公交车站自动报站器的设计

1、郑州电力职业技术学院毕业生论文题目：公交车站自动报站器的设计系 别 电力工程系 专 业 班 级 学 号 姓 名 论文成绩指导教师答辩成绩主答辩教师综合成绩答辩委员会主任摘要公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。传统由乘务人员人工报站，该方式因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。近年来，随着科学技术的日益发展和进步，微型计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。在声学领域，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得汽车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化的服务。鉴于传统公交车报站系统的不足之处，结合公交车辆的使用特

2、点及实际营运环境，设计了一种由单片机控制的公交车自动报站系统。目 录绪 论1第1章变电站总体分析21.1 课题研究的背景及意义21.2 报站器的动态发展趋势21.3 设计的主要目标任务31.4 技术指标3第2章 方案的选择与论证42.1 方案比较42.1.1 方案一42.1.2 方案二52.2 方案选择5第3章 硬件电路的设计73.1 主控电路的设计73.1.1 关于AT89C51单片机73.1.2 振荡器电路的设计103.1.3 复位电路的设计123.1.4 电压变换电路的设计163.2 脉冲检测电路的设计163.2.1 霍尔器件简介163.2.2 光电耦合器简介183.2.3 脉冲检测电路

3、的设计193.3 语音输出电路的设计193.3.1 关于语音芯片193.3.2 录音、放音电路的设计253.4 LED显示电路的设计283.4.1 LED显示器件简介283.4.2 6116芯片简介313.4.3 LED点阵汉字显示电路的设计32第4章 软件设计344.1 主控程序的设计344.1.1 流程图流程图如图4.1所示：354.1.2 程序清单364.2 语音报站程序的设计394.2.1 流程图394.2.2 程序清单394.3 LED汉字显示程序的设计44总 结46致 谢47参考文献48绪 论公交车自动报站器的设计主要是为了弥补改变传统语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进

4、站、出站自动播报站名及服务用语，为市民提供更人性化，更完善的服务。随着科学技术的日益发展和进步, 无人售票公交车在街头多起来了，语音报站器也被广泛使用，这在相当大的程度上免除了乘务人员沿途报站的麻烦，给许多不熟悉公交线路的乘客带来了方便。第1章变电站总体分析1.1 课题研究的背景及意义公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。传统由乘务人员人工报站，该方式因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。近年来，随着科学技术的日益发展和进步，微型计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。在声学领域，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得

5、汽车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化的服务。鉴于传统公交车报站系统的不足之处，结合公交车辆的使用特点及实际营运环境，设计了一种由单片机控制的公交车自动报站系统。公交车自动报站器的设计主要是为了弥补改变传统语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，为市民提供更人性化，更完善的服务。1.2 报站器的动态发展趋势公共汽车行驶在现代文明程度高的市区，它是一道流动的风景线，因而对整车外形乃至色彩都有更高的要求。作为公共汽车还要求有醒目和减少乘务人员劳动强度的电子报站器，电子显示路牌，无人售票装置，前后电视监视系统等新技术的采用也将越来越普及。公交车报站

6、器在公交事业中占有举足轻重的地位，它直接影响到公交车的服务质量。目前公交车报站有三种方式，一种是利用GPS全球卫星定位系统的公交车报站系统，在司机座位后面隔板上，安装了一台15英寸的液晶电视和 GPS信号接收器，安装了这套设备后，公交车在语音报站的同时，通过液晶电视还可以显示到站站名的字幕，这样如果没听清报站的话，通过显示屏，乘客也可以一目了然。当出现紧急情况时，调度中心将会给公交车发出相应的信息，以短信的形式传送到显示屏上，同时车载台会发出相应的提示音；驾驶员也可以通过相应的工具进行回复。目前在美国部分城市GPS卫星定位系统已经投入使用，国内也有此类产品的研制开发，其功能强大，系统稳定，但其

7、投资昂贵，尤其是一些中小城市无法承受。另外两种是手动电子报站和人工报站的方式，而它们都离不开司务人员，加大司乘人员的工作强度。手动电子报站一般有司机或者乘务员控制，经常出现错报，误报的情况。城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。提供舒适，安全、便捷的乘车环境，对于公交企业来说，不仅是应尽的责任，亦是不断追求的目标。1.3 设计的主要目标任务本课题要求设计一公交车自动报站系统，以实现公交车的语音自动报站，即在进站、出站时候自动播报语音提示信息及服务用语，同时利用LED点阵电路进行汉字显示。本设计要求利用AT89C51作为主控芯片完成主控电路的设计，辅助电路要求包括语音电路、汉字点阵显示电路、

8、电源电路等。1.4 技术指标工作电压 24V静态功耗 6W音频输出 10W信噪比 34DB系统容量 可容纳300个站点信息和8分钟语音广告信息环境温度 -3080最大广告条数 100条第2章 方案的选择与论证公交车自动报站系统的设计主要是对里程计数来控制报站时刻，进站、出站自动播报站名及服务用语，准确、及时、完全不需要人工介入。本章介绍了两种不同的方案，并将其进行对比。2.1 方案比较2.1.1 方案一公交车站自动报站器的设计，对车轮轴的转角的脉冲进行计数，将计数值与预置值对比，即可确定报站时刻，达到准确自动的目的。以AT89C51为主控芯片，对外来脉冲计数，结合语音芯片ISD4004输出语音

9、。系统由脉冲检测、脉冲计数、CPU控制、控制信号、语音芯片、输出显示等组成。原理框图如图2.1所示。图2.1 原理框图1. 脉冲检测：该系统关键是对转轴所转过的圈数进行计数，考虑到车辆将在复杂的 环境中运行，故采用可靠的霍尔元件DN6848作为信号的采集装置，再经光电耦合器4N25输入给单片机。2. 脉冲计数：光电耦合器的信号进入C51后，采用中断方式对脉冲计数。外部晶振12MHz。3. CPU控制：程序中将计数值于预置值进行比较，判断是否到站，当到站时就输出信号控制语言芯片进行报站。4. 控制按键：用于手动控制、手动调整、预置值的输入等5. 语言芯片：由专用语音芯片ISD4004组成，可擦写

10、，便于在不同公交线上使用。6. 输出显示：LED点阵汉字显示。7. 预置存储：采用两种方式存储，一种是在烧写器上将数据写入，另一种是在车上，单片机处于输入状态，车辆行驶一遍，将站与站之间的脉冲数写入片内。2.1.2 方案二利用8031单片机作为CPU来进行总体控制，当汽车到达某站时，汽车司机通过键盘来控制本系统进行工作，并且，系统将使用状态指示电路，向司机指示出当前的行驶方向及站号（如与实际方向不符，司机可通过键盘来调整）。原理图框图如图2.2所示。图2.2 原理框图本系统使用8031作为CPU，由CPU来控制语音合成芯片TC8830AF，使其工作在CPU控制模式下。当系统进行语音再生时，由C

11、PU控制语音合成电路中的语音芯片来读取其外接的存储器内部的语音信息，并合成语音信号，再通过语音输出电路，进行语音报站和提示。CPU同时通过程序读取汉字信息，送入LED点阵显示电路来进行汉字提示。当系统进行语音录制时，语音信号通过语音输入电路输入给语音合成电路中的语音合成芯片，由语音合成芯片进行数据处理，并将生成的数字语音信息存储到语音存储芯片中，从而建立语音库。2.2 方案选择将方案一与方案二进行比较，方案二是采用8031单片机控制，通过键盘来控制报站时刻，并不完全符合设计的要求，它仍然需要操作员员手动控制，所以本课题决定选用方案一，它使用AT89C51作为主控制芯片，通过对里程的计数来控制报

12、站时刻，完全无需人工介入，选用的语音芯片是美国ISD公司的ISD4004，该芯片与其它语音芯片相比较，其语音音质好，录放时间长。第3章 硬件电路的设计公交车报站系统主要由四个部分组成，即主控电路、脉冲检测电路、语音电路以及LED点阵汉字显示电路。各部分电路的设计在本章中做了详细的说明。3.1 主控电路的设计3.1.1 关于AT89C51单片机AT89C单片机的结构框图如图3.1所示。它主要由下面几个部分组成：1个8位中央处理单元（CPU）、片内Flash存储器、片内RAM、4个8位的双向可寻址I/O口、1个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行接口、2个16位的定时器/计数器、多个优先级的

13、嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。在AT89C单片机结构中，最显著的特点是内部含有Flash存储器，而在其他方面的结构，则和Inter公司的8051的结构没有太大的区别。图3.1 AT89C单片机的结构框图3.1.1.1 主要性能1. 与MCS-51 兼容2. 4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000次写/擦循环数据保留时间：10年3. 全静态工作：0Hz-24Hz4. 三级程序存储器锁定5. 128*8位内部RAM6. 32可编程I/O线7. 两个16位定时器/计数器8. 6个中断源9. 可编程串行通道10. 片内振荡器和时钟电路另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可

14、下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一个硬件复位为止。3.1.1.2 引脚功能说明AT89C51引脚图如图3.2所示。图3.2 AT89C51引脚图VCC：供电电压。VSS：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数

15、据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于

16、外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（

17、串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目

18、的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保

19、持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 振荡器电路的设计89系列单片机的内部振荡器电路如图3.3所示，由一个单级反相器组成。XTAL1为反相器的输入，XTAL2为反相器的输出。可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，如图3.5示，此方法称为内部方式。另一种使用方法如图3.4示，由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端浮空

20、。在组成一个单片机应用系统时，多数采用图3.5所示的方法，这种方式的结构紧凑，成本低廉，可靠性高。振荡器的等效电路如图3.5上部所示。在图中给出了外接元件，即外接晶体及电容C1，C2，并组成并联谐振电路。在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，如果用高质的晶振，则不管频率为多少，C1，C2通常都选择30pF。有时，在某些应用场合，为了降低成本，晶体振荡器可用陶瓷振荡器代替。如果使用陶瓷振荡器，则电容C1，C2的值取47pF。图3.3 AT89C51单片机内部振荡器电路图3.4 外部时钟接法图3.5 片内振荡器等效电路通常，在单片机中对所使用的振荡晶体的参数要求如下：ESR（等效串联电阻）

21、：根据所需频率按图366选取。C0（并联电容）：最大7.0pF。CL（负载电容）：30pF+3pF。通常，其误差及温度变化的范围要按系统的要求来确定。图3-6 ESR与频率的关系曲线在本设计中，采用的是内部方式，即如图3.5所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个12MHZ的晶振及两个47pF的电容组成。3.1.3 复位电路的设计89系列单片机与其他微处理器一样，在启动的时候都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持

22、2个机器周期（24个振荡周期），则CPU就可以响应并将系统复位。复位时序如图3.7所示，因外部的复位信号是与内部时钟异步的，所以在每个机器周期的S5P2都对RST引脚上的状态采样。当在RST端采样到“1”信号且该信号维持19个振荡周期以后，将ALE和/PSEN接成高电平 ，使器件复位。在RST端电压变低后，经过1-2个机器周期后退出复位状态，重新启动时钟，并恢复ALE和/PSEN的状态。如果在系统复位期间将ALE和/PSEN引脚拉成低电平，则会引起芯片进入不定状态。图3.7 内部复位定时时序3.1.3.1 手动复位手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电

23、源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，保证能满足复位的时间要求。手动复位的电路如图3.8所示。图3.8 手动复位电路3.1.3.2 上电复位AT89C51的上电复位电路如图3.9所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平信号必

24、须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图3.8的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器PC中将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。图3.9 上电复位电路3.1.3.3 复位后寄存器的状态当系统复位时，内部寄存

25、器的状态如表3.1所列，即在SFRS中，除了端口锁存器、堆栈指针SP和串行口的SBUF外，其余的寄存器全部清0，端口锁存器的复位值为0FFH，堆栈指针值为07H，SBUF内为不定值。内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时，RAM的内容是不定的。表3.1 各特殊功能寄存器的复位值专用寄存器复位值专用寄存器复位值PC0000HTCON00HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0-P3FFHIP×××00000BIE0××00000BTMOD00HTH000HTL000HTH100HTL100HSCON00HSBUF不

26、定PCON（CHMOS）0×××0000B在本设计中复位电路采用的是上电复位，即如图3.9所示。3.1.4 电压变换电路的设计公交车上所使用的电源电压为24V，而AT89C51芯片的工作电压为5V，所以需要将24V的电压转换成5V电压。设计中采用了三端固定正电压集成稳压器7805，来得到+5V稳定电压。电压变换电路如图3.10所示。 集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。常用的集成稳压器有：金属圆形封装、金属菱形封

27、装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。 78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。根据输出电流值的不同，选用不同系列的芯片，当电流小于100mA时，可以选用78L00系列；当电流在0.5A以内时，可选用78M00系列；当电流在1.5A以内，应选用7800系列的芯片。7805的最大输出电流为1.5A。图3.10 电压变换电

28、路3.2 脉冲检测电路的设计3.2.1 霍尔器件简介3.2.1.1 霍尔器件的分类霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，她们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达um级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55150。按照霍尔器件的功能，可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件

29、。前者输出模拟量，后者输出数字量。按照被检测的对象的性质，可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。3.2.1.2 工作磁体的设置用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。例如，用一个5×4×2.5（）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度

30、。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断。霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一

31、般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。以与发光二极管的接口如图3.11所示，对负载电阻器的选择作一估计。若在Io为20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V，电源电压VCC=5V，所需的负载

32、电阻器的阻值 （3.1）+5VR图3.11 霍尔开关与发光二极管3.2.2 光电耦合器简介光电耦合器是一种电信号的耦合器件，它一般是将发光二极管和光敏三极管的光路耦合在一起，输入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管取出。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收并输出端（二次侧）是绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力。速度高、价格低、接口简单。光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强。无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。光电耦合器可用于隔离电路、负载接口及各

33、种家用电器等电路中。光电耦合器的工作过程：光敏三极管的导通与截止，是由发光二极管所加正向电压控制的。当发光二极管加上正向电压时，发光二极管有电流通过发光，使光敏三极管内阻减小而导通；反之，当发光二极管不加正向电压或所加正向电压很小时，发光二极管中无电流或通过电流很小，发光强度减弱，光敏三极管的内阻增大而截止。3.2.3 脉冲检测电路的设计本设计的关键是对转轴所转过的圈数进行计数，考虑到车辆将在复杂的环境中运行，而霍尔元件具有耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点，故采用可靠的霍尔元件DN6848作为信号采集装置，再经过光电耦合器4N25输入给单片机。光电耦合器的电流传输比为10

34、%250%，响应时间小于10us，其电路如图3.12所示。图3.12 脉冲检测电路3.3 语音输出电路的设计3.3.1 关于语音芯片3.3.1.1 ISDWinbond语音芯片概述美国ISD（Information Storsge Devices）公司是专业研制和生产先进的半导体语音芯片的著名厂家和领导者，其开发的高密度“多级”存储方法称作“ChipCorder”的专业技术，可以在一个存储单元存储256级的不同电平，即存储相同信息仅需要用传统存储技术1/8的存储空间。该公司与1998年12月被台湾华邦（Winbond）并购，1990年改名为WECA（Winbond Electronic Cor

35、pration American），但保留其ISD名称和标识，这个合并将把ISD公司领先的信息存储、语音录放技术和强大的用户群与Winbond公司的高效率的制造能力和分布于全时间的营销能力结合起来。ISD系列语音芯片有ISD1100系列、ISD1200系列、ISD1400系列、ISD2500系列、ISD4000系列和ISD5000系列几种。ISD1100系列中有10s和12s的单片声音录放器件ISD1110和ISD1112。ISD1200系列中有10s和12s的单片声音录放器件ISD1210和ISD1212。ISD1400系列中有16s和20s的单片声音录放器件ISD1416和ISD1620。

36、ISD1800系列中有8s、10s、12s和16s的单片单段声音录放器件ISD1810。ISD2500系列中有32s、40s、48s、64s和60s、75s、90s、120s的单片声音录放器件ISD2532、ISD2540、ISD2548、ISD2564和ISD2560、ISD2575、ISD2590、ISD120。ISD4000系列中有120s、150s、180s和240s的单片声音录放器件ISD4001、ISD4002、ISD4003和ISD4004。ISD5000系列中有4min、5min、6min和8min的单片声音录放器件ISD5008。其中ISD1100系列、ISD1200系列和I

37、SD1400系列都是独立使用；ISD2500系列是手动切换或则与微控制器兼容，放音时可以用边沿或电平进行触发；ISD4000系列、ISD5000系列都带有微控制器SPI或Microwire串行接口。3.3.1.2 语音芯片ISD4004ISD4000系列单片声音录放器件是用CMOS工艺实现的高语音质量、3V工作电压的集成电路芯片，特别适用于移动电话和各种便携式产品。按录放时间又分ISD4002、ISD4003和ISD4004三个子系列。片内集成有振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、自动静音电路、音频放大器和高密度多级Flash存储阵列。这个系列的新片要求用于微处理器或微控制器系列，通过串行外围接

38、口SPI或Microwire串行接口进行寻址和控制。录音数据被存放方法是通过ISD的多级存储专利技术实现的，用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器中，从而提供高质量回放语音的保真度。1. ISD4004的主要性能及其特点 单片实现声音录放功能采用单一3V工作电压低功耗：典型的录音工作电流为25mA典型的放音工作电流为15mA典型待机节能状态电流为1uA 单片录放时间为8min、10min、12min和16min高质量自然的声音/音频回放自动静音电路可以在无声状态时消除背景噪音不需要考虑实现算法具有微控制器SPI或Microwire串行接口可以对多段信息寻址控制可以通过SPI或Micro

39、wire控制寄存器控制功耗语音数据断电不丢失，可以保存100年允许反复录音10万次片上带有时钟源有PDIP、SOIC、TSOP和CSP多种封装形式使用温度范围有商业用扩展型和工业用两种可供选择：商业品扩展型：-20+70工业品：-40+852. 外部引脚及其说明图3.13 ISD4004引脚图电源 (VCCA,VCCD)：为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。地线(VSSA,VSSD)：芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入(ANA IN+)： 这是

40、录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000系列相同。反相模拟输入(ANA IN-)：差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV音频输出(AUD OUT)：提供音频输出,可驱动5K的负载。片选(SS)：此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入(MOSI)：此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD

41、输入。串行输出(MISO)：ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端呈高阻态。串行时钟(SCLK)：ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。中断(/INT)：本端为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。OVF标志-指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志-只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。行地址时钟(RAC)：漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行

42、了一行(ISD4004系列中的存贮器共2400行)。该信号175ms保持高电平，低电平为25ms。快进模式下，RAC的218.75s是高电平，31.25s为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟(XCLK)：本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接

43、地时钟时,此端必须接地。自动静噪(AMCAP)：当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。3. 极限参数支流电源电压范围（VccVss）：-0.3+0.7V输入电压范围（所有引脚）：（Vss-0.3V）（Vcc+0.3V）输入电压范围（所有引脚，输入电流不超过±2

44、0mA）：（Vss-1.0V）（Vcc+1.0V）输入电压范围（MOSI、SCLK、INT、RAC、SS引脚，输入电流不超过±20mA）：（Vss-1.0V）5.5V结温：+150存储温度范围（Tstg）：-65+150引脚焊接温度（10s）：+3004. 串行外围接口SPIISD4004的串行操作是通过SPI串行接口实现的，SPI串行接口协议如下：数据传输协议设定微控制器SPI的移位寄存器是有串行时钟SCLK的下降沿驱动。而对ISD4004数据输入是由MOSI引脚上的上升沿驱动，数据输出是由MISO引脚上的下降沿驱动。所有串行数据传送都是由/SS引脚上的下降沿开始。在所有串行通信期

45、间，/SS引脚上都保持低电平，而在两条指令之间保持高电平。数据输入由时钟的上升沿驱动，数据输出由时钟的下降沿驱动。录音和放音操作的初始化是通过把/SS引脚为低电平使能芯片，把操作码和地址串行输入。输入操作码和地址的格式如下：<8位控制码>和<16位地址>每个由EOM或溢出产生的结果信号都将产生中断，包括报文周期插入周期。当下一次初始化SPI周期时，中断将被清除。当中断数据被移位移出MISO引脚时，控制和地址数据就同时被移进MOSI引脚。需要注意的是，移入的数据与当前系统的操作是一致的。有可能在同一个SPI周期读中断数据和启动一个新的操作。任何一个操作都是从RUN位被置1

46、开始，由RUN位清零结束。所有的操作都是有/SS的上升沿开始。SPI控制寄存器用于各个期间功能的控制，这些控制包括放音、录音、报文插入、上电和掉电、启动和停止操作以及忽略地址指针等。以下是控制寄存器的说明：N控制寄存器：用于控制操作。当其为1时，启动操作；当其为0时，停止操作。/控制寄存器：用于选择放音和录音操作。当其为1时选择放音操作；当其为时，选择录音操作。图3.14 SPI端口及其相关控制位示意图MC控制寄存器：用语控制报文插入功能。当其为1时，允许报文插入；当其为0时，关闭报文插入功能。PU控制寄存器：用于主电源控制。当其为1时，控制上电；当其为0时，掉电进入节能状态。IAB控制寄存器

47、：忽略地址控制位。当其为1时，忽略输入地址寄存器的内容A9-A0/A15-A0。当其为0时，使用在操作上使用的输入地址寄存器的内容A9-A0/A15-A0。当IAB被清0时，放音或录音操作就从地址A9-A0/A15-A0开始。为了连续放音或录音，IAB应该在相应行结束前变为1，否则将会从同一行的地址处重复操作。存储器管理时，RAC（行地址时钟）引脚和IAB可以用来绕着存储器分段移动。P9-P0/P15-P0：行指针寄存器的输出。A9-A0/A15-A0：输入地址寄存器。3.3.2 录音、放音电路的设计ISD4004声音录放器件的采样频率为6.4kHz，它单片录放时间有8min、10min、12

48、min和16min几种，其采用内置非易失性FLASH存储器，这种快擦写存储器断电不会丢失数据，所以保存数据不需要耗电。典型的被存储信息可以保存时间高达100年，同一个存储单元可以反复被录音10万次。3.3.2.1 功放电路的设计ISD4004芯片的音频输出引脚AUD OUT可以驱动一个5k的负载，当器件上电后，该引脚输出的电源为1.2V。本设计中选用的放大器是LM386，LM386是为低电压应用设计的音频功率放大器，其工作电压为6V，最大失真度为0.2，功率频响为20100kHz。功放电路连线图如图3.15所示。图3.15 功放电路由于功率放大器LM386要接+6V电压，因此还需要一个电压变换

49、电路将24V电压变换成+6V的电压。这里选用的是芯片LM317。LM331是三端可调式集成稳压器，其电路结构和外接元件如图3.15所示。它的内部电路有比较放大器、偏置电路（图中未画出）、恒流源电路和带隙基准电压等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压（约1.2V）接至比较放大器的同相端和调整端之间。若接上外部的调整电阻R1、R2后，输出电压为 （3.2）LM317的=1.2V，=50uA，由于调整端电流 ，故可以忽略，所以上式化简为 （3.3）图3.16 三端可调试集成稳压器结构图电压变换电路连线图如图3.17所示。图3.17 电压变换电路3.

50、3.2.2 录音电路的设计连线图如图3.18所示，MIC是麦克风，即语音信号的输入端，输出的模拟语音信号经过三极管组成的放大器放大后加到ISD4004语音芯片的ANA IN-反向模拟输入端。图3.18 录音电路3.4 LED显示电路的设计3.4.1 LED显示器件简介3.4.1.1 发光二极管特性发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性，但是因其使用的半导体材料不同,其导通电压较高，一般锗二极管在0.2V左右，硅二极管在0.7V左右，而砷化镓或磷化镓发光二极管一般在，但其反向击穿电压不高，一般在5V或稍许高一点（不能用500型万用表的R×10k档测量，在反压较高的电路中需要加钳位二极

51、管保护）。对小功率LED，支流工作电流以1-15mA为宜（不同材料的LED要求会相差较大），最大电流不得超过50mA，最大平均电流不超过30mA，所以使用中必须要加限流电阻。中功率LED的电流工作电流可达200mA左右。LED可看承具有恒压特性，其正向压降变化不大，有一定的稳定作用，其发光强度随工作电流增大而增大。对红色LED而言，工作电流一般为5-7mA较合适，当工作电流大于15mA后，其发光强度就趋于饱和。另外LED的发光强度还一环境温度有关，温度越低发光强度越高，随温度升高，发光强度呈准线性下降，在75时发光强度仅为25时的一半，在80时，LED几乎就不能工作，LED的最大工作电流也随温

52、度升高而线性下降。3.4.1.2 LED显示器1. LED显示器类型LED显示器是用发光二极管构成的显示器。构成方式有两大类：一是笔段字符式，一般又有三种：7段（/8段）数码管、15段（/17段）数码管和6段符号显示器；二是点阵字符式，一般有5×7、5×8、8×8和16×16等若干种点阵结构。为了适应不同电路的需要，根据构成LED显示器的发光二极管公共极的极性，有共阴极和共阳极两种形式。对共阴极数码管，公共阴极接地，当各段阳极上的电平为高电平时，该段接通亮，电平为0时，该段关断不亮。对共阳极数码管则刚好相反，高电平时不亮，低电平时亮。这种器件根据显示数位

53、分类，可以分为一位、双位和多位LED显示器，一位LED显示器就称作LED数码管，两位以上的一般就称作LED显示器。（1）7段（/8段）数码管显示器7段（/8段）数码显示器的每个数位都是由7段笔段组成，通过不同笔段的组合就可以显示不同的数字和部分字母以及其他符号。其第8笔段一小数点形式位于字符的右下方。（2）15段（/17段）数码管显示器15段（/17段）数码显示器的每个数位都是由14（/16）段数码管组成外框加“米”构成，通过不同笔段的组合，不但可以显示所有的数字，还可以显示所有的26个英文字母和其他符号。15段与17段显示器的区别在于外框上下两横结构不一样，17段显示器的上横和下横分别被分成

54、两个笔段，而15段显示器则分别为一个笔段。17段显示器可以显示两种尺寸不同的数字，一种为半尺寸瘦型数字，另一种为全尺寸的宽型数字；而15段显示器则只能显示全尺寸的数字。（3）6段符号显示器6段符号显示器经常在或计量显示中用于显示最高位和符号位，因为在3位半或4位半显示器中，最高位最大仅为1，所以符号显示器用6段笔段构成“+1”，可以根据需要显示“+1”、“-1”、“1”、“+”、“-”、“+1.”、“-1.”或“1.”等组合符号。（4）点阵式显示器笔段式LED显示器只能显示数字、部分简单的英文字母和其他简单字符等，不能显示复杂的字母和符号，更不能显示汉字和图形，所以应用范围受到限制。而点阵式L

55、ED显示器就可以解决这个问题，常见的点阵式LED显示器有5×7、5×8、8×8和16×16等若干种点阵结构。5×7、5×8、8×8点阵显示器可以显示大小写英文字母、数字和其他字符，16×16点阵显示器则可以显示汉字和简单的图形。2. LED显示译码方式要驱动LED显示器显示相应字符，必须通过接口向其提供字符的笔段字形码和数位代码。如何得到字符的笔段字形码，可以通过硬件译码方式，也可以通过软件译码方式。（1）硬件译码常用的硬件译码器有BCD7段译码器MC14558，把译码器与驱动电路集成在一起的BCD7段译码驱动器M

56、C14547，进一步把锁存器、译码器和驱动器集成在一起的BCD7段锁存译码驱动器MC14513和十六进制输出的锁存译码驱动器MC14495等。（2）软件译码当LED显示器用于微处理器或微控制器应用系统时，利用微处理器的强大功能，通过软件查表方式对所需要显示的字符到笔段字形码的变换实现译码不是一件困难的事，所以目前大多数嵌入式系统应用都是采用这种软件译码方式。3. LED显示器驱动方式LED显示器驱动方式可以分成静态显示驱动和动态显示驱动两种。静态显示驱动一般是通过数字集成电路对所需要显示的字符笔段连续施加电压；而动态显示驱动则是利用矩阵少秒方式间断向所需要显示的字符笔段轮流施加电压。（1）静态显示驱动当LED显示器工作于静态显示驱动方式时，不同数位LED数码管的公共极（共阴极或共阳极）将被连接在一起并接地或+5V，而每个数位的8段笔段分别与一个8位锁存器相连。不同数位的数码管相互独立，分别用不同的驱动器件进行驱动，它们的显示字符一旦确定，只要不改变显示字符，相应的锁存器的输出就将一直维持不变。这种驱动方式的优点是编程容易、管理简单、显示亮度高、稳定性好，占用CPU时间较少；但缺点是占用硬件电路和微处理器系统接口资源较多、引线多、印刷板布线复杂、硬件投入成本高。（2）动态显示驱动当LED显示器工作于动态显示驱动方式时，通常把不同数位的同名笔段互连起来，共用一个显示驱动器。每一个数