公共汽车自动报站系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 公共汽车自动报站系统设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 吕昆明 学 号： 0812102055 指导教师： 解红军 2012 年 6 月 中 文 摘 要 I 摘 要 目前公共汽车的报站由传统的人工报站逐渐变成语音自动报站。文中介绍 了一种基于单片机的语音报站系统，这个系统能够为乘客播报准确的站台信息， 提供各种提示信息等。该自动报站系统以 AT89C52 为控制核心，通过由霍尔 元件等组成的测距模块进行测距，当公交车到达某一站台时，单片机控制 ISD4004 语音芯片进行语音报站，同时 LED 点阵会进行站台信息显示。文中给 出了自动报站系统的软件和硬件的设计方法。设计内容包括硬件电路与软件程 序的编写。整个系统的硬件设计包括显示电路、键盘电路、电源电路和距离检 测电路。本系统很大程度上提高了公交车报站的准确性和可靠性，提高了公交 系统的服务质量。 关键词：自动报站系统 AT89C52 ISD4004 霍尔元件 LED 点阵 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 录 III 目 录 摘 要I Abstract.II 目 录.III 第一章 引言.1 1.1 课题研究背景1 1.2 课题研究意义1 1.3 课题研究现状2 1.4 课题设计介绍.2 第二章 系统方案的选择与论证.3 2.1 设计方案介绍3 2.1.1 设计方案一：通过脉冲计数实现公交车自动报站.3 2.1.2 设计方案二：采用 GPS 定位来实现自动报站.4 2.2 设计方案选择5 第三章 自动报站系统的硬件电路设计.6 3.1 系统总体方框图6 3.2 主控电路设计6 3.2.1 主控芯片的介绍.6 3.2.2 振荡器电路的设计.9 3.3 测距电路设计10 3.3.1 脉冲检测电路的设计.10 3.4 语音电路设计12 目 录 IV 3.4.1 ISD4004 语音芯片12 3.4.2 录音电路的设计15 3.4.3 放音电路的设计15 3.5 显示电路设计16 3.5.1 LED 显示器件的介绍.17 3.5.2 LED 显示器的译码方式.18 3.5.3 LED 显示器的驱动方式.18 3.5.4 6116 存储芯片的介绍.19 3.5.5 LED 点阵汉字显示电路的设计.19 3.6 按键控制电路设计20 3.7 温度检测电路设计21 3.8 电源电路设计23 第四章 系统软件设计.24 4.1 主控程序设计24 4.2 语音报站程序设计26 4.3 LED 汉字显示程序设计26 总 结.28 参考文献.29 致 谢.30 附录 1 主控程序清单31 附录 2 语音报站程序清单35 附录 3 显示程序清单41 附录 4 总电路图42 第一章 引 言 - 1 - 第一章 引言 1.1 课题研究背景 随着现代社会的向前发展，人们的生活水平也日益提高，对生活质量的要 求也越来越高。汽车工业的飞速发展，让汽车进入了寻常百姓的家庭，改变了 人们的生活方式和生活习惯。汽车让人们的出行更加便捷，但是随着汽车保有 量的增加，道路就变得十分拥挤，承担着巨大的压力。为了缓解这种交通压力， 我们应当大力发展公交系统等其他公共交通工具。现在越来越多的人们会选择 公交车作为交通工具，因此这就给公交车的人性化服务提出了更高的要求。原 先依靠售票员或公交司机报站的方式已经不能满足乘客的出行需要，而且老旧 的报站方式在现在来看，存有一些安全隐患。因此如何实现自动报站是一个急 需解决的问题。 近年来，微型计算机技术日益发展，并且在很多领域已得到了广泛的应用。 例如微控制器(MCU)已经被广泛地应用于工业控制、智能化仪器仪表、家电、 计算机外部设备等领域。单片机地体积小，重量轻，价格便宜，并且这种芯片 的技术已十分成熟。正因为它的广泛应用，所以学习单片机的应用就显得十分 重要，而且学习好单片机也是学习其他嵌入式控制器的基础。微型计算机技术 与语音芯片以及显示芯片的组合，使得公交车自动报站的实现成为可能，从而 给公交系统带来新的变化新的活力，让人们获得更加便利的服务。 1.2 课题研究意义 现在随着城市规模的扩大、城镇人口的增加、旅游业的发展和人们生活水 平的提高，公交车作为一种交通工具，已经成为人们日常生活中的重要组成部 分。公交车手动控制的报站器，一方面影响了公交司机的正常安全驾驶，给乘 客和路人带来安全隐患；另一方面也增加了司机的劳动强度。基于单片机的公 交车自动报站系统，通过单片机对测距模块、语音模块和显示模块的综合控制 实现全自动报站的功能。自动报站系统能使每辆公交车实现准确的报站，让每 位乘客准确知道自己所在的位置，同时又减轻了公交驾驶员的工作负担。从公 交企业自身来说，自动报站系统能够给企业一个良好的亲民形象，也会给企业 第一章 引 言 - 2 - 带来效益的增长。 1.3 课题研究现状 公共汽车自动报站系统的设计目的主要是为了弥补传统人工语音报站和手 动报站的落后方式，进行进站和出站信息的自动播报，以及播报文明礼貌用语 或者广告和天气信息等，为广大乘客提供更加人性化和更完善的服务。 目前语音自动报站系统主要有以下四种：第一种是普通手动语音报站器， 到站之前，乘务人员会按下进站按钮进行语音报站，出站时乘务人员再按下出 站按钮进行预报下一站名，通过序号来记录各个站台的站名；第二种是门控型 语音自动报站器，它将开门和关门时的转换信号与语音报站器连接，在开门和 关门时进行语音报站；第三种是无线信标语音自动报站器，它需要在每个公交 车站台设置发射信标点，在临近站点左右时，公交车会收到信标信号，开始自 动报站，驶出站后无线信号消失，系统开始预报下一站。第四种是基于 GPS 导 航的语音自动报站器。报站器根据预先设置好的站台坐标，自动判断识别站台 坐标，然后进行语音自动报站。这种方式报站精准，不需要人工操作，也不需 要建设任何车外设施。 1.4 课题设计介绍 本课题要求设计一个公共汽车自动报站系统，目的是实现公共汽车的语音 自动报站，在语音播报站台信息的同时，LED 点阵显示电路会进行站台名的显 示。课题设计要求以 AT89C52 为核心完成公共汽车自动报站系统的硬件设计 和软件设计。硬件电路包括距离检测电路、显示电路、语音电路、电源电路、 键盘电路和温度检测电路等。软件设计包括系统初始化及主程序的设计、显示 程序和键盘程序的设计等。 第二章 系统方案的选择与论证 - 3 - 第二章 系统方案的选择与论证 公共汽车自动报站系统能够准确地进行语音报站，让乘客知道自己所在的 位置，完全不需要人工的介入。同时也可以用来显示广告，播放文明提示，以 充分利用资源。本章主要介绍了两种不同的设计方案，并将进行对比分析和方 案的选择。 2.1 设计方案介绍 2.1.1 设计方案一：通过脉冲计数实现公交车自动报站 此方案通过对车轮轴转角的脉冲进行计数，将脉冲计数值与预置值进行比 较判断，从而实现准确自动报站的目的。本方案以 AT89C52 作为主控芯片， 以霍尔元件等组成的脉冲检测电路对车轮轴转角的脉冲进行计数，由以语音芯 片 ISD4004 为核心的语音模块输出语音信息，并通过 LED 点阵显示模块进行 站台的信息的显示。其原理框图如图 2.1 所示。 脉冲 检 测 脉冲 计 数 89C52 主 控 芯 片 语音模块 显示模块 按键模块 图 2.1 原理框图 由原理框图可知该系统由距离检测电路、显示电路、语音电路、电源电路、 键盘电路等组成。各个电路模块的介绍如下： 1.主控模块：该模块的核心是一块 AT89C52 单片机，它是 8 位单片机，是 一种功耗低、高性能的 CMOS 微处理器。主控模块将脉冲计数值和预置值进行 比较，判断是否到站，当到站时就输出信号控制语音模块进行语音报站，并控 制显示模块进行站台信息显示。 2.脉冲检测：脉冲检测的核心元件是霍尔元件。该模块的关键是对车轮轴 第二章 系统方案的选择与论证 - 4 - 转过的圈数进行检测计数。在现实生活中，车辆的运行环境会比较复杂恶劣， 所以我们可以选用可靠地霍尔元件作为信号的采集装置，然后再经过光电耦合 器输入到单片机中。 3.脉冲计数：脉冲计数电路采用光电耦合器。霍尔元件采集的信号经过光 电耦合器输入给单片机后，采用中断方式对脉冲计数。 4.语音模块：该模块主要由语音芯片 ISD4004 组成，用于站台信息、文明 礼貌用语和广告信息等的语音播放。 5.显示模块：用 LED 点阵显示站台名等提示信息。 6.按键模块：该系统为自动报站，需要人工介入的工作很少，所以这里选 用独立式按键结构。 2.1.2 设计方案二：采用 GPS 定位来实现自动报站 GPS 是近年来兴起的一种新技术，现已广泛应用于各个领域，并逐渐成为 人们生活中不可或缺的组成部分。采用 GPS 定位的自动报站方案选用一个 AT89C52 单片机作为主控芯片，GPS 作为公交车定位模块，ISD4004 为语音模 块的控制芯片。GPS 模块接收定位卫星发来的定位数据，并根据得到的经纬度 信息判断公交车是否到达预设的各个站点。当到达预设的站点时主控芯片会控 制语音芯片进行站台名播报，同时会控制 LED 显示屏显示站名。这种方案的特 点是利用 GPS 对公交车进行实时定位，不需要人为干预，便能够准确无误地进 行站点播报。该方案采用先进的 GPS 定位技术，能够精确地追踪公交车的行驶 位置，报站精度高，可靠性高。系统的原理图如图 2.2 所示。 GPS 接收 模块 AT89C52 主控模块 语音模块 显示模块 站台设定 第二章 系统方案的选择与论证 - 5 - 图 2.2 原理框图 该方案的 GPS 接收模块选用车载型 GPS 接收器。这类接收机应用较为广 泛，价格便宜，适合系统设计。 2.2 设计方案选择 方案一使用 AT89C52 为主控芯片，通过对行驶里程的计数来控制报站的 时刻，完全不需要人工的介入，便能进行自动报站，因此完全符合设计的要求。 该方案选用美国 ISD 公司生产的 ISD4004 语音芯片，该芯片与其他语音芯片相 比具有语音音质好，录放时间长等优点。方案二使用 GPS 定位技术来实现自动 报站，也符合设计要求，但是当公交车辆行驶在市区街道或者穿越隧道时， GPS 信号可能会受到高层建筑、林荫树木或者高山遮挡等因素影响而丢失。此 外，GPS 定位报站成本较高，系统维护比较复杂。综合以上利弊，本课题决定 选用方案一。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 6 - 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 公交车自动报站系统主要由四个部分组成，即主控电路、脉冲检测电路、 语音电路和显示电路。本章根据系统总体方框图来对每个部分的电路进行分析 和说明。系统的设计原理图如附录二所示。 3.1 系统总体方框图 脉冲 检 测 脉冲 计 数89C52 主 控 芯 片 语音模块 显示模块 按键模块 +5V 电源 图 3.1 系统总体方框图 3.2 主控电路设计 3.2.1 主控芯片的介绍 AT89C52 是一款高性能 8 位单片机，它是由美国 ATMEL 公司采用可 靠的 CMOS 工艺技术生产制造的。它不仅利用了 CMOS 的高速和高密度技术， 而且兼具了 CMOS 的低功耗特点，它以标准的 MCS-51 单片机体系结构和指令 系统为基础，因此可以说它是 89C51 增强型的单片机版本。它不仅集成了时钟 输出，而且具有向上或向下计数器等更多的功能，适合在类似马达控制等应用 的场合进行应用。AT89C52 中内置了一些重要的组成部分，例如它拥有一个八 位的中央处理单元，它内部的数据存储器 RAM 的大小为 256 字节，内部的程 序存储器 ROM 的大小为 8k，具有的 32 个输入/输出口（I/O 口）是双向的，16 位的定时/计数器有三个，两级中断的结构有五个，还有一个全双工的能够串行 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 7 - 的通信的端口。除此之外，AT89C52 还具有低功耗的模式。低功耗的模式又被 分为空闲模式还有掉电模式两种，这两种模式可以使用两种软件进行选择。当 单片机处于空闲模式的状态下时，CPU 将会被冻结，但是会继续维持 RAM 定 时器、串行口和中断系统的功能。当处于掉电模式时，RAM 中存储的数据会 被保存下来，这时会停止时钟振荡，同时单片机内其余的功能会停止。 图 3.2 AT89C52 的结构框图 3.2.1.1 主要功能特性 1、能够兼容 MCS51 的指令系统 2、具有 8k 能够反复擦写的快速数据存储器 3、具有 32 个双向输入输出口线（I/O 口） 4、内置的 RAM 大小为 256x8bit 5、具有三个十六位的可编程定时/计数器中断 6、全静态操作 7、两个串行中断，UART 串行通道可编程 8、两个外部中断源，共八个中断源 9、两个读写中断口线，三级加密位 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 8 - 10、低功耗有空闲和掉电两种模式 3.2.1.2 AT89C52 的引脚 AT89C52 单片机的引脚如图 3.3 所示 图 3.3 AT89C52 引脚图 主要管脚有：VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）是供电端口，它们分别接 +5V 电源的正负端。P0P3 是可以编程的通用 I/O 管脚，通过软件定义它们的 功能用途。P0 口是一组双向的漏极开路型的输入输出口，即是数据和地址总 线的复用口。当 P0 口作为输出时，每一位能够驱动八个 TTL 门电路，如果 P0 口输入高电平时，可将其作为高阻抗的输入端。P1 口是一个八位双向的带内部 上拉电阻的输入输出口， P1 的输出缓冲级能够驱动（吸收或输出电流）四个 TTL 门电路。P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓 冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。P3 口是一组带有内部 上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的 第二功能。在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口， 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 9 - 分别与 N1 的相应功能管脚相连接，13 脚定义为 IR 输入端，10 脚和 11 脚定 义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 的 SDAS（18 脚）和 SCLS（19 脚）端 口，12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功 能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。XTAL1（19 脚） 和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 3.2.2 振荡器电路的设计 AT89C52 有一个高增益的反相放大器，这个反向放大器被用于构成单片机 内部的振荡器。我们把 XTAL1 管脚当做这个放大器的输入端，而把 XTAL2 管 脚作为此放大器的输出端。这个放大器能够与片外的石英晶体一起构成自激振 荡器，其中片外的石英晶体是作为一个反馈元件。外接的石英晶体还有电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中，从而会变成并联的振荡电路。虽然我们对 所使用的电容 C1、C2 没有特别严格的要求，但是电容的容量的大小会产生一 些影响，比如振荡频率的大小会受到一定的影响，振荡器的工作的稳定能力会 受到一定的影响，还有可能会对起振的难易程度以及温度的稳定性产生轻微的 影响。如果我们选择使用石英晶体，那么最好选择使用 30pF10pF 大小的电容。 用户也能够使用外部时钟。在这个状况下，XTAL1 端口应当和外部的时钟脉 冲相连接，而 XTAL2 端口会置空。本设计中我们选用内部时钟的方式构成振 荡电路，其电路图如图 3.4 所示。 图 3.4 内部时钟方式 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 10 - 3.3 测距电路设计 电磁式传感器在早期的轮速检测中被广泛的采用，可是它自身存在很多的 不足之处。其一是它输出信号的幅值不是恒定的，而是不断变化的。如果车速 较为缓慢，其输出信号的幅值小于 1V，就不能被检测。其二，电磁式传感器的 频率响应相对较低，在转速处于较高速度时，传感器频率就会响应不过来，很 容易就会产生错误的信号。其三，该传感器在抗电磁干扰方面表现较差。 目前，国内外普遍采用一种新型的转速检测装置，这种新型装置是由霍尔 元件和光电式传感器等器件组成。它们具有很多非常显著地特点，例如频率响 应高(响应频率达 20kHz 以上)，它的输出幅值是不变的，而且它还具有较强的 抗电磁干扰能力。因为它们输出的是脉冲信号，所以很容易与微处理器接口相 连接，这就使信号的处理分析更加的方便。霍尔传感器输出的脉冲信号频率与 转速成正比关系，对脉冲信号可采用多种方法进行处理分析。用霍尔传感器测 出车轮轴的转数，然后乘以车轮的周长就可以算出一定时间内车辆走过的距离， 这是测距电路的原理。测距电路由脉冲检测电路和光电耦合器等组成。 3.3.1 脉冲检测电路的设计 3.3.1.1 霍尔元件的介绍 霍尔元件是应用霍尔效应的半导体器件。用它可以检测磁场和磁场的变化， 可以在多种与磁场有关的场合中使用。一般用于电机中测定转子转速，如录像 机的磁鼓，电脑中的散热风扇等。已发展成一个品种多样的磁传感器产品族， 并已得到广泛的应用。 霍尔元件具有很多的优点，例如它自身的结构比较牢固，其重量较轻，其 体积比较小，它的使用寿命比较长，它的使用安装很方便，功耗相对较小，还 有就是其频率高，不怕震动、不怕油污、灰尘、盐雾及水汽等的污染或腐蚀。 按照霍尔元件的功能可以将它们分为： 霍尔线性器件和霍尔开关器件。 霍尔线性器件输出模拟量，霍尔开关器件输出数字量。如果我们按照被检测对 象的性质，则可以将它们分成：直接应用和间接应用。直接应用的意思是受检 对象自身的磁场或磁特性能够被直接的检验出来。间接的检测是把被检对象上 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 11 - 事先设置的磁场检测出来，我们利用这一磁场当做被检测的信息的载体，通过 它，可以把一些非电或者非磁的物理量，比如转速、力、速度、压力、位置、 位移、加速度、角度、以及工作状态发生改变的时间等等，将其变换为电量， 从而可以进行检测和控制这些非电或者非磁的物理量。 3.3.1.2 光电耦合器的介绍 光电耦合器是一种从电到光再到电的转换器件，通过光这个媒介，可以来 进行电信号的传输。它是由发光部分和受光部分两个部分构成。我们把发光部 和受光部组装在一起，然后把它们封装在一个封闭的的壳体内，再用一种透明 的绝缘体把它们隔离开。其中发光部分的引出脚作为输入端，受光部分的引出 脚当做输出端。发光二极管是我们常见的发光源，光敏二极管还有光敏三极管 等等是常见的受光器。若在光电耦合器的输入端加上电信号后，就能激励发光 源发出光。电信号电流的大小影响着光的强度，当发光源发出的光射在受光器 上之后，会因为光电效应产生光电流，然后由受光器引出，这样我们就实现了 由电到光再到电的一系列转换过程。 光电耦合器的特点有以下几点：它的体积小，使用的寿命长，它没有触点， 其工作温度的范围较宽，在输入和输出之间是电绝缘的，它的信号进行单向地 传输的，它与逻辑电路的连接比较方便，还有一点就是抗干扰的能力比较强。 因为光电耦合器以上的特点，让它在多种电子设备中得到了非常广泛的应用， 例如可用于隔离电路和各种家用电器等电路中。 3.3.1.3 脉冲检测电路 此电路设计的重点是对车轮轴转过的圈数进行计数。电路中我们选用了霍 尔元件 DN6848 和光电耦合器 4N25，并提供了+5V 的工作电压。因为考虑到公 交车将会在雨雪等复杂恶劣的环境中行驶，而霍尔元件具有耐震动、不怕油污、 灰尘、水汽等的污染或腐蚀的优点，所以这里我们采用霍尔元件 DN6848 作为 信号采集装置，再经过光电耦合器 4N25 把信号输入给单片机，与单片机中存 储的数值进行比较判断是否到站，如果到站会由单片机输出信号控制语音电路 进行语音报站。其电路如图 3.5 所示。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 12 - VDD 1 2 VOUT3 DN6848 R3 180 R4 4.7K VCC +5V 4N25 图 3.5 脉冲检测电路 3.4 语音电路设计 语音电路包括站台、广告等信息的录入和播放电路两个部分。该电路采用 的核心芯片是 ISD4004 语音芯片。本节首先介绍一下语音芯片，然后介绍录音 和放音电路的硬件电路设计。 3.4.1 ISD4004 语音芯片 ISD4004 是美国 ISD 公司制造的一种语音芯片。其具有以下特点：（1） 能够进行重复录放多次， （2）存储语音的时间长， （3）使用时不要特别复杂的 外围电路， （4）使用时不用扩展存储器等等。ISD4004 工作所需的电压为 3V，其录放语音信息的时间为八到十六分钟，并且录放的音质较好。ISD4004 芯片内含有以下几个部分，分别是音频放大器部分、平滑滤波器、防混淆滤波 器、振荡器、自动静噪部分和高密度多电平存贮阵列。该语音芯片的引脚包括 以下四个部分：电源引脚部分、时钟引脚部分、语音信号模拟输入/输出端和 MCU 接口部分(SPI 接口)。因为该语音芯片采用了多电平直接模拟量存储技术， 这样片内闪烁存贮器中就可以直接存储每个采样值，从而让语音实现了真实自 然地再现。其引脚图如图 3.6 所示。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 13 - 图 3.6 ISD4004 芯片引脚图 引脚说明： （1）电源(VCCA，VCCD) 为了让噪声降到最低，芯片的模拟和数字电路分 别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，并使它们尽可能在靠近供电端的地方相连接，而要使去耦电 容尽量地靠近器件。 （2）地线(VSSA，VSSD) 与电源总线一样，芯片内部的模拟和数字电路连接 的地线也不一样，应当分别连接不同的地线。 （3）同相模拟输入(ANA IN+) 录音信号的同相输入端。我们可以使用单端或 者差分驱动输入放大器。如果是单端输入，信号会通过耦合电容来输入，它的 最大幅度为 32mV，芯片频带的低端截止频率是由耦合电容和本端的 3K 电阻 输入阻抗来决定的。差分驱动时它的信号最大幅度是 16mV。 （4）反相模拟输入(ANA IN-) 当我们采取差分驱动时，这一端口就成了录音 信号的反相输入端。录音信号通过耦合电容输入到此端，其最大的幅度是 16mV。 （5）音频输出(AUD OUT) 此端是音频的信号的输出端口，可以用来驱动 5K 的负载。 （6）片选(SS) 此端为低电平。如果向 ISD4004 芯片发送指令，这两条指令之 间应当是高电平。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 14 - （7）串行输入(MOSI) 为串行输入端，在串行时钟上升沿之前半个周期，主 控制器应将数据放到串行输入端，供 ISD 进行输入。 （8）串行输出(MISO) ISD 的串行输出端。如果 ISD 未被选中，此端为高阻 态。 （9）串行时钟(SCLK) ISD 的时钟输入端，是由主控制器产生的，被用于同 步 MOSI 和 MISO 的数据传输。在 SCLK 上升沿时，数据被锁存到 ISD，当处 于下降沿时会被移出 ISD。 （10）中断(/INT) 为漏极开路输出。在任何操作(包括快进)中，如果 ISD 检测 到 EOM 或 OVF，本端会变成低电平，并且会保持。在下一个 SPI 周期开始时， 它的中断状态会被清除。OVF 标志表明 ISD 的录或者放操作已到达了存储器的 尾端。只有在放音中检测到内部的 EOM 标志时，EOM 标志的状态位才会置 1。 （11）行地址时钟(RAC) 为漏极开路输出。每个 RAC 周期所表达的意思是 ISD 存储器的操作已经进行了一行。该信号会保持高电平 175ms，保持低电平 为 25ms。在快进模式下，RAC 的 218.75s 为高电平，31.25s 为低电平。这个 端口可以用于存储管理技术。 （12）外部时钟(XCLK) 次端口内部置有下拉元件。在出厂前，芯片内部的采 样时钟就已调校好了，误差范围保持在 +1%内。对于商业级的芯片，在整个电 压和温度范围内，其频率变化会在+2.25%内。而对于工业级芯片，在整个电压 和温度范围内，其频率变化在+4%内，在这种情况下，我们建议使用稳压电源。 考虑到芯片内部的防混淆及平滑滤波器已经设定好了，所以不用再改变上面推 荐的时钟频率。鉴于芯片内部首先进行了分频，所以输入时钟的占空比就不再 那样重要。如果我们不选择外接地时钟时，这个端口就必须进行接地。 （13）自动静噪(AMCAP) 如果内部设定了一个固定阈值，再把录音信号的电 平降低到这一阀值以下，这样自动静噪功能便会使信号衰弱，这样以来就会帮 助养活无信号时的噪声。通常情况下，我们把本端对地接 1mF 的电容，用于构 成内部信号电平峰值检测电路的一部分。把检测出的峰值电平和内部设定的阈 值作比较判断，从而来决定自动静噪功能的翻转点。大信号时，自动静噪电路 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 15 - 不会衰减，而在静音时，该电路会衰减 6dB。在自动静噪电路中，1mF 的电容 也会影响信号幅度的响应速度。若本端接 VCCA，则会禁止自动静噪。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 16 - 3.4.2 录音电路设计 录音电路是将需要录入的站台信息和广告信息等录入语音芯片的一种电路。 该电路的设计如图 3.7 所示。图中的 MIC 是麦克风，需要录入的语音信号从这 里进行录入。录入的语音信息，经过由三极管组成的放大电路放大后通过 0.1F 的电容输入到 ISD4004 语音芯片的反相模拟输入端（ANA IN-） ，这样就完成了 语音信息的录入。 47uF 0.1F 0.1F 1K 10K 10K 300K 2.2K BCX56-16 MIC vcc ANAIN- 图 3.7 录音电路 3.4.3 放音电路的设计 放音电路用于语音播报站台信息和广告信息等。ISD4004 输出的声音信号 的功率不是很大，但是在自动报站系统所处的嘈杂环境下，要求系统能够输出 比较大的声音，这就要求我们把语音芯片输出的音频信号进行功率放大，从而 使之能够驱动扬声器发出足够大的声音，以满足实际需要。因此在这个电路设 计中，我们选择通过外接功放模块 LM386 的方式，对 ISD4004 的输出信号进 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 17 - 行跟随和放大，从而为后级功放提供有力的保障。 这里 LM386 是一种音频功率放大器，它具有很多的有点：（1）其静态功 耗低， （2）需要外接的元件少， （3）更新内链增益可以进行调整， （4）它使用 电源的电压范围大， （5）总谐波失真小等等。 ISD4004 的音频输出管脚通过一个变阻器与音频功率放大器 LM386 的 3 号 管脚相连，通过调节电阻的大小可以改变输出的音量大小。放大器 LM386 的 工作电压范围较宽，本电路中我们为其提供 6V 的电压。 + 3 - 2 4 8 1 5 7 6 LM386 0.047uF 10 10k VDD 220uF 220uF 1uF AUDOUT 图 3.8 放音电路 3.5 显示电路设计 显示电路是对语音播报的一种补充，其作用是将语音播报的信息用文字的 形式显示出来，以方便广大的乘客朋友。本电路采用 LED 显示器进行站台等信 息的显示。本节首先对液晶显示器件进行介绍，然后再介绍一下 6116 存储芯 片，最后说明 LED 显示电路的硬件设计，其软件设计将在第四章给出。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 18 - 3.5.1 LED 显示器件的介绍 LED 显示屏是由发光二极管排列组成的显示器件。它采用低电压扫描驱动， 具有耗电少、寿命长、视角大、亮度高、可靠性高等特点。LED 发光器件一般 常用的有两类，分别是数码管和点阵。 3.5.1.1 数码管 数码管是用半导体材料制造的一种发光器件。发光二极管是它的基本单元。 我们常用的是八段数码管。八段数码管常被分成 A B C D E F G P 段，其中 P 位是小数点位。数码管被分为共阴和共阳两种。 （1）共阳数码管是把所有发光 二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管。我们在使用共阳数码管时，应 将公共极接在+5V 电源端，当某一段的阴极为低电平时，相应字段就会变亮， 反之则不亮。 （2）共阴数码管是将所有发光二极管的阴极接在一起形成共阴极 的数码管。我们在使用共阴数码管时，应将公共极接在地线上，这样当某一段 的阳极为高电平时，相应的字段就会变亮，反之则不会亮。数码管的驱动方式 分为静态和动态两种。静态驱动的优点是：编程简单、显示亮度高，其最大的 缺点是占用较多的 I/O 口。现在使用较为广泛的是动态显示驱动，动态显示的 效果和静态显示是一样的，而且还能够节省许多的 I/O 口，并且功耗更低。 3.5.1.2 LED 点阵 LED 点阵常用的为 8*8，共由 64 个发光二级管组成，并且每个发光二级管 是放置在行线和列线的交叉点上。点阵都是单管芯，分(行)共阴和(行)共阳，一 般都用 5V 电源。LED 点阵屏的具有亮度高、混色好、可靠性高和可视角度等 优点。LED 点阵显示系统中的各模块有静态和动态两种显示方式。静态显示的 特点是其原理较为简单，控制起来比较方便，但是硬件接线比较复杂，因此我 们在实际应用中多采用动态显示的方式。动态显示的工作方式是扫描的工作方 式。利用峰值较大的窄脉冲进行驱动，然后从上到下，逐次地对显示屏的每一 行进行选通，同时又会向各列送出表示图形或文字的脉冲信号，反复以上操作， 就能够显示各种图形和文字信息。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 19 - 3.5.2 LED 显示器的译码方式 通过相应的接口向 LED 显示器提供字符的笔段字型码和数位代码能够驱动 LED 显示器显示相应的字符。我们可以通过软件或者硬件译码的方式来得到字 符的笔段字型码。 （1）软件译码方式 如果在微处理器或者微控制器应用的系统中使用 LED 显示器，利用微处理 器或者微控制器的强大能力，可以很容易地通过软件查表的方式对所需显示的 字符到笔段字形码的变换实现译码，因此现在大多数嵌入式系统都是采用这种 方式。 （2）硬件译码方式 目前经常使用的硬件译码器有 BCD7 段译码器 MC14558，把译码器与驱 动电路集成在一起的译码器 MC14547，还有十六进制输出的锁存译码驱动器 MC14495 等。 3.5.3 LED 显示器的驱动方式 LED 液晶常用的驱动方式是静态驱动法和动态驱动法。 1静态驱动法 静态驱动法是一种最基本的获得最佳显示质量方法，它适用于笔段型液晶 显示器件的驱动。这种液晶显示器件的电极结构是这样的多位数字组合时，各 数字位的背电极是连在一快的。在利用静态驱动法的电路中，经过分频后，振 荡器的脉冲信号会直接施加到液晶显示器件的背电极上；而通过显示选择信号 与时序脉冲的合成会产生段电极的脉冲信号。 2动态驱动法 如果 LED 液晶显示器件上的显示像素很多，为了让其硬件驱动电路变得简 单一些，我们需要在液晶显示器件电极的制作与排列上作一定的改变，这种改 变就是采用矩阵型的结构，就是把水平一行的显示像素的背电极全部连接在一 起，然后再引出，我们把它称作行电极，并使用 COM 符号来表示；如果把纵 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 20 - 向的一列显示像素的段电极连接起来后，再一起引出，我们将其称为列电极， 并使用 SEG 符号来表示。这样在液晶显示器件上，每个显示像素都是由其所在 的列与行的位置唯一确定的。在显示器的驱动方式上，我们选择一种方法，这 个方法与阴极射线管的显示器的光栅扫描相似。动态驱动的方式是给行电极循 环地施加选择脉冲，同时所有相应的选择或非选择的驱动脉冲会由显示数据的 列电极给出，这样就能够让某一行的所有显示像素实现显示功能。 3.5.4 6116 存储芯片的介绍 6116 是由 Intel 公司生产。它是一种 2K*8 位的高速静态随机存储器。其特 点是存取时间短、功耗低、全静态、与 TTL 兼容。其有 11 条地址线，8 条数 据线，1 条电源线，1 条地线和 3 个控制线（片选信号 CE、写允许信号 WE 和 输出允许信号 OE，三条控制线均低电平有效） 。这 3 个控制信号的组合控制 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 引脚 HXX待用高阻 LLH读出Dout LXL写入Din 3.5.5 LED 点阵汉字显示电路的设计 在这个显示电路中，我们使用一块 16*256 的液晶显示屏来显示汉字信息。 使用 6116 静态随机存储器来存放需要显示的汉字信息。电路中我们还使用了 一个二进制串行计数器 CD4040，计数器在时钟的下降沿进行计数，当管脚 CR 是高电平时，计数器会清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上 升和下降时间无限制。所有的输入和输出均经过缓冲。电路中还使用了四块 74LS244。其电路图如图 3.9 所示。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 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显显显显 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LED LED P1.2 VCC P1.3 P1.4 P1.5 图 3.9 LED 显示电路 3.6 按键控制电路设计 本设计具有的按键模式，还有语音信息的录入等需要有一个按键电路来完 成。因为设计中所需按键的数量比较少，所以我们采用独立式按键的结构。独 立式按键是用一根 I/O 口线直接构成的一个单独的按键电路，这样每一个独立 式按键就会单独占有一根 I/O 口线，并且每根 I/O 口线上的工作状态不会影响 其他 I/O 口线的工作状态。独立式按键接口电路的配置十分的灵活，软件的结 构相对简单，其缺点是每个按键必须独立地占有一根 I/O 口线，所以在按键的 数量很多的时候，I/O 口线就会使用的多。本设计的按键电路如图 3.10 所示。 第三章 自动报站系统的硬件电路设计 - 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