公交汽车公交车语音报站器采用模电数电及EDA技术

1、湖南文理学院实习报告课程名称：电子设计制作与工艺实习系 部: 专业班级： 学生姓名： 指导教师：完成时间：2015年10月1日报告成绩:评阅意见:公 共 汽 车 语报 站 器目录摘要 IABSTRACT II第一章 绪言 11.1 公交车语音报站器出现的意义 11.2 设计方案的选择 11.2.1 方案一 11.2.2 方案二 11.3 方案分析 2第二章 公交报站电路设计 . 32.1 控制单元电路 32.1.1 八进制计数器基本原理 32.1.2 74LS138 译码器的基本原理 52.1.3 用 555定时器组成的单稳态触发器 52.1.4 74LS00 芯片引脚图及功能表 92.2 语

2、音播放单元电路 102.3 功放单元电路 142.3.1 OTL 功率放大器 . 14第三章 公交报站电路的仿真 . 163.1 八进制计数器原理图仿真 163.2 74LS138译码器的仿真 163.3 OTL功率放大器的仿真 17193.4 用 555定时器组成的单稳态触发器仿真 总 结 20参考文献 21致 谢 22附录 1 电路图 2324附录 2 元器件清单摘要随着国民经济的快速发展，我国城市人口高度集中并大幅增长、交通需求不断扩大 导致城市道路交通拥挤，乘坐公交车出行是解决我国城市交通发展问题和实践低碳环保 绿色出行的有效途径。随着近年来城市公交事业迅速发展，之前靠售票员报站的方式

3、已 经不能满足实际需要，而公共汽车的报站直接影响到服务的质量。公共汽车语音报站器 的出现弥补改变传统乘务员人工报站，影响乘客上下车问题，为市民提供更人性化，更 完善的服务。本课程设计采用 APR9600 语音芯片进行语音播放， 八进制计数器进行计数， 3 线 -8 线译码器进行编译， OTL 功率放大电路进行功率放大， 555 定时器组成的单稳态 触发器进行计时，可以完成基本的语音报站功能。关键词：APR9600语音芯片；555定时器；OTL功率放大器；38译码器；八进制计 数器AbstractWith the rapid development of the national economy

4、, China's urban population is highly concentrated and significantly increased, traffic demandcontinues to expand the urban road traffic congestion, travel by bus is the effective way to solve the problem of urban traffic development and the practice of low carbon green travel. With the rapid dev

5、elopment of urban public transport in recent years, the way before the station by the conductor can not meet the actual needs, and the bus station directly affects the quality of service. The voice of the bus station to make up for the change of the traditional flight attendant station, passengers o

6、n the impact of the problem, for the public to provide more humane, more perfect service. This course is designed for the APR9600voice chip for voice playback, octal counter to count, 3 line 8 line decoder to compile, OTL power amplifying circuit for power amplifier, monostable trigger composed of a

7、 555 timer timing can be completed basic voice station reporting function.Keywords: APR9600 voice chip; 555 timer; OTL power amplifier; 38 octal counter decoder;第一章 绪言1.1 公交车语音报站器出现的意义近些年来，随着城市人口的不断增加，人们生活节奏的不断加快，公交车在大城市 以及中小城市已经普及， 并且有了日新月异的发展， 在人民生活中起着重要作用， 因此， 公交车的正常运行与人们的正常生活息息相关。传统公交车报站大多是由乘务人员

8、来人 工报站，但是因为方言的差异或者人多时语音嘈杂，这种方式不利于人民生活的和谐。 所以根据这种需要市面上产生流行了公交车语音报站器也方便人们的生活。1.2 设计方案的选择本设计有很多方案可供选择，在本设计中选择了两种方案。1.2.1 方案一利用 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） 。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 CP

9、U 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。1.2.2 方案二以异步八进制计数器和以 74LS138 芯片组成的译码器以及 555 定时器构成控制电 路,以 APR9600 为语音芯片进行报站语音信息的存放的功能构成语音电路, OTL 功率 放大器构成功放电路。

10、车辆行驶过程中,开关一直处于常开状态,高电平。每到一个站 点时，司机按下开门键，开关闭合，经过一个非电路，高电平转换为低电平，异步八进 制计数器检测到低电平信号，然后开始计数，同时 555 定时器组成的单稳态触发器也检 测到低电平信号，开始15S计时，八进制计数器将站名信息传递到 3线-8线译码器进行 翻译，然后 555定时器组成的单稳态触发器的输出端与译码器的输出端组成与非门，也 就是接入74LS00芯片，通过74LS00芯片将信号传递给APR9600语音芯片进行语音播 放。1.3 方案分析综合比较，由于方案一采用单片机技术，并不符合设计的要求，所以本课题决定选用方案二，它使用APR9600

11、作为语音芯片，芯片相比较，其语音音质好，录放时间长。 通过异步八进制计数器的计数来控制报站时刻，无需太多人工介入。第二早公交报站电路设计2.1控制单元电路V ；1413彳R Q9Sg3nx61CCV7 4 HC 741AVCC1E2DNC2C1CNC1D2E1Y2AGN D2Y1211109846上13 1AVCC,1B2D NC2C 1CNC,1D2E1Y2AGN D2Y5R 匸D1EDC OU NT_OU T74 HC 741 1 5D Q 3D Q 图2.1 控制电路图八进制计数器基本原理D触发器是一种延迟型触发器，在时钟脉冲的作用下，它能把从D端输入的信号同相位地传送到输出端，只是信号

12、从输入到输出要延迟一段时间，这段时间一般不会超过时钟脉冲的一个周期。工作原理：该触发器为主从式异步清零 D触发器。若RST俞入信号为低电平，当时 钟处在低电平时左上和右下传输门导通，主触发输入端D开始接受输入信号，右上及左下传输门不导通Q及NC端输出为“ 0”和“1”；当时钟上升沿到来时左上和右下传输门 不导通，左下和右上传输门导通，之前接受的信号锁存输出，即Q和NQ的输出波形保持 不变。当清零信号输入端“ RST的输入信号为“1”时，两个或非门的输出会变为“ 0” 则主触发锁存的信号被清零，输出端的信号也被清零且清零不受时钟控制，即为异步清 零。图异步八进制计数器电路图据方程得知我们所用的D

13、触发器的连接方式，其中根据 D2 D1 D0可知道本电路需 要用到三个D触发器，而且每个D触发器的“非”输出都接到自身的 D输入，时钟脉冲 除第一级时钟接到时钟输入信号外其余的都接到前一级的“非”输出。当计数到“111”后计数器进行进位，输出C为“T,而且此动作要与CP脉冲同步，贝吐匕功能使用三输入 与门和D触发器来实现。2.1.2 74LS138 译码器的基本原理2.1.2 74LS138译码器相关介绍74LS138译码器引脚图，逻辑图及功能如下:A 0 V CCA 1Y 0A 2Y 1S3Y2S2Y3S1丫 4Y 7丫 5G ND丫 616151413109"图2.1.2 74L

14、S138 的引脚图无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚/Y0/Y7 ,任何时刻要么全是高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个低电平0,其余7个输 出引脚全为高电平1。如果出现两个输出引脚同时为 0的情况，说明该芯片已经损坏。由上式可以看出/Y0/Y7同时又是A2、A1、A0这三个变量的全部最小项的译 码输出，所以也把这译码器叫做最小译码器。71LS138 有三个附加的控制端 S1、/S2和/S3。当S1=1、/S2+/S3=0时，Gs输出为高电平（S=1），译码器处于工作状态。否则，译码器禁止，所以的输出段被封锁在高 电平。这三个控制端也叫“片选”输入端，利用片选

15、的作用可以将多篇连接起来以扩展 译码器的功能。带控制端输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。2.1.3 用555定时器组成的单稳态触发器2.1.3.1 555定时器的工作原理和基本功能该集成电路由五部分组成：有三个阻值为5K的电阻组成的电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、有两个与非门组成的基本 RS触发器、输出缓冲器G3和集电极开路的放 电三极管。其中，电压比较器的输出电平由同相输入端和反相输入端所加的电压决定， 当U+>U-寸输出为高电平1,反之则输出低电平。当输入信号输入并超过2Vcc/3时，触 发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并

16、低于Vcc/3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时充电，开关管截止。 当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制， 在不接外加电压时，通常接一个 0.01 yF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干 扰，以确保参考电平的稳定。TD为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低 阻放电电路。555定时器的功能表如图3。其中的2/3VCC和1/3VCC分别是比较器C1和C2 的比较电压。表2.1.3.1 555定时器功能表UTHUTRRD输出放电管TDXX00导通V2/3VCC<1/3VCC11截止>2/3VCC>1/3VCC10导通

17、<2/3VCC>1/3VCC1不变不变单稳态触发器的工作原理（1）初始状态（稳态）。通电后，当电路无外加触发信号输入时，设定 ui为低电平。反相器G2的输入电压 ui1=VDD,输出uo也为低电平0。此时或非门G1的两个输入端全为0,则其输出uo1为 高电平且其值约等于VDD使得电容C的端电压接近为0,几乎没有电荷存储，电容相当 于开路。这是电路的稳态。在触发信号到来之前，电路一直保持这一状态，即uo1 =1，uo =0。（2）触发状态（暂稳态）如果在输入端外加一个正触发脉冲 ui ,G1的输出uo1变为低电平。由于电容两端电 压不能突变，G2的输入ui1也随之跳变为低电平，使得电

18、路输出 uo跳变为高电平，uo 再反馈到G1的输入端，此后即使ui的触发信号消失，仍可维持G1低电平输出。电路进 入暂稳态过程，即uo1 =0，uo =1。与此同时，VDD开始通过电阻R向电容C充电。（3）自动翻转随着电容C的充电。ui1逐渐上升，经过tP时间后，ui1上升到反相器G2的阈值电 平，G2翻转，输出电压uo跳变为低电平。暂稳态结束，电路又恢复到初始的稳态，即 uo仁1, uo=0。暂稳态结束后，电容C将通过电阻R、门G2等回路放电，C上的电压逐渐 恢复到稳态时的初始值。2.1.3.3 555定时器组成的单稳态触发器电路555定时器组成的单稳态电路由输入脉冲信号的下降沿触发，使其输

19、出状态产生翻 转，另外，在暂稳态过程结束前，ui必须恢复为1，否则电路内的RS触发器为不确定状 态，输出不能维持0状态。因此这种单稳态电路只能用负窄脉冲触发。如果输入脉宽大 于输出脉宽，则输入端可加 RC微分电路，使输入脉宽变窄。图2.1.3.3 单稳态触发器电路图COU NT_INR1 5 0kJE/cm71 OOufV ccb VoV5COU NT OU T1 0 0u5图2.134 555 定时器组成的单稳态触发器电路图555定时器单稳态电路输出脉冲宽度的计算输出u0的脉冲宽度tW也就是暂稳态的持续时间，根据RC电路瞬态过程的分析，可 得到：£uC=uC®)+uC(0

20、+)-uC( %) eT 当式中t=tW和时间常数t =RC时，可得：uc( )- uc(0 )tW=RCln uc( )-uc(tW) (2)2式中 uC(x)=Vcc , uC(0+)=0V, uC(tW)= 3 Vcc。代入式 1 中可得：Vcc 02VccVcctW=RCln 3=1.1RC (3)这种电路产生的脉冲宽度可以从几微秒到数分钟。可通过改变R C元件参数调节脉 冲宽度，精度可达0. 1%。综上所述，用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发 形式，且暂稳态维持时间为 TW=lnR31. 1RC仅与电路本身的参数 R、C有关。根据本课程设计要求Tw=15s,根据公式可得R=

21、150KQ, C=100uf。2.1.4 74LS00芯片引脚图及功能表74LS00功能：2输入四与非门集成电路表2.1.4 74LS00 芯片引脚图In puts输入输出ABYLLHLHHHLHHHL12345671AVCC 1B 2D NC 2C 1C NC 1 D 2B 1 Y 2A G ND2Y141312辽109Z8图 2.1.4.2 74LS00 芯片图2.2语音播放单元电路APR9600是中国台湾地区近年推出的低成本、多功能语音录放器件，其录放时间为4080s。它除了具有常规串、并行模式录放的直接存取模式的分段功能外，还具有独特的磁带操作模式，即顺序存取多段可变长度信息功能，因而

22、广泛应用在低成本的玩具、 便携式消费产品中。APR9600具有高品质的语音录放特性，同时又具备多种手动控制方 式，外围电路设计简单，价格也十分低廉，其在工业控制、家电、电化教育、游艺等产 品、系统中将会有广泛的应用前景。COUNT_INR4 43k8U1APR9600M1 j ycdM2 RE28M3VCCC1011121314M6 Oscr M7 M8 BUSY BE Vssd Vssa SP+ExtclkMSEL2 MSEL1CEAna_outAnt_InAGCMicrefMicInVccaSP2722522-対R21k2JCOU NT_OU T图2.2 语音播放电路图语音芯片外部特征（1

23、）APR9600语音芯片外观APR960（采用28脚双列直插式塑料封装，其外形如图M3 /M4/M5OicR.M7 EhQMB Optionob 辟切VSSAV 1 rJ es&Hfl6 讥_M訥7&E2ira. n£EL1 ,fCE .'Strata »v cser ViCln ；CCA SP-mTmnnninnnnCCE 忙图2.2.1 APR9600语音芯片外形图（2）引脚及其功能图2.2.2 APR9600 语音芯片引脚图APR960C语音芯片的引脚如图2.1所示，弓I脚对应的功能见表表2.2.1APR9600 引脚功能对照表管脚功能管脚功能

24、1、/M1第一段控制或连续录放控制（低电平有效）15、SP-外接喇叭负端2、/M2第二段控制或快进选段控制（低电平有效）16、VCCA模拟电路正电源3、/M3第三段控制（低电平有效）-17、MICIN话筒输入端4、/M4第四段控制（低电平有效）-18、MICREF话筒输入基准端5、/M5第五段控制（低电平有效）19、AGC自动增益控制端& /M6第六段控制（低电平有效）：?0、ANA-IN线路输入端7、OSCR振荡电阻21、ANA-OU线路输出端（话筒放大T器输出端）8、/M7第七段控制及片溢出指（低电平有效）22、STROBI_ 工作期间闪烁指示灯 输出端（低电平有效）9、/M8第八

25、段控制（低电平有效）及操作模式选项23、CE复位/停止键或启动/停止键（高电平有效）10、/BUSY忙信号输出（工作时出0,平时为1）24、MSEL1模式设置端11、BE键声选择（接1为有键声，0则无）25、MSEL2模式设置端12、VSSD数字电路电源地26、EXTCLK外接振荡频率端（用内部时钟时接地）13、VSSA模拟电路电源地27、/RE录放选择端（0为录音、1为放音）14、SP+夕卜接喇叭正端28、VCCD数字电路正电源222 APR9600语音芯片模块原理图（1）外部元器件的选用 旁路电容在VCCD VCCA电源（引脚端28、16）与地之间需要有低电抗的高频旁路电容，推 荐的电容值

26、为0.1卩F。此外，用一个10470" 的大容量电容器作低频旁路。本设计 高频旁路采用0.1uF瓷片电容，低频旁路采用47uF电解电容，这样能够很好的消除噪声。 耦合电容器 用作耦合电容器的电容，必须注意它的耐压、漏电和电容值。容值的确定与所要求的频响有关。 电阻在APR系列器件的应用中，任何涉及增益或电平的关键部分是不用电阻的。在电路 中，对电阻的型号要求不严，电阻的误差允许在± 10左右。 电池APR系列器件都可以在4.56.5V下正常工作。可使用电池来作电源 VCC如果电压 高于上述范围，应设法（如采用 7805三端固定稳压器）将电压降到 4.56V电压。采用电池做电

27、源时，必须考虑到电池的内阻会随着电池的放电而迅速增大。如果去 耦电路不能使内阻降低，那么录音的质量就会下降。标准的APR系列器件一般是采用单一的5V电源，并要求电源内阻低且无噪音，这个 条件尤其是在录音过程中相当重要。在VCCA引脚端出现的任何高频噪音，都会被录进APR器件的存储阵列中。因此，要求电源的连接线要尽量短，导线的直流电阻或电感要 尽可能地小。有些电源本来就内含噪声，如市售的交流整流稳压电源，使用时必须加强 直流滤波，如增设0.01卩.F和470"滤波电容器。本设计采用四节五号电池串联供电，所以要尽量选择在电量充足时进行录音，以免 引入噪声。（2）外接振荡电阻选择设计不要求

28、高保真，所以7脚的Rose采用44K电阻，单片录音时间为60秒。（3） 指示电路 10 脚、 22脚指示电路采用普通的发光二极管，限流电阻为 1K。在APR9600芯片的内部，录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进 入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器（ Pre-Amp ）中自带自动增益 调节（AGC，可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。如果信号幅度在100mV左右即13 / 30可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专 用快闪存储器FLASHRA中。由于FLASHRA是非易失器件，断电等因素不会使存储的语 音丢失。放音时芯片内读逻辑

29、电路从FLASHRA中取出信号，经过一个低通滤波器送到功 率放大器中， 然后直接推动外部的喇叭放音。 厂家要求外接喇叭为 16 欧姆，实际试验用 8-16欧姆均可，一般音量下输出功率 12.2mW（16欧）。2.3 功放单元电路2.3.1 OTL 功率放大器其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN 和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽 OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输 出器形式，因此具有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。 T1 管工作 于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。IC1的一部分流经电位器RW2 及

30、二极管D,给T2、T3提供偏压。调节RW2可以使T2、T3得到合适的静态电流而工 作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位等于Ucc的一半， 可以通过调节RW来实现，又由于RW的端接在A点，因此在电路中引入交、直流电 压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号ui时，经T1放大、倒相后同时作用于 T2、T3的基极，ui的 负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在ui的正 半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电。VCCCOU NT图2.3.1 OT

31、L功率放大器电路图第三章公交报站电路的仿真当原理图建立好之后，要验证其连接是否正确，只需要看其能否实现对应的功能 因此需要我们对原理图进行仿真，并通过仿真波形图来查看该原理图是否正确。3.1八进制计数器原理图仿真八进制计数器仿真波形如图所示图3.1.1八进制计数器仿真波形当时钟上升沿到来时，输出信号岁时钟由“000”开始计数一直计到“ 111”，且当“ 11T变为“ 000”时仅为信号输出“1”。当清零端信号为高电平时不管时钟沿是否到来输出均为低电平。该结果符合设计目标。3.2 74LS138译码器的仿真74LS138仿真是将二进制代码译成高低电平信号，二进制译码器74LS138的仿真图如下：

32、j寸7仃HD需舅rl-L.詳. Afif-图321 74LS138译码器仿真图3.3 OTL功率放大器的仿真T2-T1Tine2,6Z2s2,627s5.UCO msChannel _A -13.753 mV -13.769 mV 53.631 fVChannel _E 39Z39DmV KZ890itW25 希 nVRe erseExt. TriggerrTimease,Stale | s5o'us4)ivX position-Qtannd AScale |50mV/Div H ¥ position 莎Channel BSeale -'-<Y poitianT

33、ragerEdge j |V 6 | Exh |Le'-zelAdd引A I mbDCACDC图3.3.1 OTL功率放大器的波形仿真图图3.3.2 OTL功率放大器的波形仿真图3.4用555定时器组成的单稳态触发器仿真图3.4.1 555定时器组成的单稳态触发器电路仿真图图3.4.2 555定时器组成的单稳态触发器的波形仿真图总结公交车语音报站器的设计是由控制电路，语音播放电路和功放电路三大部分组成，其中控制电路是由 3线-8 线译码器，八进制计数器以及 555 定时器组成的单稳态触发器构成，语音播放电路是由APR960C语音芯片组成，功放电路是由 OTL功率放大器组成。本次设计总的

34、来说很好的完成了公交车站点的选定，语音报站功能以及功率放大的 功能。其中OTL能够稳定提供喇叭输出功率为8W的设计要求，异步八进制计数器基本完 成了 8站的设计要求，用555定时器组成的单稳态触发器完成了 15S定时的功能。但是 设计中也存在着诸多不足。比如只能通过手动按键的方式来实现语音报站的功能，而不 是站点自动播放。再比如本次设计没有实现 GPS自动定位功能。电路部分的信号还不足 够稳定等等。总而言之，这次公交车语音报站器的设计满足了基本的设计要求，但是自身的缺陷 也不容忽视，这也是我觉得需要改进的地方，还待完善。参考文献1 康华光电子技术基础数字部分M.北京:高等教育出版社，2005.

35、2 阎石.数字电子技术基础（第五版）清华大学教研组M.高等教育出版社,2006.3 毛瑞丽.数字电子技术基础及应用 M. 机械工业出版社 ，2010.4 童诗白,华成英.模拟电子技术基础 （第四版）清华大学教研组 M. 高等教育出版社 ,2006.5 刘延飞,李琪,张延伟,等.基于 Multisim 的电子系统设计仿真与综合应用 （第2版）M。人民邮电出版社,2012.李琪.基于Multisim的电子系统设计仿真与综合应用（第二版）/EDA实用技术M. 人民邮电出版社 ,2012.7张新喜.Multisim 12电路仿针与应用M.机械工业出版社,2011.致谢经过了十几天的实习，我终于完成了公共汽车语音报站器的电子课程设计。刚开始 的时候，我毫无头绪，然后我就上网去找资料，分析应该由几个单元电路组成，最后终 于确定了应该由控制单元电路，语音播放电路和功放电路组成，然后我再去分析每个单 元电路应该由哪些器件构成，然后就是PROTE画图，最后就是仿真。我不得不承认，真 的很不容易，经历了很多困难。最终，通过我不断的坚持和努力，我最终还是完成了这