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公交车语音报站系统的设计毕业论文公交车语音报站系统的设计毕业论文 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 课题研究的意义 1 1 3 课题研究的主要内容 1 1 4 课题研究的工作原理 2 第 2 章 系统总体方案设计 3 2 1 功能要求 3 2 2 设计思路 3 2 3 方案选择 3 2 3 1 显示模块选择方案 3 2 3 2 按键选择方案 3 2 3 3 芯片选择方案 4 2 4 总体设计框图 5 第 3 章 系统硬件设计 7 3 1 概述 7 3 2 主控模块 7 3 2 1 STC89C52 芯片的简介 7 3 2 2 主控模块电路原理图 10 3 3 语音芯片模块 10 3 3 1 ISD4004 芯片简介 10 3 3 2 LM386 芯片简介 14 3 3 3 语音芯片模块电路原理图 16 3 4 LCD 液晶显示模块 16 3 4 1 组成结构 17 3 4 2 引脚功能 17 3 5 按键控制模块 19 3 5 1 按键控制模块电路原理图 19 第 4 章 系统软件设计 20 4 1 录音模块设计 21 4 2 放音模块设计 21 4 3 显示模块设计 22 4 4 键盘扫描模块设计 23 I 第 5 章 系统分析与调试 25 第 6 章 结论与展望 28 参考文献 29 致 谢 30 附 录 31 附录 A 外文资料 31 附录 B 硬件原理图 46 附录 C 程序清单 47 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 0 第 1 章 绪 论 1 1 课题研究的背景 随着社会经济的发展 城市化进程越来越快 城市人口急剧增加从而使城市交 通压力不管增大 在倡导绿色低碳环保的今天 公交车作为城市公共交通的重要方 式 是城市居民出行的重要工具 因为公交车具有方便 快捷 经济实惠等优点 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到服务 的质量 1 2 课题研究的意义 传统由乘务人员人工报站的方式工作强度大且效果差 并需要大量的人力资源 而通过单片机和语音芯片的结合 使得公交车到站信息及提示信息以语音和显示的 方式告知乘客 为市民提供更人性化 完善的服务 并且节省了大量的人力资源 公交车语音报站系统还可以结合每条线路的特点和实际情况自主设定不同的报 站方式和站点设置 在为乘客提供方便的同时也便于公交车的运营和司乘人员的操 作 1 3 课题研究的主要内容 本论文主要是对 C 语言和单片机的一些基本知识 概念的应用学习和研究 以 及 STC89C52 芯片模块 ISD4004 语音模块和 LCD12864 液晶屏的开发设计 该设 计的目的是设计一实现单片机与语音控制芯片系统互联 通过按键 系统可播报相 应的车站信息或者公益提醒 也可以实现录音和放音功能 本设计的主要工作有以 下几个方面 1 整体方案的设计 方案的选择要符合芯片功能的要求 既要保证操作简单适合公交司机操作 又 要体现出本产品的特点 本文研究设计的带录音功能的公交车语音报站系统是采用 STC89C52 单片机和 ISD4004 语音芯片 用来实现公交车站信息的播放以及录音和 放音功能 用 LCD12864 带中文字库的液晶显示屏实现公交站名的显示 2 程序流程图及软件设计 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 一个程序要想实现其功能 不能没有次序而盲目下手 必须对其有一个全面的 了解后画出流程框图 然后逐个模块的实现其功能 最终把模块之间合理的连接起 来 构成完整程序 本设计的软件设计主要包括系统的初始化设计 延时子程序的 设计 键盘扫描模块的设计 录音子模块的设计 放音子模块的设计 两个芯片之 间通信的设计 液晶屏的显示设计 中断程序设计 以及把各个子模块组合成一个 完整程序的设计等 整个系统程序采用模块化结构设计程序相对比较优化易修改和 调试 系统软件的开发是用 C 语言设计的 3 系统原理图及硬件调试实验 本设计在进行硬件原理分析后 需要连接实物进行实际操作 检验自己的设计 是否可以行得通 需要在 protel99SE 环境下画出硬件原理图并进行电气测试 检测 无异议后进行硬件系统的调试实验 为了保证系统的可靠性分析查找 硬件的调试 分模块分别进行了模拟试验 1 4 课题研究的工作原理 本系统使用 STC89C52 单片机作为控制器件 当系统进行语音再生时 单片 机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 同时 单片机通过程序读 取文字信息 送入液晶显示模组来进行站数和站名的显示 当汽车到达某站时 司 机或乘务人员通过按键来控制系统进行工作 当系统进行语音录制时 语音信号通 过语音录入电路送给语音合成电路中的语音芯片 由语音芯片进行数据处理 并将 生成的数字语音信息存储到语音存储芯片对应的地址中 从而建立语音库 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 第 2 章 系统总体方案设计 2 1 功能要求 1 通过 STC89C52 芯片实现对按键的读取并将所对应的信息送至扬声器 并将 到站信息通过液晶屏显示 2 语音芯片 ISD4004 完成语音模块 实现公交站信息的录入及到站时的放音 功能 3 采用两个独立按键 作为录音和放音的控制键 4 采用 LCD12864 液晶屏 显示相对应的站的信息 2 2 设计思路 电路总体上分为芯片控制部分 语音芯片和液晶显示部分 以 STC89C52 单片 机最小系统作为核心控制电路 控制独立按键对录音放音的选择 具体显示内容及 方式由软件来完成 语音部分由 ISD4004 芯片来实现 它是一个多功能的语音芯片 可以多次重复录放 本设计正是运用此特点 完成录音和放音功能的 具体步骤是 先录入两站的信息 存储到芯片内部 建立语音库 并且具体锁定到对应的地址中 通过按键的次序播放不同的信息 2 3 方案选择 2 3 1 显示模块选择方案 方案一 用 LCD1602 液晶显示 但是由于 1602 主要显示英文和字符 不适合 用于带汉字的公交车报站 方案二 采用 LCD12864 不带字库芯片 但需要用取模软件取模 PROTEUS 可以仿真 HT1621 1602 KS0108 12864 T6963C 24064 等系列的模块 需先学 会仿真软件 方案三 采用带字库的 LCD12864 芯片 可直接调用字库 使用比较方便 鉴于上述对比与分析 本设计采用方案三 2 3 2 按键选择方案 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 方案一 采用 STC89C52 的独立键盘 其独立键盘有 4 个按键 按键数量符合 录音和放音两个按键的需要 方案二 采用 STC89C52 的矩阵键盘 其矩阵键盘具有 16 个按键 数量太多 不如独立按键方便 故采用 K1 和 K2 两个独立按键 K1 为放音键 按第一下时 对应播放第一站 信息 同时调用显示子程序 在液晶屏上显示对应信息 按第二下时 对应播放第 二站信息 并在液晶屏上显示信息 K2 为录音键 按下时 录制第一段语音信息并 存放在对应的地址中 按下第二下时 录制第二段语音信息并存放于第二段语音对 应的地址中 以方便调用 2 3 3 芯片选择方案 方案一 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 型 8 位单 片机 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 其片 内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的 这种单片机对开发设备的要求很低 开发时 间也大大缩短 写入单片机内的程序还可以进行加密 这又很好地保护我们的劳动 成果 再者 AT89C51 目前的售价比 8031 还低 市场供应也很充足 AT89C51 可 构成真正的单片机最小应用系统 缩小系统体积 增加系统的可靠性 降低系统的 成本 只要程序长度小于 4K 四个 I O 口全部提供给用户 可用 5V 电压编程 而 且擦写时间仅需 l0ms AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密 提供了方便灵活而 可靠的硬加密手段 能完全保证程序或系统不被仿制 PO 口是三态双向口 通称数 据总线口 因为只有该口能直接用于对外部存储器的读 写操作 1 方案二 STC89C52 单片机的指令系统和 AT89C51 系列的完全兼容 但实际操 作起来也有一些问题 1 AT89C51 不带 ISP 下载 要用下载器才行 STC89C52 可以用你的 USB 转 串口下载 下载软件可以到 STC 厂家网上去下 2 STC 单片机执行指令的速度很快 大约是 AT 的 3 30 倍 尽管快是好事 但这样一来 你在 AT 上好使的程序在 STC 上不一定好用 最典型的例子就是那些 对时序有严格要求的模块 比如 IIC DS18B20 DS1302 等的时序 再者 既然执 行速度快了 那么那些非定时器控制的精确延时肯定要受影响 用 STC 时注意得加 长延时 大约是 AT 的 10 30 倍就差不多 这一点自己调试就知道了 3 片机对工作环境的要求比较低 电压低于 5 伏时仍然正常工作 甚至 3 伏到 4 伏之间都还可以工作 然而这样的环境下 AT 肯定不行了 所以当一个系统用 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 STC 单片机好用 但用 AT 的单片机不工作时 直接查最小系统 看单片机的供电 是否正常 比较这两种方案 由于在学校期间学过数字电路 单片机原理 C 语言程序设 计 综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源 经过对比此次设计 要求 我选择用 STC 系列芯片完成 而且学校也提供了相应的硬件操作平台 实际 操作起来比较方便 故 STC 为更合理的选择 2 4 总体设计框图 按照系统功能的具体要求 在保证实现其功能的然础上 尽可能降低系统成本 总体设计方案围绕上述思想 初步确定系统的方案如图 2 1 所示 ST C8 9C 52 单 片 机 P2 2 P2 7 P3 4 P3 7 P3 2 P3 3 LCD12864 液晶显示屏 ISD4004 语音模块 独立按键 图 2 1 系统初步方案 从图中可以看出 系统有微处理器模块 液晶屏显示模块 独立按键模块和语 音模块组成 在方案设计中 遵循简洁至上的原则 因此所有的外围模块采用串行 方式与微处理器模块接口 该设计以 STC89C51 系列单片机为控制核心 实现公交 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 车语音报站基本功能 在设计系统时 为了更好地采用模块化设计法 分步的设计 各个单元功能模块 系统的硬件部分可以分为键盘设定 单片机控制 LCD 显示和 语音控制四大部分 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 第 3 章 系统硬件设计 3 1 概述 此次的毕业设计主要由 4 个大的模块构成 分别是主控模块 语音芯片模块 LCD 液晶显示模块 键盘控制模块 其中主控模块是此次毕业设计的核心模块 主 要是指 STC89C52 芯片 它控制整个系统的运行 利用其各个口分别控制其他模块 使其他模块能够成为一个整体 实现功能的需要 语音模块主要指 ISD4004 芯片和 LM386 芯片 用 ISD4004 来实现录音功能 LM386 是实现功率放大 而 LCD 液晶 显示模块是整个系统的辅助模块 用来显示到站信息 按键控制模块则是用按键来 控制实现的是哪个功能 对应录音 放音 3 2 主控模块 3 2 1 STC89C52 芯片的简介 功能特性 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 1 在系统可编程 Flash 存储器 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允 许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵 活 超有效的解决方案 如图 3 1 所示 STC89C52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位 定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲 模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电 保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个 中断或硬件复位为止 主要性能 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗 空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 图 3 1 STC89C52 芯片 管脚说明 2 VCC 供电电压 GND 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 8TTL 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据存储器 它 可以被定义为数据 地址的第八位 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 在 FLASH 编程和校 验时 P1 口作为第八位地址接收 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 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 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 STC89C52 的一些特殊功能口 如下表所示 管脚备选功能 表 3 1 P3 口的第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4T0 记时器 0 外部输入 P3 5T1 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 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号 的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 3 2 2 主控模块电路原理图 单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取 再通过对应的地址 取出 液晶屏汉字信息和录放音初始值以产生不同的声音信号 3 3 语音芯片模块 3 3 1 ISD4004 芯片简介 ISD4004 语音系列芯片是美国 ISD 公司推出的产品 13 与普通的录音 重放芯片 相比 ISD4004 具有如下特点 首先是记录声音没有段长度限制 并且声音记录不需 要 A D 转换和压缩 其次 快速闪存作为存储介质 无需电源可保存数据长达 100 年 重复记录 10000 次以上 此外 ISD4004 具有记录时间长 可达 16 分钟 本文 采用的为 8 分钟的 ISD4004 语音芯片 的优点 最后 ISD4004 开发应用具有所需 外围电路简单的优点 这一点从本文介绍的其在实际应用中可以体会到 ISD4004 芯片如图 3 2 所示 图 3 2 ISD4004 芯片 1 引脚介绍 4 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 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 源总线 并 A 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 而去藕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 信号由藕合电容输入 最大幅度为峰峰值 32mV 藕 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 通过藕合电容输入 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 两条指令之问为高电 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 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 标志一指示 ISD 的录 放操作已到达存储器的未 尾 EOM 标志一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 75 s 是高电平 31 25 s 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阑值以下时 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 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 11 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 设定的阑值作比较 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 2 操作规则 1 串行外设接口 ISD4000 系列语音芯片工作于 SPI 串行接口 SPI 协 议是一个同步串行数据传输协议 设定微控制器的SPI 移位寄存器在 SCLK 的 下降沿将数据送至 MISO 引脚 以 ISD4004 为例 协议的具体内容如下 5 所有串行数据传输开始于下降沿 SS 在传输期间必须保持低电平 在两条指令之间则保持高电平 SS 数据在时钟上升沿移入 在下降沿移出 变低 输入指令和地址后 ISD4004 才能开始录 放操作 SS 指令格式是 八位控制码 加 十六位地址码 ISD4004 的任何操作如果遇到 EOM 或 OVF 则产生一个中断 该中断状 态在下一个 SPI 周期开始时被清除 使用 读 指令使中断状态位移出 ISD4004 的 MISO 引脚时 控制及地址数 据也应同步从 MOSI 端移入 因此 要注意移入的数据是否与器件当前进行的操 作兼容 当然 也允许在一个 SPI 周期里 同时执行读状态和开始新的操作 即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容 所有操作在运行位 RUN 置 1 时开始 置 0 时结束 所有指令都在端上升沿开始执行 SS 2 信息快进 用户不必知道信息的确切地址就能快进跳过一条信息 信息 快进只用于放音模式 放音速度是正常的1600 倍 遇到 EOM 后停止 然后内 部地址计数器 1 指向下一条信息的开始处 3 上电顺序 器件延时 TPUD 8KHz 采样时 约为 25ms 后才能开始 操作 因此 用户发完上电指令后 必须等待TPUD 才能发出下一条操作指 令 例如 从 00 处放音 应遵循如下时序 发 POWER UP 命令 等待 TPUD 上电延时 发地址值为 00 的 SET PLAY 命令 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 12 发 PLAY 命令 器件会从 00 地址开始放音 当出现 EOM 时 立即中断 停止放音 如果从 00 处录音 则按以下时序 发 POWER UP 指令 等待 TPUD 上电延时 发 POWER UP 命令 等待 2 倍 TPUD 发地址值为 00 的 SET REC 命令 发 REC 命令 器件便从 00 地址开始录音 一直到出现 OVF 存储器末尾 时 录音停 止 4 指令码 表 3 1 ISD4004 的指令码 指令控制码操作 POWERUP00100 xxx上电 等待 TPUD 后可以工作 SETPLAY11100 xxx从指定地址开始放音 PLAY11110 xxx从当前地址开始放音 SETREC10100 xxx从指定地址开始录音 REC10110 xxx从当前地址开始录音 SETMC11101xxx从当前地址开始快进 MC11111xxx执行快进 直到 EOM STOP0 x110 xxx停止当前操作 STOPWRDN0 x01xxxx停止当前操作并掉电 RINT0 x110 xxx读状态 OVF 和 EOM 注 快进只能在放音操作开始时选择 5 SPI 端口的控制位 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 13 MOSI MISO OO C3C4XC0C2 OVFEOMP0 P15000000 C1XXA15 A0 快进模式 操作是否使用指令地址 电源控制 录 放模式 允许 禁止操作 图 3 3 ISD4004 的 SPI 控制位 6 SPI 控制寄存器 SPI 控制寄存器控制器件的每个功能 如录音 放音 信息检索 快进 上电 掉电 开始 停止操作 忽略地址指针等 表 3 2 ISD4004 的 SPI 控制寄存器 控 制 位 值功能控制位值功能 RU N1 0 允许 禁止操作 开始 停止 PU 1 0 电源控制 上电 掉电 P R 1 0 录 放模式 放音 录音 IAB 1 0 是否使用指令地址 忽略输入地址寄存器内容 使用输入地址寄存器内容 P15 P0行指针寄存器输出M C1 0 快进模式 允许 禁止 A15 A0输入地址寄存器 注 IAB 置 0 时 录 放操作从 A9 A0 地址开始 3 3 2 LM386 芯片简介 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器 主要应用于低电压消费 类产品 为使外围元件最少 电压增益内置为 20 但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外 接电阻和电容 便可将电压增益调为任意值 直至 200 输入端以地为参考同时输 出端被自动偏置到电源电压的一半 在 6 V 电源电压下 它的静态功耗仅为 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 14 24mW 使得 LM386 特别适用于电池供电的场合 LM386 是一种音频集成功放 具 有自身功耗低 电压增益可调整 电源电压范围大 外接元件少和总谐波失真小等 优点 广泛应用于录音机和收音机之中 6 LM386 芯片如图 3 3 所示 特性 Features 1 静态功耗低 约为 4mA 可用于电池供电 2 工作电压范围宽 4 12 V or 5 18 V 3 外围元件少 4 电压增益可调 20 200 5 低失真度 图 3 4 LM386 芯片 引脚说明 1 和 8 为增益引脚 2 为负端输入 3 为正端输入 VSS 为接地 5 为输出 Vdd 为电源 7 为旁路 LM386 内部电路原理图与通用型集成运放相类似 它是一个三级放大电路 第一级为差分放大电路 T1 和 T3 T2 和 T4 分别构成复合管 作为差分放大 电路的放大管 T5 和 T6 组成镜像电流源作为 T1 和 T2 的有源负载 T3 和 T4 信号 从管的基极输入 从 T2 管的集电极输出 为双端输入单端输出差分电路 使用镜 像电流源作为差分放大电路有源负载 可使单端输出电路的增益近似等于双端输出 电容的增益 第二级为共射放大电路 T7 为放大管 恒流源作有源负载 以增大放大倍数 第三级中的 T8 和 T9 管复合成 PNP 型管 与 NPN 型管 T10 构成准互补输出级 二极管 D1 和 D2 为输出级提供合适的偏置电压 可以消除交越失真 引脚 2 为反相输入端 引脚 3 为同相输入端 电路由单电源供电 故为 OTL 电 路 输出端 引脚 5 应外接输出电容后再接负载 电阻 R7 从输出端连接到 T2 的发射极 形成反馈通路 并与 R5 和 R6 构成反 馈网络 从而引入了深度电压串联负反馈 使整个电路具有稳定的电压增益 7 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 15 3 3 3 语音芯片模块电路原理图 STC89C52 和 ISD4004 之间的连接较少 其中 P2 5 接 ISD4004 的片选引脚 SS 控制 ISD4004 的选通与否 P2 3 接 ISD4004 的串行输入引脚 MOSI 从该引脚 读入放音的地址 P2 4 接 ISD4004 的串行时钟引脚 SCLK 对于 ISD4004 芯片所需 要的连接还有音频信号输出引脚 AUDOUT 该引脚通过一个滤波电容与扬声器连接 AMCAP 为自动静音端 使用时通过一个电容接地 此外由于 ISD4004 的工作电压 为 3 伏 而单片机所需供电电压为 5 伏 因此需要采用变压电路得到 3 伏电压供 ISD4004 使用 由于单片机驱动能力不够 在处理音符信号时 需加功率放大装置 因 LM386 芯片具有低功耗 高增益的特点 这合适单片机低功耗输出 所以加装 LM386 音频 信号放大器对信号进行放大 语音芯片模块电路原理图如图 3 5 所示 图 3 5 语音芯片模块电路原理图 3 4 LCD 液晶显示模块 液晶显示器 LCD Liquid Crystal Display 广泛应用于微型计算机系统中 与 LED 相比 具有功率低 抗干扰能力强 体积小 价格低廉等优点 另外 LCD 在 大小和形状上更加灵活 接口简单 不但可以显示数字 字符 而且可以显示文字 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 16 和图形 字符和数字的简单显示 不能满足图形曲线和文字显示的要求 点阵式 LCD 不 仅可以显示字符 数字 还可以显示各种图形 曲线及文字 并且可以实现屏幕上 下左右滚动 动画 分区开窗口 反转 闪烁等功能 用途十分广泛 现在 随着 液晶技术的突破 液晶显示器的质量有了很大的提高 品种也在不断推陈出新 不 但有各种规模的黑白液晶显示器 还有绚丽多彩的彩色液晶显示器 在点阵式液晶 显示器中 把控制驱动电路与液晶点阵集成在一起 组成一个显示模组 可与八位 微处理器接口直接连接 不但使用方便 而且价格也比较便宜 TH12864 液晶显示模组是 128 64 点阵的文字图形型液晶显示模组 内置国标 GB2312 码简体中文字库 16 16 点阵 ASCII 码字符集 8 16 点阵 和 64 256 点阵显示 RAM GDRAM 绘图区域 可与 CPU 直接接口 提供两种界面来连接微 处理机 八位并行及串行连接方式 具有光标显示 画面移位等多种功能 8 3 4 1 组成结构 TH12864 使用 ST7920 作为行驱动器 同时使用 ST7921 作为列驱动器 液 晶显示中应尽量避免一个字符一半在左半屏显示 另一半在右半屏显示的情况 由 于 TH12864 液晶显示器是一种带有输出驱动的完整的液晶显示器 八位微处理器可 直接与其相连 对液晶屏进行行 列驱动 3 4 2 引脚功能 TH12864 液晶显示器有 20 个管脚 分电源线 数据线和控制线 其详细功能如 下 1 电源部分 VDD 电源正极 通常接 5V VSS 电源负极 接 5V 为了简化电路 可直接接地 V0 电源控制端 用来调节显示屏灰度 调节该端的电压 可以改变显示屏字 符 图形的颜色深浅 2 数据线 DB0 DB7 数据总线 双向 3 控制信号 PSB 并口 串口选择信号 接高电平时选择并口 接低电平时选择串口 模块 上一般都有跳线方式将其接高或接低 用户可以不处理 事先须声明是用并口还是 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 17 串口 也可以选择不在模块上处理 而由用户自己选择并口还是串口 RS CS 寄存器选择信号 高电平时为数据操作 低电平时为写指令或读状 态 串行方式下为片选信号 低电平有效 R W SID 读 写选择信号 高电平为读选通 低电平为写选通 串行方式下 作数据线使用 E SCLK 读 写使能信号 在 E 的下降沿 数据被锁存 写 入 ST7921 在 E 为高电平期间 数据被读出 串行方式下作时钟输入 复位信号 低电平有效 当其有效时 关闭液晶显示 使显示起始行为 RST 0 可与单片机相连 由单片机控制 也可直接接 VDD 使之不起作用 BLA 背光源正极 LED 5V BLK 背光源负极 LED0V 9 图 3 6 液晶显示模块电路原理图 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 18 3 5 按键控制模块 3 5 1 按键控制模块电路原理图 按键分为两类 独立式按键和矩阵键盘 独立式键盘是最简单的键盘电路 各个键相互独立 每个按键独立的与一根数 据输入线相连接 任何一个键按下时 通过门电路都会向 CPU 申请中断 在终端服 务程序中 读入对应值 从而判断是哪一个按键被按下 查询时 平时所有的数据 输入线都通过上拉电阻被连接成高电平 当任何一个键被压下时 与之连接的数据 输入线将被拉成低电平 要判断是否有键被压下 只要用位处理指令即可 图 3 7 按键功能模块电路原理图 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 19 第 4 章 系统软件设计 在对我们所要设计的课题有了整体的了解之后 需要先建立程序框架的流程图 对整个设计划分模块 逐个模块实现其功能 最终把各个子模块合理的连接起来 构成总的程序 主程序首先要对整个系统进行初始化 然后将指令传给芯片 设置 按键功能 按下按键 看其对应的按键 完成预期的功能 系统的主流程图如图 4 1 所示 开始 系统初始化 K1 是否 被按下 Y 按键模块 判断按键次数 a 为奇数 N K2 是否 被按下 语音模块录音 Y 语音模块播放 第一站信息 显示模块显示 第一站信息 Y 语音模块播放 第二站信息 显示模块显示 第二站信息 N 结束 图 4 1 主程序流程图 4 1 录音模块设计 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 20 首先是对 SS MOSI SCLK MISO 设定为低电平有效 且串行时钟指令 SCLK 为下降沿触发 然后将上电指令发送给主控芯片 当主控芯片存储了本条指 令 而系统再次调用它的时候 即可实现对 ISD4004 语音芯片通电 往芯片内烧录 语音信息如图 4 2 所示 开始 系统初始化 是否按下 K2 键 录制第一段语音 再次按下 K2 键 录制第二段语音 Y 结束 N 图 4 2 录音模块程序流程图 4 2 放音模块设计 以上已对 SS MOSI MISO SCLK 进行了设定 故我们需要将上电指令发送 给主控芯片 当主控芯片存储了本条指令 而系统再次调用它的时候 即可实现对 ISD4004 语音芯片通电 然后我们将从指定地址开始的放音指令 0XE0 和从当前地 址开始放音指令 0XF0 传送给主控芯片 当芯片调用该指令的时候 语音执行相应 的操作 执行过程如图 4 3 所示 显示模块显示第一站信息 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 21 开始 系统初始化 判断 K1 是否 被按下 Y 判断 a 是否为 奇数 播放第一段录音播放第二段录音 YN N 结束 无操作 图 4 3 放音模块流程图 4 3 显示模块设计 显示模块采用带中文字库的 LCD12864 液晶屏 在主函数调用第一站信息时 显示对应内容 当调用第二站信息时显示第二站对应内容 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 22 开始 系统初始化 判断 K1 是否 被按下 Y 判断 a 是否为 奇数 显示 本站 四方学院 下车请当心 下站 火车站 显示 本站 火车站 下车请当心 下站 铁道大学 YN N 结束 无操作 图 4 4 显示模块流程图 4 4 键盘扫描模块设计 键盘扫描采用的是独立按键 确定有无按键按下并判断是哪一个按键 当检测 到有键按下后 需要去除键抖动 延时一段时间再做下一步的检测判断 识别出是 哪一个键闭合 扫描过程如图 4 5 所示 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 23 开始 系统初始化 是否有键按 下 判断键值 Y 执行对应操作 结束 N 无操作 图 4 5 键盘扫描流程图 第 5 章 系统分析与调试 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 24 本设计是在 Keil C 环境下开发的 Keil C 软件支持 C 语言的编程及调试 运用 方便 是做 C 语言毕业设计者的首选 设计的首要任务是安装和学习使用这个软件 在简单的学习和了解 Keil C 后 我们便可在此环境下开始了对带录音功能的电子琴 的设计工作 在编译完 Keil C 后 再运用 STC ISP V480 软件烧录到开发板上 实 现实物与程序的连接 在烧录前要对 STC ISP V480 进行一些必要的设置 第一步 设置 MCU Type 为 STC89C52RC 第二步 打开编写好并编译的程序文件 它是以 hex 为后缀的文件 第三步 选择对应的 COM 端口 可在我的电脑的设备管理处 查看 COM 选项 第四步 点击 Download 下载 等提示 请给 MCU 上电时 打开开发板上的开关 它就自行烧录了 Keil C 程序运行如图 5 1 所示 图 5 1 keil C 运行图 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 25 图 5 2 程序烧录运行图 在完成对程序的调试及烧录之后 还需要对其进行演示 把开发板与电脑连上 设置好对应的接口 完成供电及下载 按下按键 判断是否为抖动 若不为抖动 则执行按键按下的功能 再判断是为何种按键 是录音键还是播放键 当判断完成 后 对其程序进行执行 当按下录音键则开始录第一段语音 再按下时录制第二段 语音 当按下放音键时 播放第一站信息并显示对应文字 按下第二次时 播放第 二站信息 显示对应文字 实物显示 图 5 3 显示模块显示 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 26 图 5 4 语音模块 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 27 第 6 章 结论与展望 本系统以单片机为核心部件的控制系统 利用软件编程 最终基本上实现了各 项要求 虽然系统还存在一些不足 比如放音时侯噪声比较大等问题 我们尝试了 很多改进的方法 虽然效果不理想 但是 我们还是从中学到了很多的解决问题的 方法 经过近两个月的奋斗 从确定题目 到后来查找资料 理论学习 实验编程调 试 这一切都使我的理论知识和动手能力有了很大的提高 了解了单片机的硬件结 构和软件编程方法 对单片机的工作方式有了很大的认知 同时 对一些外围设备 比如 ISD4004 芯片 LM386 放大器 键盘等有了一定的了解 学会了对一项工程如 何设计 首先 要分析需要设计的系统要实现什么功能 需要什么器件 然后 针 对设计购买相应的硬件 选用硬件时不仅要选用经济的 更重要的是如何能更精确 更方便的完成系统的要求 再次 对各个硬件的软件实现要弄清楚 如何更好的实 现各个硬件的协调 更好的通过主控制器件实现硬件的功能 最后 通过各种测试 与调试 让设计更好的完成系统要求 但因为我们的水平有限 此设计中也存在一定的瑕疵 有待于我们去改善 由于 使用的是单片机作为核心的控制元件 配合其它器件 使本控制系统具有性能良好 电路简单 成本低的特点 如果能加上滤波装置 其效果会更加的良好 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 28 参考文献 1 陈明荧 8051 单片机课程设计实训教材 M 北京 清华大学出版社 2003 2 徐新艳 单片机原理 应用与实践 M 北京 高等教育出版社 2005 3 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉 8051 单片机实践与应用 M 北京 清华大学出版社 2002 4 王千 实用电子电路大全 M 电子工业出版社 2001 5 冯博琴 微型计算机原理与接口技术 M 北京 清华大学出版社 2004 6 张毅刚 MCS 51 单片机应用设计 M 哈尔滨工业大学出版社 2004 7 张淑清 姜万录等 单片微型计算机接口技术及应用 M 国防工业出版社 2003 8 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉 8051 单片机实践与应用 M 北京 清华大学出版社 2001 9 冯博琴 微型计算机原理与接口技术 M 清华大学出版社 2004 10 张毅刚 MCS 51 单片机应用设计 M 哈尔滨工业大学出版社 2004 11 赵亮 侯国锐 单片机 C 语言编程与实例 M 北京 人民邮电出版社 2003 12 王振红 李洋 郝承祥 ISD4004 语音芯片的工作原理及其在智能控制系统中的应用 J 电子器件 2002 年 3 月第 25 卷第 1 期 13 Single Chip Voice Record Playback Devices 4 5 6 and 8 Minute Durations 1990 14 ANALOG DEVICES The technology of AT89C51 EB OL White Paper Spe 28 2000 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 29 致 谢 这次毕业论文能够得以顺利完成 是所有曾经指导过我的老师 帮助过我的同 学对我的教诲 帮助和鼓励的结果 我要在这里对他们表示深深的谢意 首先 要特别感谢我的指导老师 高迎霞老师 高老师在我毕业论文的撰写 过程中 给我提供了极大的帮助和指导 从开始选题到中期修正 再到最终定稿 尚老师给我提供了许多宝贵建议 还有就是在实习阶段 各位实习老师对我的大力 帮助 他们为我的毕业设计尽心尽职 老师渊博的专业知识 严谨的治学态度 精 益求精的工作作风 诲人不倦的高尚师德 朴实无华 平易近人的人格魅力对我影 响深远 不仅使我树立了远大的学术目标 掌握了基本的研究方法 还使我明白了 许多待人接物与为人处世的道理 其次 要感谢所有曾经教我们电子信息的任课老师 老师们教会我的不仅仅是 专业知识 更多的是对待学习 对待生活的态度 再次 感谢我的同学及其他好友 因为有你们的帮助 我的论文得以顺利完成 感谢你们 大学四年给我了那么多的帮助与鼓励 在我不开心的时候 总能让我开 心起来 不会忘记 大学四年里我们一起度过的欢乐时光 那些开心的日子 总是 那么令人难以忘怀 最后对老师 同学再次致以我最衷心的感谢 教导过我的老师 你们的人格魅 力永记我心间 身边的同学和朋友 有你们 我的大学才算完整 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 30 附 录 附录 A 外文资料 Single Chip Voice Record Playback Devices 4 5 6 and 8 Minute Durations GENERAL DESCRIPTION The ISD4003 ChipCorder Products provide highquality 3 volt single chip Record Playback solutions for 4 to 8 minute messaging applications which are ideal for cellular phones and other portable products The CMOS based devices include an on chip oscillator antialiasing filter smoothing filter AutoMute feature audio amplifier and high density multilevel Flash storage array The ISD4003 series is designed to be used in a microprocessor or microcontroller based system Address and contro