǒng)設計 學 院： 電氣與電子工程學院 專 業(yè)： 自動化 學生姓名： 呂昆明 學 號： 0812102055 指導教師： 解紅軍 2012 年 6 月 中 文 摘 要 I 摘 要 目前公共汽車的報站由傳統(tǒng)的人工報站逐漸變成語音自動報站。文中介紹 了一種基于單片機的語音報站系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠為乘客播報準確的站臺信息， 提供各種提示信息等。該自動報站系統(tǒng)以 AT89C52 為控制核心，通過由霍爾 元件等組成的測距模塊進行測距，當公交車到達某一站臺時，單片機控制 ISD4004 語音芯片進行語音報站，同時 LED 點陣會進行站臺信息顯示。文中給 出了自動報站系統(tǒng)的軟件和硬件的設計方法。設計內(nèi)容包括硬件電路與軟件程 序的編寫。整個系統(tǒng)的硬件設計包括顯示電路、鍵盤電路、電源電路和距離檢 測電路。本系統(tǒng)很大程度上提高了公交車報站的準確性和可靠性，提高了公交 系統(tǒng)的服務質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：自動報站系統(tǒng) AT89C52 ISD4004 霍爾元件 LED 點陣 Abstract II Abstract Today in the field of bus-stop-reporting system,the method is changing from artificial report to voice report .This paper introduces a kind of microcontroller-based voice report system,The system can provide passengers with accurate site information and other prompt information. The system uses MCU to manage voice chip which can tell passenger the station. This paper gives the design method of the software and hardware system. Design content includes the hardware circuit and software program code. AT89C52 is the control core of the system. The Hall element can help to measure the distance, When the bus at a certain site, MCU control the ISD4004 voice chip to Broadcast a site, at the same time the LED digital tube will show the site.The hardware design of whole systerm includes display circuit, keyboard circuit, power supply circuit and distance detection circuit. This system greatly improves the accuracy and reliability of bus stations, and improves the quality of service of the public transport system. Keywords: Automatic stop announcement system, AT89C52, ISD4004 chip, The hall element, LED display 目 錄 III 目 錄 摘 要I Abstract.II 目 錄.III 第一章 引言.1 1.1 課題研究背景1 1.2 課題研究意義1 1.3 課題研究現(xiàn)狀2 1.4 課題設計介紹.2 第二章 系統(tǒng)方案的選擇與論證.3 2.1 設計方案介紹3 2.1.1 設計方案一：通過脈沖計數(shù)實現(xiàn)公交車自動報站.3 2.1.2 設計方案二：采用 GPS 定位來實現(xiàn)自動報站.4 2.2 設計方案選擇5 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計.6 3.1 系統(tǒng)總體方框圖6 3.2 主控電路設計6 3.2.1 主控芯片的介紹.6 3.2.2 振蕩器電路的設計.9 3.3 測距電路設計10 3.3.1 脈沖檢測電路的設計.10 3.4 語音電路設計12 目 錄 IV 3.4.1 ISD4004 語音芯片12 3.4.2 錄音電路的設計15 3.4.3 放音電路的設計15 3.5 顯示電路設計16 3.5.1 LED 顯示器件的介紹.17 3.5.2 LED 顯示器的譯碼方式.18 3.5.3 LED 顯示器的驅(qū)動方式.18 3.5.4 6116 存儲芯片的介紹.19 3.5.5 LED 點陣漢字顯示電路的設計.19 3.6 按鍵控制電路設計20 3.7 溫度檢測電路設計21 3.8 電源電路設計23 第四章 系統(tǒng)軟件設計.24 4.1 主控程序設計24 4.2 語音報站程序設計26 4.3 LED 漢字顯示程序設計26 總 結(jié).28 參考文獻.29 致 謝.30 附錄 1 主控程序清單31 附錄 2 語音報站程序清單35 附錄 3 顯示程序清單41 附錄 4 總電路圖42 第一章 引 言 - 1 - 第一章 引言 1.1 課題研究背景 隨著現(xiàn)代社會的向前發(fā)展，人們的生活水平也日益提高，對生活質(zhì)量的要 求也越來越高。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，讓汽車進入了尋常百姓的家庭，改變了 人們的生活方式和生活習慣。汽車讓人們的出行更加便捷，但是隨著汽車保有 量的增加，道路就變得十分擁擠，承擔著巨大的壓力。為了緩解這種交通壓力， 我們應當大力發(fā)展公交系統(tǒng)等其他公共交通工具。現(xiàn)在越來越多的人們會選擇 公交車作為交通工具，因此這就給公交車的人性化服務提出了更高的要求。原 先依靠售票員或公交司機報站的方式已經(jīng)不能滿足乘客的出行需要，而且老舊 的報站方式在現(xiàn)在來看，存有一些安全隱患。因此如何實現(xiàn)自動報站是一個急 需解決的問題。 近年來，微型計算機技術(shù)日益發(fā)展，并且在很多領(lǐng)域已得到了廣泛的應用。 例如微控制器(MCU)已經(jīng)被廣泛地應用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家電、 計算機外部設備等領(lǐng)域。單片機地體積小，重量輕，價格便宜，并且這種芯片 的技術(shù)已十分成熟。正因為它的廣泛應用，所以學習單片機的應用就顯得十分 重要，而且學習好單片機也是學習其他嵌入式控制器的基礎(chǔ)。微型計算機技術(shù) 與語音芯片以及顯示芯片的組合，使得公交車自動報站的實現(xiàn)成為可能，從而 給公交系統(tǒng)帶來新的變化新的活力，讓人們獲得更加便利的服務。 1.2 課題研究意義 現(xiàn)在隨著城市規(guī)模的擴大、城鎮(zhèn)人口的增加、旅游業(yè)的發(fā)展和人們生活水 平的提高，公交車作為一種交通工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾M成部 分。公交車手動控制的報站器，一方面影響了公交司機的正常安全駕駛，給乘 客和路人帶來安全隱患；另一方面也增加了司機的勞動強度?；趩纹瑱C的公 交車自動報站系統(tǒng)，通過單片機對測距模塊、語音模塊和顯示模塊的綜合控制 實現(xiàn)全自動報站的功能。自動報站系統(tǒng)能使每輛公交車實現(xiàn)準確的報站，讓每 位乘客準確知道自己所在的位置，同時又減輕了公交駕駛員的工作負擔。從公 交企業(yè)自身來說，自動報站系統(tǒng)能夠給企業(yè)一個良好的親民形象，也會給企業(yè) 第一章 引 言 - 2 - 帶來效益的增長。 1.3 課題研究現(xiàn)狀 公共汽車自動報站系統(tǒng)的設計目的主要是為了彌補傳統(tǒng)人工語音報站和手 動報站的落后方式，進行進站和出站信息的自動播報，以及播報文明禮貌用語 或者廣告和天氣信息等，為廣大乘客提供更加人性化和更完善的服務。 目前語音自動報站系統(tǒng)主要有以下四種：第一種是普通手動語音報站器， 到站之前，乘務人員會按下進站按鈕進行語音報站，出站時乘務人員再按下出 站按鈕進行預報下一站名，通過序號來記錄各個站臺的站名；第二種是門控型 語音自動報站器，它將開門和關(guān)門時的轉(zhuǎn)換信號與語音報站器連接，在開門和 關(guān)門時進行語音報站；第三種是無線信標語音自動報站器，它需要在每個公交 車站臺設置發(fā)射信標點，在臨近站點左右時，公交車會收到信標信號，開始自 動報站，駛出站后無線信號消失，系統(tǒng)開始預報下一站。第四種是基于 GPS 導 航的語音自動報站器。報站器根據(jù)預先設置好的站臺坐標，自動判斷識別站臺 坐標，然后進行語音自動報站。這種方式報站精準，不需要人工操作，也不需 要建設任何車外設施。 1.4 課題設計介紹 本課題要求設計一個公共汽車自動報站系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)公共汽車的語音 自動報站，在語音播報站臺信息的同時，LED 點陣顯示電路會進行站臺名的顯 示。課題設計要求以 AT89C52 為核心完成公共汽車自動報站系統(tǒng)的硬件設計 和軟件設計。硬件電路包括距離檢測電路、顯示電路、語音電路、電源電路、 鍵盤電路和溫度檢測電路等。軟件設計包括系統(tǒng)初始化及主程序的設計、顯示 程序和鍵盤程序的設計等。 第二章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 - 3 - 第二章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 公共汽車自動報站系統(tǒng)能夠準確地進行語音報站，讓乘客知道自己所在的 位置，完全不需要人工的介入。同時也可以用來顯示廣告，播放文明提示，以 充分利用資源。本章主要介紹了兩種不同的設計方案，并將進行對比分析和方 案的選擇。 2.1 設計方案介紹 2.1.1 設計方案一：通過脈沖計數(shù)實現(xiàn)公交車自動報站 此方案通過對車輪軸轉(zhuǎn)角的脈沖進行計數(shù)，將脈沖計數(shù)值與預置值進行比 較判斷，從而實現(xiàn)準確自動報站的目的。本方案以 AT89C52 作為主控芯片， 以霍爾元件等組成的脈沖檢測電路對車輪軸轉(zhuǎn)角的脈沖進行計數(shù)，由以語音芯 片 ISD4004 為核心的語音模塊輸出語音信息，并通過 LED 點陣顯示模塊進行 站臺的信息的顯示。其原理框圖如圖 2.1 所示。 脈沖 檢 測 脈沖 計 數(shù) 89C52 主 控 芯 片 語音模塊 顯示模塊 按鍵模塊 圖 2.1 原理框圖 由原理框圖可知該系統(tǒng)由距離檢測電路、顯示電路、語音電路、電源電路、 鍵盤電路等組成。各個電路模塊的介紹如下： 1.主控模塊：該模塊的核心是一塊 AT89C52 單片機，它是 8 位單片機，是 一種功耗低、高性能的 CMOS 微處理器。主控模塊將脈沖計數(shù)值和預置值進行 比較，判斷是否到站，當?shù)秸緯r就輸出信號控制語音模塊進行語音報站，并控 制顯示模塊進行站臺信息顯示。 2.脈沖檢測：脈沖檢測的核心元件是霍爾元件。該模塊的關(guān)鍵是對車輪軸 第二章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 - 4 - 轉(zhuǎn)過的圈數(shù)進行檢測計數(shù)。在現(xiàn)實生活中，車輛的運行環(huán)境會比較復雜惡劣， 所以我們可以選用可靠地霍爾元件作為信號的采集裝置，然后再經(jīng)過光電耦合 器輸入到單片機中。 3.脈沖計數(shù)：脈沖計數(shù)電路采用光電耦合器。霍爾元件采集的信號經(jīng)過光 電耦合器輸入給單片機后，采用中斷方式對脈沖計數(shù)。 4.語音模塊：該模塊主要由語音芯片 ISD4004 組成，用于站臺信息、文明 禮貌用語和廣告信息等的語音播放。 5.顯示模塊：用 LED 點陣顯示站臺名等提示信息。 6.按鍵模塊：該系統(tǒng)為自動報站，需要人工介入的工作很少，所以這里選 用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。 2.1.2 設計方案二：采用 GPS 定位來實現(xiàn)自動報站 GPS 是近年來興起的一種新技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應用于各個領(lǐng)域，并逐漸成為 人們生活中不可或缺的組成部分。采用 GPS 定位的自動報站方案選用一個 AT89C52 單片機作為主控芯片，GPS 作為公交車定位模塊，ISD4004 為語音模 塊的控制芯片。GPS 模塊接收定位衛(wèi)星發(fā)來的定位數(shù)據(jù)，并根據(jù)得到的經(jīng)緯度 信息判斷公交車是否到達預設的各個站點。當?shù)竭_預設的站點時主控芯片會控 制語音芯片進行站臺名播報，同時會控制 LED 顯示屏顯示站名。這種方案的特 點是利用 GPS 對公交車進行實時定位，不需要人為干預，便能夠準確無誤地進 行站點播報。該方案采用先進的 GPS 定位技術(shù)，能夠精確地追蹤公交車的行駛 位置，報站精度高，可靠性高。系統(tǒng)的原理圖如圖 2.2 所示。 GPS 接收 模塊 AT89C52 主控模塊 語音模塊 顯示模塊 站臺設定 第二章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 - 5 - 圖 2.2 原理框圖 該方案的 GPS 接收模塊選用車載型 GPS 接收器。這類接收機應用較為廣 泛，價格便宜，適合系統(tǒng)設計。 2.2 設計方案選擇 方案一使用 AT89C52 為主控芯片，通過對行駛里程的計數(shù)來控制報站的 時刻，完全不需要人工的介入，便能進行自動報站，因此完全符合設計的要求。 該方案選用美國 ISD 公司生產(chǎn)的 ISD4004 語音芯片，該芯片與其他語音芯片相 比具有語音音質(zhì)好，錄放時間長等優(yōu)點。方案二使用 GPS 定位技術(shù)來實現(xiàn)自動 報站，也符合設計要求，但是當公交車輛行駛在市區(qū)街道或者穿越隧道時， GPS 信號可能會受到高層建筑、林蔭樹木或者高山遮擋等因素影響而丟失。此 外，GPS 定位報站成本較高，系統(tǒng)維護比較復雜。綜合以上利弊，本課題決定 選用方案一。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 6 - 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 公交車自動報站系統(tǒng)主要由四個部分組成，即主控電路、脈沖檢測電路、 語音電路和顯示電路。本章根據(jù)系統(tǒng)總體方框圖來對每個部分的電路進行分析 和說明。系統(tǒng)的設計原理圖如附錄二所示。 3.1 系統(tǒng)總體方框圖 脈沖 檢 測 脈沖 計 數(shù)89C52 主 控 芯 片 語音模塊 顯示模塊 按鍵模塊 +5V 電源 圖 3.1 系統(tǒng)總體方框圖 3.2 主控電路設計 3.2.1 主控芯片的介紹 AT89C52 是一款高性能 8 位單片機，它是由美國 ATMEL 公司采用可 靠的 CMOS 工藝技術(shù)生產(chǎn)制造的。它不僅利用了 CMOS 的高速和高密度技術(shù)， 而且兼具了 CMOS 的低功耗特點，它以標準的 MCS-51 單片機體系結(jié)構(gòu)和指令 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此可以說它是 89C51 增強型的單片機版本。它不僅集成了時鐘 輸出，而且具有向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合在類似馬達控制等應用 的場合進行應用。AT89C52 中內(nèi)置了一些重要的組成部分，例如它擁有一個八 位的中央處理單元，它內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器 RAM 的大小為 256 字節(jié)，內(nèi)部的程 序存儲器 ROM 的大小為 8k，具有的 32 個輸入/輸出口（I/O 口）是雙向的，16 位的定時/計數(shù)器有三個，兩級中斷的結(jié)構(gòu)有五個，還有一個全雙工的能夠串行 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 7 - 的通信的端口。除此之外，AT89C52 還具有低功耗的模式。低功耗的模式又被 分為空閑模式還有掉電模式兩種，這兩種模式可以使用兩種軟件進行選擇。當 單片機處于空閑模式的狀態(tài)下時，CPU 將會被凍結(jié)，但是會繼續(xù)維持 RAM 定 時器、串行口和中斷系統(tǒng)的功能。當處于掉電模式時，RAM 中存儲的數(shù)據(jù)會 被保存下來，這時會停止時鐘振蕩，同時單片機內(nèi)其余的功能會停止。 圖 3.2 AT89C52 的結(jié)構(gòu)框圖 3.2.1.1 主要功能特性 1、能夠兼容 MCS51 的指令系統(tǒng) 2、具有 8k 能夠反復擦寫的快速數(shù)據(jù)存儲器 3、具有 32 個雙向輸入輸出口線（I/O 口） 4、內(nèi)置的 RAM 大小為 256x8bit 5、具有三個十六位的可編程定時/計數(shù)器中斷 6、全靜態(tài)操作 7、兩個串行中斷，UART 串行通道可編程 8、兩個外部中斷源，共八個中斷源 9、兩個讀寫中斷口線，三級加密位 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 8 - 10、低功耗有空閑和掉電兩種模式 3.2.1.2 AT89C52 的引腳 AT89C52 單片機的引腳如圖 3.3 所示 圖 3.3 AT89C52 引腳圖 主要管腳有：VCC（40 腳）和 VSS（20 腳）是供電端口，它們分別接 +5V 電源的正負端。P0P3 是可以編程的通用 I/O 管腳，通過軟件定義它們的 功能用途。P0 口是一組雙向的漏極開路型的輸入輸出口，即是數(shù)據(jù)和地址總 線的復用口。當 P0 口作為輸出時，每一位能夠驅(qū)動八個 TTL 門電路，如果 P0 口輸入高電平時，可將其作為高阻抗的輸入端。P1 口是一個八位雙向的帶內(nèi)部 上拉電阻的輸入輸出口， P1 的輸出緩沖級能夠驅(qū)動（吸收或輸出電流）四個 TTL 門電路。P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩 沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。P3 口是一組帶有內(nèi)部 上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的 第二功能。在本設計中，P0 端口（3239 腳）被定義為 N1 功能控制端口， 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 9 - 分別與 N1 的相應功能管腳相連接，13 腳定義為 IR 輸入端，10 腳和 11 腳定 義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS（18 腳）和 SCLS（19 腳）端 口，12 腳、27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應功 能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。XTAL1（19 腳） 和 XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。 3.2.2 振蕩器電路的設計 AT89C52 有一個高增益的反相放大器，這個反向放大器被用于構(gòu)成單片機 內(nèi)部的振蕩器。我們把 XTAL1 管腳當做這個放大器的輸入端，而把 XTAL2 管 腳作為此放大器的輸出端。這個放大器能夠與片外的石英晶體一起構(gòu)成自激振 蕩器，其中片外的石英晶體是作為一個反饋元件。外接的石英晶體還有電容 C1、C2 接在放大器的反饋回路中，從而會變成并聯(lián)的振蕩電路。雖然我們對 所使用的電容 C1、C2 沒有特別嚴格的要求，但是電容的容量的大小會產(chǎn)生一 些影響，比如振蕩頻率的大小會受到一定的影響，振蕩器的工作的穩(wěn)定能力會 受到一定的影響，還有可能會對起振的難易程度以及溫度的穩(wěn)定性產(chǎn)生輕微的 影響。如果我們選擇使用石英晶體，那么最好選擇使用 30pF10pF 大小的電容。 用戶也能夠使用外部時鐘。在這個狀況下，XTAL1 端口應當和外部的時鐘脈 沖相連接，而 XTAL2 端口會置空。本設計中我們選用內(nèi)部時鐘的方式構(gòu)成振 蕩電路，其電路圖如圖 3.4 所示。 圖 3.4 內(nèi)部時鐘方式 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 10 - 3.3 測距電路設計 電磁式傳感器在早期的輪速檢測中被廣泛的采用，可是它自身存在很多的 不足之處。其一是它輸出信號的幅值不是恒定的，而是不斷變化的。如果車速 較為緩慢，其輸出信號的幅值小于 1V，就不能被檢測。其二，電磁式傳感器的 頻率響應相對較低，在轉(zhuǎn)速處于較高速度時，傳感器頻率就會響應不過來，很 容易就會產(chǎn)生錯誤的信號。其三，該傳感器在抗電磁干擾方面表現(xiàn)較差。 目前，國內(nèi)外普遍采用一種新型的轉(zhuǎn)速檢測裝置，這種新型裝置是由霍爾 元件和光電式傳感器等器件組成。它們具有很多非常顯著地特點，例如頻率響 應高(響應頻率達 20kHz 以上)，它的輸出幅值是不變的，而且它還具有較強的 抗電磁干擾能力。因為它們輸出的是脈沖信號，所以很容易與微處理器接口相 連接，這就使信號的處理分析更加的方便?；魻杺鞲衅鬏敵龅拿}沖信號頻率與 轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，對脈沖信號可采用多種方法進行處理分析。用霍爾傳感器測 出車輪軸的轉(zhuǎn)數(shù)，然后乘以車輪的周長就可以算出一定時間內(nèi)車輛走過的距離， 這是測距電路的原理。測距電路由脈沖檢測電路和光電耦合器等組成。 3.3.1 脈沖檢測電路的設計 3.3.1.1 霍爾元件的介紹 霍爾元件是應用霍爾效應的半導體器件。用它可以檢測磁場和磁場的變化， 可以在多種與磁場有關(guān)的場合中使用。一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，如錄像 機的磁鼓，電腦中的散熱風扇等。已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族， 并已得到廣泛的應用。 霍爾元件具有很多的優(yōu)點，例如它自身的結(jié)構(gòu)比較牢固，其重量較輕，其 體積比較小，它的使用壽命比較長，它的使用安裝很方便，功耗相對較小，還 有就是其頻率高，不怕震動、不怕油污、灰塵、鹽霧及水汽等的污染或腐蝕。 按照霍爾元件的功能可以將它們分為： 霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。 霍爾線性器件輸出模擬量，霍爾開關(guān)器件輸出數(shù)字量。如果我們按照被檢測對 象的性質(zhì)，則可以將它們分成：直接應用和間接應用。直接應用的意思是受檢 對象自身的磁場或磁特性能夠被直接的檢驗出來。間接的檢測是把被檢對象上 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 11 - 事先設置的磁場檢測出來，我們利用這一磁場當做被檢測的信息的載體，通過 它，可以把一些非電或者非磁的物理量，比如轉(zhuǎn)速、力、速度、壓力、位置、 位移、加速度、角度、以及工作狀態(tài)發(fā)生改變的時間等等，將其變換為電量， 從而可以進行檢測和控制這些非電或者非磁的物理量。 3.3.1.2 光電耦合器的介紹 光電耦合器是一種從電到光再到電的轉(zhuǎn)換器件，通過光這個媒介，可以來 進行電信號的傳輸。它是由發(fā)光部分和受光部分兩個部分構(gòu)成。我們把發(fā)光部 和受光部組裝在一起，然后把它們封裝在一個封閉的的殼體內(nèi)，再用一種透明 的絕緣體把它們隔離開。其中發(fā)光部分的引出腳作為輸入端，受光部分的引出 腳當做輸出端。發(fā)光二極管是我們常見的發(fā)光源，光敏二極管還有光敏三極管 等等是常見的受光器。若在光電耦合器的輸入端加上電信號后，就能激勵發(fā)光 源發(fā)出光。電信號電流的大小影響著光的強度，當發(fā)光源發(fā)出的光射在受光器 上之后，會因為光電效應產(chǎn)生光電流，然后由受光器引出，這樣我們就實現(xiàn)了 由電到光再到電的一系列轉(zhuǎn)換過程。 光電耦合器的特點有以下幾點：它的體積小，使用的壽命長，它沒有觸點， 其工作溫度的范圍較寬，在輸入和輸出之間是電絕緣的，它的信號進行單向地 傳輸?shù)模c邏輯電路的連接比較方便，還有一點就是抗干擾的能力比較強。 因為光電耦合器以上的特點，讓它在多種電子設備中得到了非常廣泛的應用， 例如可用于隔離電路和各種家用電器等電路中。 3.3.1.3 脈沖檢測電路 此電路設計的重點是對車輪軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)進行計數(shù)。電路中我們選用了霍 爾元件 DN6848 和光電耦合器 4N25，并提供了+5V 的工作電壓。因為考慮到公 交車將會在雨雪等復雜惡劣的環(huán)境中行駛，而霍爾元件具有耐震動、不怕油污、 灰塵、水汽等的污染或腐蝕的優(yōu)點，所以這里我們采用霍爾元件 DN6848 作為 信號采集裝置，再經(jīng)過光電耦合器 4N25 把信號輸入給單片機，與單片機中存 儲的數(shù)值進行比較判斷是否到站，如果到站會由單片機輸出信號控制語音電路 進行語音報站。其電路如圖 3.5 所示。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 12 - VDD 1 2 VOUT3 DN6848 R3 180 R4 4.7K VCC +5V 4N25 圖 3.5 脈沖檢測電路 3.4 語音電路設計 語音電路包括站臺、廣告等信息的錄入和播放電路兩個部分。該電路采用 的核心芯片是 ISD4004 語音芯片。本節(jié)首先介紹一下語音芯片，然后介紹錄音 和放音電路的硬件電路設計。 3.4.1 ISD4004 語音芯片 ISD4004 是美國 ISD 公司制造的一種語音芯片。其具有以下特點：（1） 能夠進行重復錄放多次， （2）存儲語音的時間長， （3）使用時不要特別復雜的 外圍電路， （4）使用時不用擴展存儲器等等。ISD4004 工作所需的電壓為 3V，其錄放語音信息的時間為八到十六分鐘，并且錄放的音質(zhì)較好。ISD4004 芯片內(nèi)含有以下幾個部分，分別是音頻放大器部分、平滑濾波器、防混淆濾波 器、振蕩器、自動靜噪部分和高密度多電平存貯陣列。該語音芯片的引腳包括 以下四個部分：電源引腳部分、時鐘引腳部分、語音信號模擬輸入/輸出端和 MCU 接口部分(SPI 接口)。因為該語音芯片采用了多電平直接模擬量存儲技術(shù)， 這樣片內(nèi)閃爍存貯器中就可以直接存儲每個采樣值，從而讓語音實現(xiàn)了真實自 然地再現(xiàn)。其引腳圖如圖 3.6 所示。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 13 - 圖 3.6 ISD4004 芯片引腳圖 引腳說明： （1）電源(VCCA，VCCD) 為了讓噪聲降到最低，芯片的模擬和數(shù)字電路分 別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，并使它們盡可能在靠近供電端的地方相連接，而要使去耦電 容盡量地靠近器件。 （2）地線(VSSA，VSSD) 與電源總線一樣，芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路連接 的地線也不一樣，應當分別連接不同的地線。 （3）同相模擬輸入(ANA IN+) 錄音信號的同相輸入端。我們可以使用單端或 者差分驅(qū)動輸入放大器。如果是單端輸入，信號會通過耦合電容來輸入，它的 最大幅度為 32mV，芯片頻帶的低端截止頻率是由耦合電容和本端的 3K 電阻 輸入阻抗來決定的。差分驅(qū)動時它的信號最大幅度是 16mV。 （4）反相模擬輸入(ANA IN-) 當我們采取差分驅(qū)動時，這一端口就成了錄音 信號的反相輸入端。錄音信號通過耦合電容輸入到此端，其最大的幅度是 16mV。 （5）音頻輸出(AUD OUT) 此端是音頻的信號的輸出端口，可以用來驅(qū)動 5K 的負載。 （6）片選(SS) 此端為低電平。如果向 ISD4004 芯片發(fā)送指令，這兩條指令之 間應當是高電平。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 14 - （7）串行輸入(MOSI) 為串行輸入端，在串行時鐘上升沿之前半個周期，主 控制器應將數(shù)據(jù)放到串行輸入端，供 ISD 進行輸入。 （8）串行輸出(MISO) ISD 的串行輸出端。如果 ISD 未被選中，此端為高阻 態(tài)。 （9）串行時鐘(SCLK) ISD 的時鐘輸入端，是由主控制器產(chǎn)生的，被用于同 步 MOSI 和 MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。在 SCLK 上升沿時，數(shù)據(jù)被鎖存到 ISD，當處 于下降沿時會被移出 ISD。 （10）中斷(/INT) 為漏極開路輸出。在任何操作(包括快進)中，如果 ISD 檢測 到 EOM 或 OVF，本端會變成低電平，并且會保持。在下一個 SPI 周期開始時， 它的中斷狀態(tài)會被清除。OVF 標志表明 ISD 的錄或者放操作已到達了存儲器的 尾端。只有在放音中檢測到內(nèi)部的 EOM 標志時，EOM 標志的狀態(tài)位才會置 1。 （11）行地址時鐘(RAC) 為漏極開路輸出。每個 RAC 周期所表達的意思是 ISD 存儲器的操作已經(jīng)進行了一行。該信號會保持高電平 175ms，保持低電平 為 25ms。在快進模式下，RAC 的 218.75s 為高電平，31.25s 為低電平。這個 端口可以用于存儲管理技術(shù)。 （12）外部時鐘(XCLK) 次端口內(nèi)部置有下拉元件。在出廠前，芯片內(nèi)部的采 樣時鐘就已調(diào)校好了，誤差范圍保持在 +1%內(nèi)。對于商業(yè)級的芯片，在整個電 壓和溫度范圍內(nèi)，其頻率變化會在+2.25%內(nèi)。而對于工業(yè)級芯片，在整個電壓 和溫度范圍內(nèi)，其頻率變化在+4%內(nèi)，在這種情況下，我們建議使用穩(wěn)壓電源。 考慮到芯片內(nèi)部的防混淆及平滑濾波器已經(jīng)設定好了，所以不用再改變上面推 薦的時鐘頻率。鑒于芯片內(nèi)部首先進行了分頻，所以輸入時鐘的占空比就不再 那樣重要。如果我們不選擇外接地時鐘時，這個端口就必須進行接地。 （13）自動靜噪(AMCAP) 如果內(nèi)部設定了一個固定閾值，再把錄音信號的電 平降低到這一閥值以下，這樣自動靜噪功能便會使信號衰弱，這樣以來就會幫 助養(yǎng)活無信號時的噪聲。通常情況下，我們把本端對地接 1mF 的電容，用于構(gòu) 成內(nèi)部信號電平峰值檢測電路的一部分。把檢測出的峰值電平和內(nèi)部設定的閾 值作比較判斷，從而來決定自動靜噪功能的翻轉(zhuǎn)點。大信號時，自動靜噪電路 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 15 - 不會衰減，而在靜音時，該電路會衰減 6dB。在自動靜噪電路中，1mF 的電容 也會影響信號幅度的響應速度。若本端接 VCCA，則會禁止自動靜噪。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 16 - 3.4.2 錄音電路設計 錄音電路是將需要錄入的站臺信息和廣告信息等錄入語音芯片的一種電路。 該電路的設計如圖 3.7 所示。圖中的 MIC 是麥克風，需要錄入的語音信號從這 里進行錄入。錄入的語音信息，經(jīng)過由三極管組成的放大電路放大后通過 0.1F 的電容輸入到 ISD4004 語音芯片的反相模擬輸入端（ANA IN-） ，這樣就完成了 語音信息的錄入。 47uF 0.1F 0.1F 1K 10K 10K 300K 2.2K BCX56-16 MIC vcc ANAIN- 圖 3.7 錄音電路 3.4.3 放音電路的設計 放音電路用于語音播報站臺信息和廣告信息等。ISD4004 輸出的聲音信號 的功率不是很大，但是在自動報站系統(tǒng)所處的嘈雜環(huán)境下，要求系統(tǒng)能夠輸出 比較大的聲音，這就要求我們把語音芯片輸出的音頻信號進行功率放大，從而 使之能夠驅(qū)動揚聲器發(fā)出足夠大的聲音，以滿足實際需要。因此在這個電路設 計中，我們選擇通過外接功放模塊 LM386 的方式，對 ISD4004 的輸出信號進 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 17 - 行跟隨和放大，從而為后級功放提供有力的保障。 這里 LM386 是一種音頻功率放大器，它具有很多的有點：（1）其靜態(tài)功 耗低， （2）需要外接的元件少， （3）更新內(nèi)鏈增益可以進行調(diào)整， （4）它使用 電源的電壓范圍大， （5）總諧波失真小等等。 ISD4004 的音頻輸出管腳通過一個變阻器與音頻功率放大器 LM386 的 3 號 管腳相連，通過調(diào)節(jié)電阻的大小可以改變輸出的音量大小。放大器 LM386 的 工作電壓范圍較寬，本電路中我們?yōu)槠涮峁?6V 的電壓。 + 3 - 2 4 8 1 5 7 6 LM386 0.047uF 10 10k VDD 220uF 220uF 1uF AUDOUT 圖 3.8 放音電路 3.5 顯示電路設計 顯示電路是對語音播報的一種補充，其作用是將語音播報的信息用文字的 形式顯示出來，以方便廣大的乘客朋友。本電路采用 LED 顯示器進行站臺等信 息的顯示。本節(jié)首先對液晶顯示器件進行介紹，然后再介紹一下 6116 存儲芯 片，最后說明 LED 顯示電路的硬件設計，其軟件設計將在第四章給出。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 18 - 3.5.1 LED 顯示器件的介紹 LED 顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動， 具有耗電少、壽命長、視角大、亮度高、可靠性高等特點。LED 發(fā)光器件一般 常用的有兩類，分別是數(shù)碼管和點陣。 3.5.1.1 數(shù)碼管 數(shù)碼管是用半導體材料制造的一種發(fā)光器件。發(fā)光二極管是它的基本單元。 我們常用的是八段數(shù)碼管。八段數(shù)碼管常被分成 A B C D E F G P 段，其中 P 位是小數(shù)點位。數(shù)碼管被分為共陰和共陽兩種。 （1）共陽數(shù)碼管是把所有發(fā)光 二極管的陽極接到一起形成公共陽極的數(shù)碼管。我們在使用共陽數(shù)碼管時，應 將公共極接在+5V 電源端，當某一段的陰極為低電平時，相應字段就會變亮， 反之則不亮。 （2）共陰數(shù)碼管是將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起形成共陰極 的數(shù)碼管。我們在使用共陰數(shù)碼管時，應將公共極接在地線上，這樣當某一段 的陽極為高電平時，相應的字段就會變亮，反之則不會亮。數(shù)碼管的驅(qū)動方式 分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是：編程簡單、顯示亮度高，其最大的 缺點是占用較多的 I/O 口?，F(xiàn)在使用較為廣泛的是動態(tài)顯示驅(qū)動，動態(tài)顯示的 效果和靜態(tài)顯示是一樣的，而且還能夠節(jié)省許多的 I/O 口，并且功耗更低。 3.5.1.2 LED 點陣 LED 點陣常用的為 8*8，共由 64 個發(fā)光二級管組成，并且每個發(fā)光二級管 是放置在行線和列線的交叉點上。點陣都是單管芯，分(行)共陰和(行)共陽，一 般都用 5V 電源。LED 點陣屏的具有亮度高、混色好、可靠性高和可視角度等 優(yōu)點。LED 點陣顯示系統(tǒng)中的各模塊有靜態(tài)和動態(tài)兩種顯示方式。靜態(tài)顯示的 特點是其原理較為簡單，控制起來比較方便，但是硬件接線比較復雜，因此我 們在實際應用中多采用動態(tài)顯示的方式。動態(tài)顯示的工作方式是掃描的工作方 式。利用峰值較大的窄脈沖進行驅(qū)動，然后從上到下，逐次地對顯示屏的每一 行進行選通，同時又會向各列送出表示圖形或文字的脈沖信號，反復以上操作， 就能夠顯示各種圖形和文字信息。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 19 - 3.5.2 LED 顯示器的譯碼方式 通過相應的接口向 LED 顯示器提供字符的筆段字型碼和數(shù)位代碼能夠驅(qū)動 LED 顯示器顯示相應的字符。我們可以通過軟件或者硬件譯碼的方式來得到字 符的筆段字型碼。 （1）軟件譯碼方式 如果在微處理器或者微控制器應用的系統(tǒng)中使用 LED 顯示器，利用微處理 器或者微控制器的強大能力，可以很容易地通過軟件查表的方式對所需顯示的 字符到筆段字形碼的變換實現(xiàn)譯碼，因此現(xiàn)在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是采用這種 方式。 （2）硬件譯碼方式 目前經(jīng)常使用的硬件譯碼器有 BCD7 段譯碼器 MC14558，把譯碼器與驅(qū) 動電路集成在一起的譯碼器 MC14547，還有十六進制輸出的鎖存譯碼驅(qū)動器 MC14495 等。 3.5.3 LED 顯示器的驅(qū)動方式 LED 液晶常用的驅(qū)動方式是靜態(tài)驅(qū)動法和動態(tài)驅(qū)動法。 1靜態(tài)驅(qū)動法 靜態(tài)驅(qū)動法是一種最基本的獲得最佳顯示質(zhì)量方法，它適用于筆段型液晶 顯示器件的驅(qū)動。這種液晶顯示器件的電極結(jié)構(gòu)是這樣的多位數(shù)字組合時，各 數(shù)字位的背電極是連在一快的。在利用靜態(tài)驅(qū)動法的電路中，經(jīng)過分頻后，振 蕩器的脈沖信號會直接施加到液晶顯示器件的背電極上；而通過顯示選擇信號 與時序脈沖的合成會產(chǎn)生段電極的脈沖信號。 2動態(tài)驅(qū)動法 如果 LED 液晶顯示器件上的顯示像素很多，為了讓其硬件驅(qū)動電路變得簡 單一些，我們需要在液晶顯示器件電極的制作與排列上作一定的改變，這種改 變就是采用矩陣型的結(jié)構(gòu)，就是把水平一行的顯示像素的背電極全部連接在一 起，然后再引出，我們把它稱作行電極，并使用 COM 符號來表示；如果把縱 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 20 - 向的一列顯示像素的段電極連接起來后，再一起引出，我們將其稱為列電極， 并使用 SEG 符號來表示。這樣在液晶顯示器件上，每個顯示像素都是由其所在 的列與行的位置唯一確定的。在顯示器的驅(qū)動方式上，我們選擇一種方法，這 個方法與陰極射線管的顯示器的光柵掃描相似。動態(tài)驅(qū)動的方式是給行電極循 環(huán)地施加選擇脈沖，同時所有相應的選擇或非選擇的驅(qū)動脈沖會由顯示數(shù)據(jù)的 列電極給出，這樣就能夠讓某一行的所有顯示像素實現(xiàn)顯示功能。 3.5.4 6116 存儲芯片的介紹 6116 是由 Intel 公司生產(chǎn)。它是一種 2K*8 位的高速靜態(tài)隨機存儲器。其特 點是存取時間短、功耗低、全靜態(tài)、與 TTL 兼容。其有 11 條地址線，8 條數(shù) 據(jù)線，1 條電源線，1 條地線和 3 個控制線（片選信號 CE、寫允許信號 WE 和 輸出允許信號 OE，三條控制線均低電平有效） 。這 3 個控制信號的組合控制 HM6116 芯片的工作方式，如下表所示： 表 3.1 芯片工作方式 CEOEWE方式I/O 引腳 HXX待用高阻 LLH讀出Dout LXL寫入Din 3.5.5 LED 點陣漢字顯示電路的設計 在這個顯示電路中，我們使用一塊 16*256 的液晶顯示屏來顯示漢字信息。 使用 6116 靜態(tài)隨機存儲器來存放需要顯示的漢字信息。電路中我們還使用了 一個二進制串行計數(shù)器 CD4040，計數(shù)器在時鐘的下降沿進行計數(shù)，當管腳 CR 是高電平時，計數(shù)器會清零。由于在時鐘輸入端使用斯密特觸發(fā)器，對脈沖上 升和下降時間無限制。所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。電路中還使用了四塊 74LS244。其電路圖如圖 3.9 所示。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 21 - EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VSS 20 VCC 40 U1 AT89C52 VDD VCC 470 470 A0 8 A1 7 A2 6 A3 5 A4 4 A5 3 A6 2 A7 1 A8 23 A9 22 A10 19 E 18 G 20 W 21 D0 9 D1 10 D2 11 D3 13 D4 14 D5 15 D6 16 D7 17 U76116 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 1Y1 18 1Y2 16 1Y3 14 1Y4 12 2Y1 9 2Y2 7 2Y3 5 2Y4 3 1G 1 2G 19 74LS244U5 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 1Y1 18 1Y2 16 1Y3 14 1Y4 12 2Y1 9 2Y2 7 2Y3 5 2Y4 3 1G 1 2G 19 U6 74ALS244 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 1Y1 18 1Y2 16 1Y3 14 1Y4 12 2Y1 9 2Y2 7 2Y3 5 2Y4 3 1G 1 2G 19 74LS244 U3 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 1Y1 18 1Y2 16 1Y3 14 1Y4 12 2Y1 9 2Y2 7 2Y3 5 2Y4 3 1G 1 2G 19 U8 74ALS244 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A8 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WR WR D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q1 9 Q2 7 Q3 6 Q4 5 Q5 3 Q6 2 Q7 4 Q8 13 Q9 12 Q10 14 Q11 15 Q12 1 RST 11 VCC 16 CLK 10 4040 U4 VCC P1.5 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LED顯顯顯顯 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LED LED P1.2 VCC P1.3 P1.4 P1.5 圖 3.9 LED 顯示電路 3.6 按鍵控制電路設計 本設計具有的按鍵模式，還有語音信息的錄入等需要有一個按鍵電路來完 成。因為設計中所需按鍵的數(shù)量比較少，所以我們采用獨立式按鍵的結(jié)構(gòu)。獨 立式按鍵是用一根 I/O 口線直接構(gòu)成的一個單獨的按鍵電路，這樣每一個獨立 式按鍵就會單獨占有一根 I/O 口線，并且每根 I/O 口線上的工作狀態(tài)不會影響 其他 I/O 口線的工作狀態(tài)。獨立式按鍵接口電路的配置十分的靈活，軟件的結(jié) 構(gòu)相對簡單，其缺點是每個按鍵必須獨立地占有一根 I/O 口線，所以在按鍵的 數(shù)量很多的時候，I/O 口線就會使用的多。本設計的按鍵電路如圖 3.10 所示。 第三章 自動報站系統(tǒng)的硬件電路設計 - 22 - EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VSS 20 VCC 40 U1 AT89C52 vcc P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.5 P2.6 P2.7 P2.4 10k 10k 10k 10k 10k 10k 10k 1