公交汉字显示系统设计毕业论文.doc

分类号分类号 编编 号号 题目题目 公交汉字显示系统公交汉字显示系统 硬件部分硬件部分 院院 系系 汽车与电气工程系汽车与电气工程系 专专 业业 电气自动化电气自动化 姓姓 名名 桑建桑建 2012 年 4 月 25 日 毕 业 设 计 任 务 书 设计题设计题目 公交目 公交车汉车汉字字显显示系示系统统 专 业 电气自动化电气自动化 班级学号 200611301 200611301 姓 名 桑建桑建 指导教师 设计期限 2010 年 3 月 1 日开 始 2010 年 5 月 13 日结束 院 系 2010 年 3 月 1 日 电子信息专业毕业设计任务指导书 指导老师 一 毕业论文的目的 通过毕业设计使学生了解和掌握单片机应用系统的数据采集 数据处理技术 了解和掌握汇编语言的程序设计和同硬件电路的结合 了解和掌握单片机硬件电路 的焊接和调试 了解和掌握继电器 报警电路 运算放大器 反馈网络等模拟电路 的分析设计 二 主要内容 一种新型的公交车自动报站系统的设计原理 以 89C51 单片机为核心 控制 ISD4004 语音芯片及 16 16LED 点阵显示模块做汉字显示的新方案 利用 89C51 单 片机作为 CPU 来进行总体控制 通过语音控制电路进行各种提示语音的播放 同时 使用 LED 点阵电路进行汉字显示 实现了公共汽车的语音报站以及汉字提示的功能 三 重点研究问题 语音芯片驱动使用 人机接口技术 语言技术 检测技术 四 主要技术指标或主要设计参数 用 8051 单片机芯片实现完成汉字显示报站基本功能 LED 点阵使用 16 16 点 阵 语音芯片使用 ISD4004 8M 可录制 8 分钟 录放电路简单 用动态扫描法进行 汉字显示 功放电路使用 LM386 负载 8 0 5W 电压增益为 20 录音电路使用 9014 增强录音效果 五 设计成果要求 1 熟悉 Protel KeilC51 Proteus 软件 并用来设计应用系统原理图 2 学习硬件的焊接 安装 组装 单片机仿真器的使用 3 阅读参考资料 文献及论文 提交本设计开题报告 设计方案不少于两种 4 完成设计所需要的编程 硬件电路设计与实现 焊接 5 系统电路测试与交付 六 其他 时间安排 次 序 周次内容 11 2阅读文献资料 23与设计内容相关的学习 讲课 解答 方案分析等 34完成开题报告 45学习 KeilC51 Proteus 软件 单片机原理 56 7设计硬件电路 方案选择论证 68 9实现硬件电路 焊接调试 710 12编程 测试 813撰写论文 914答辩 七 参考资料 1 新编单片机原理与应用 潘永雄 编著 西安电子科技大学出版社 2 模拟电子技术基础 第三版 童诗白 华成英 主编 高等教育出版社 3 数字电子技术基础 第四版 阎石 主编 高等教育出版社 4 汇编语言程序设计 钱晓捷 主编 电子工业出版社 5 preteus 入门教程 6 keil c51 入门教程 开题报告 2010年 3 月 15 日 学生 姓名 学号电子信息工程 题目 名称 公交车汉字显示系统 硬件部分 课题 来源 老师提供 主 要 内 容 设计的主要内容 一种新型的公交车自动报站系统的设计原理 以 89C52RC 单片机为核心 控制 ISD4004 语音芯片及 16 16LED 点阵显示模块做汉字显示的 新方案 利用 89C52RC 单片机作为 CPU 来进行总体控制 通过语音控制电路进 行各种提示语音的播放 同时使用 LED 点阵电路进行汉字显示 实现了公共汽车 的语音自动报站以及汉字提示的功能 如图 1 所示 图 1 系统结构图 主要包括四个部分 语音录放音电路 LED 点阵显示 电源电路 按键控制 电路组成 采取 的主 要技 术路 线或 方法 开发方案和原理框图是由老师引导提供的 具体的电路图和线路组织连接都 是需要自己设计的 整个电路的硬件及功能控制软件是自己设计和编写的 一 单片机芯片 STC89C52RC 单片机芯片采用 40 引脚的双列直插封装方式 40 条引脚如下 1 主电源引脚 Vss 和 Vcc 2 外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 3 控制或与其它电源复用引脚 RST VPD ALE 和 VppPROGPSENEA 4 输入 输出引脚 P0 0 P0 7 P1 0 P1 7 P2 0 P2 7 P3 0 P3 7 P0 口 P0 0 P0 7 是一个 8 位漏极开路型双向 I O 口 在访问外部存储 器时 它是分时传送的低字节地址和数据总线 P0 口能以吸收电流的方式驱动八 个 TTL 负载 P1 口 P1 0 P1 7 是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 I O 口 能驱 动 吸收或输出电流 四个 TTL 负载 P2 口 P2 0 P2 7 是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 I O 口 在访 问外部存储器时 它输出高 8 位地址 P2 口可以驱动 吸收或输出电流 四个 TTL 负载 P3 口 P3 0 P3 7 是一个带有内部提升电阻的 8 位准双向 I O 口 能驱 动 吸收或输出电流 四个 TTL 负载 P3 口还用于第二功能 二 语音芯片 ISD4004 8M ISD4004 系列单片语音录放电路如图 2 所示 1 简述 单片 8 分钟语音录放 内置微控制器串行通信接口 3V 单电源工作 多段信息处理 工作电流 25 30mA 维持电流 1 A 不耗电信息保存 100 年 典型值 高质量 自然的语音还原技术 10 万次录音周期 典型值 自动静噪功能 片内免调整时钟 可选用外部时钟 ISD4004 系列工作电压 3V 单片录放时间 8 至 16 分钟 音质好 适用于移动电 话及其他便携式电子产品中 芯片采用 CMOS 技术 内含振荡器 防混淆滤波器 平滑滤波器 音频放大器 自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列 芯片设计是 基于所有操作必须由微控制器控制 操作命令可通过串行通信接口 SPI 或 Microwire 送入 芯片采用多电平直接模拟量存储技术 每个采样值直接存贮在片 内闪烁存贮器 中 因此能够非常真实 自然地再现语音 音乐 音调和效果声 避免了一般固体录 音电路因量化和压缩造成的量化噪声和 金属声 采样频率可为 4 0 5 3 6 4 8 0kHz 频率越低 录放时间越长 而音质则有所下降 片内信息存于闪烁存 贮器中 可在断电情况下保存 100 年 典型值 反复录音 10 万次 三 LED 点阵电路 利用 74HC138 对 4 块 8 8 点阵进行拼接成 16 16 的点阵 然后通过单片机控 制 进行汉字的显示 电路图如图 3 所示 图 3 LED 点阵电路 四 电源电路 由于语音芯片 ISD4004 的工作电压时 3V 不同于单片机的 5V 工作电压 所以 就必须有电源电路 提供 3V 的稳定电压 本电路才用 LM317 电源电路 5V 进 3V 出的一个稳压电路 很适合于产品电源 利用电容滤波 使语音电路噪声减少 电路图如图 4 所示 图 4 电源电路 预期 的成 果及 形式 采用 STC89CRC52 单片机实现对系统的控制功能 利用语音芯片 ISD4004 8M 进行语音设计及 74HC38 控制点阵显示 通过键盘改变语音芯片工作状态 先录音并存储 然后放音 同时实现自动报站 并同时用点阵进行相关信息显示 最终软件调试功能测验 基本达到了系统的设计要求 时间 安排 第 1 3 周 搜集资料 确定方案 第 4 周 搜集 89C52RC ISD4004 等器件的功能和引脚资料 熟悉单片机一般编 程语言 为后期的设计做前期准备 第 5 6 周 分析功能实现原理 利用 Protel 画出电路图 第 7 8 周 进一步和同组人探讨整个功能实现 包括硬件和软件的结合 用软 件进行仿真测试 第 9 11 周 焊接出实际的电路板 测试 运行 实现功能 第 11 13 周 汇总整个的工作流程 查资料 做论文 准备答辩 指导 教师 意见 签 名 年 月 日 备注 鉴于系统工作的稳定性和精确性 整个电路大都采用了集成电路 虽然这加 大了设计的成本 并给焊接电路带来了小麻烦 但更重要的是这给编程 电路的 复杂度和调试带来了极大的方便 能够很好的增加程控电压源的工作稳定性和精 度 同时由于 16 16 的点阵是由自己亲手焊接 而且是采用的万能板 所以不是 很美观 但是功能基本能实现 摘要 随着时代的进步 公交车已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具 由 于单片机技术以及电子语音技术飞速发展 目前 在公交车报站方面 也由传统的人工 报站 逐渐改变为使用微电脑控制的语音文字报站系统 从以前售票员的大声报站变成 现在的自动语音报站以及汉字提示等新型的报站系统 加快了现代化建设的进程 是国 家自动化交通发展的标志 本文介绍了一种新型的公交车自动报站汉字显示系统的设计原理 同时提供了一种 以 89C51 单片机为核心 控制 ISD4004 语音芯片及 LED 点阵显示汉字的新方案 利用 89C51 单片机作为 CPU 来进行总体控制 通过语音控制电路进行各种提示语音的播放 同 时使用 LED 点阵电路进行汉字显示 实现了公共汽车的语音自动报站以及汉字提示的功 能 实现了图文 语音一体化协调工作 减轻了司售人员的劳动强度 提高了车辆的服 务质量 是一种科技 时尚的新产品 同时它摆脱传统电子屏 线 的束缚 使其应用更 加市场化 其 流动 显示的特点更为广告界所推崇 是一种全新的媒体 ISD4004 语音系列芯片是美国 ISD4004 公司推出的产品 具有多次重复录放 存储 时间长 使用时不需扩充存储器 所需外围电路简单等特点 本系统是以 C 语言来进行软件设计 指令的执行速度快 节省存储空间 为了便于 扩展和更改 软件的设计采用模块化结构 使程序设计的逻辑关系更加简洁明了 使硬件 在软件的控制下协调运作 关键词关键词 89C51 单片机 LED 点阵显示 语音芯片 Abstract With the progress of The Times the bus has become a general applicability and students go to the family transportation Due to the microcontroller technology and electronic voice technology rapidly develope At present in the bus stops also from the traditional artificial stops gradually changing into using the microcomputer control system of bus stop announcement From before the loud voice stops of the conductor to be the new characters suggest and stops system accelerating the process of modernization It s the national symbol of automation transportation development This paper introduces the design principle of a new kind of bus automatic stops display system and provides a new plan to control ISD4004 pronunciation chip and LED dot matrix to display chinese characters by 89C51 mcu Useing 89C51 as CPU to overallcontrol and through the speech control circuit to play various kind speech hint Realizing the bus stops and characters of the voice of function the text voice integration are realized coordinationly too Reduce the labor intensity of sales personnel department improving the quality of bus service It is a kind of new products of technology and fashion At the same time it gets rid of traditional electronic screen line to make its application become more market oriented The characteristics of flow shows is praised highly by advertising it is a kind of new media ISD4004 seriespronunciation chip is the products of ISD company with the charactor of repeated recording long time storage without expanded memory when using and simple circuit of the periphery etc This system based on C language for software design the instruction execute speedly and save storage space In order to facilitate expansion and change the design of software adopt modular structure make the program design of logical relationship more concise make the hardware under the control of the software operation harmoniously Keywords 89C51 MCU LED dot matrix display pronunciation chip 目 录 摘要 VIII Abstract IX 1 绪论 1 1 1 概述 1 1 2 目的及意义 2 2 总体设计的原理与实现 3 2 1 方案论证 3 2 1 1 语音电路方案论证 3 2 1 2 设计系统方案论证 4 2 2 电路原理的总体设计 5 3 硬件部分的设计 7 3 1 硬件组成部分 7 3 2 相关芯片介绍 7 3 2 1 STC89C52RC 单片机芯片 7 3 2 2 ISD4004 语音芯片 8 3 2 3 74HC138 芯片 13 3 2 4 LM317 芯片 14 3 3 硬件各部分设计 16 3 3 1 电源电路 16 3 3 2 LED 点阵显示电路 17 3 3 3ISD4004 语音录放音电路 18 3 3 4 按键控制电路 18 4 软件部分的设计 20 4 1 软件总体设计 20 4 2 软件各模块设计 21 4 2 1 延时子程序 21 4 2 2 ISD4004 语音录放程序 22 4 2 3 中断控制程序 24 4 2 4 LED 点阵汉字显示程序 25 5 系统调试 26 5 1 常见硬件故障调试 26 5 2 软件程序调试 26 5 2 1 调试软件 KeilC51 简介 26 5 2 2 软件程序测试 27 5 2 3 系统电路功能仿真 27 5 2 4 Keil 与 Proteus 对系统联调 28 5 2 5 硬件实现 29 结 论 31 致 谢 32 参考文献 33 附录 外文原文及翻译 34 附录 源程序代码 51 附录 原理图 61 1 绪论 1 1 概述 随着现代社会的建设 公共汽车越来越为大众所喜爱 不仅仅可以在低消费下达到 目的地 同时也能很方便的省去很多的自驾麻烦 是打工族和学生族的常用交通工具 而随着人们使用公共汽车的普遍 车辆上一般都相当拥挤 造成许多的乘客未到站先下 车或者推迟下车的情况 也加重了售票员的劳动强度 随着信息社会的到来 单片机广 泛的应用于工业控制系统 数据采集系统 自动测试系统 声学领域和微机技术等广阔 的领域 而利用单片机对语音芯片进行控制可以达到语音报站的效果 因此 了解并掌 握单片机智能控制技术工作原理及特性是非常重要的 在一些自动语音报站系统中 广泛采用的是通过使用语音芯片进行设计电路 然后 通过 MIC 录音电路以及功放电路进行语音的录制与播放 同时通过单片机对语音芯片进 行选择以及功能的控制 从而完成语音报站 但是由于传统的语音芯片的外围电路比较 复杂 所以实现复杂 易受干扰 不易控制且精度不高 因此 本系统用一种比较昂贵 且现代社会才刚刚常用的一种 ISD4004 系列语音芯片 不需复杂的外围电路和 A D 转换 电路能直接与单片机完成语音的录制和播放 实现方便 精度高 可根据不同需要用于 各种场合 为了提高对语音芯片的认识和了解 尤其是对 ISD4004 系列的深入研究以及 其用法与用途 基于实用 广泛和典型的原则而设计了本系统 本设计基于 ISD4004 芯片设计的公交车汉字显示报站系统 介绍了 STC89C52RC 单片 机语音汉字显示控制系统 主要是通过单片机组成的应用系统来完成对语音的录制以及 播放 汉字的 LED 点阵显示以及语音播放的控制 从而实现了单片机对语音汉字的控制 在正常情况下 通过 ISD4004 对语音报站信息进行播放以及利用 LED 点阵进行相关提示 汉字的显示 ISD4004 芯片采用 CMOS 技术 内含振荡器 防混淆滤波器 平滑滤波器 音 频放大器 自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列 芯片设计是基于所有操作必须由微 控制器控制 操作命令可通过串行通信接口 SPI 或 Microwire 送入 通过单片机对报站 语音进行采集处理 同时设定相关汉字显示信息 当到站按键按下时 该系统会发出到 站站名及相关语音声音 同时让 LED 点阵进行汉字提示信息的显示 报站语音以及汉字 显示结束时等待下一个到站按键的触发 1 2 目的及意义 首先是设计出一种的方便实用的公交车汉字显示报站系统 单片机智能控制技术广 泛地应用于工业控制 智能语音等方面 ISD4004 系列工作电压 3V 单片录放时间 8 至 16 分钟 音质好 适用于移动电话及其他便携式电子产品中 芯片采用多电平直接模拟量存储 技术 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中 因此能够非常真实 自然地再现语音 音乐 音调和效果声 避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和 金属声 采样频率可为 4 0 5 3 6 4 8 0kHz 频率越低 录放时间越长 而音质则有所下降 片 内信息存于闪烁存贮器中 可在断电情况下保存 100 年 典型值 反复录音 10 万次 而本 系统则基本完成了设计的任务要求 通过 STC89C52RC 单片机语音录放控制系统 主要 是通过单片机组成的应用系统来完成对语音的采集 语音的存储处理 提示汉字的显示 以及语音播放的控制 从而实现了单片机对公交车到站的语音汉字显示功能 其次 为了理论联系实际 用大学所学的理论来进行实际工作 将知识转变为生产 力 通过大学本科四年的学习 已经初步具有了一定的分析和设计能力 通过本次设计 将大学所学的知识进行系统地梳理 概括和总结 并综合运用这些所学的知识 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点及实际营运环境 设计了 一种由单片机控制的公交车语音报站显示系统 公交车语音报站显示系统的设计主要是为了弥补人工报站的辛苦以及误报的落后方 式 进站 出站播报站名及相关服务用语 为市民提供更人性化 更完善的服务 2 总体设计的原理与实现 2 1 方案论证 本设计主要是通过单片机组成的应用系统来完成对语音的录制 语音的存储处理 语音的播放以及汉字显示的控制 从而实现了单片机对语音报站汉字显示的控制 语音 录放电路有共同的特点 语音录制播放环境复杂 现场性强等 若采用一般语音芯片采 集语音信号 则需要设计信号调理电路 A D 转换及相应的接口电路 才能把语音芯片输 出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理 这样 由于各种因素会造成语音录放 系统较大的偏差 会使语音系统的稳定性和可靠性下降 所以要选择合适的方案 才能 使设计得到最大的优化 2 1 1 语音电路方案论证 方案一 采用普通的语音芯片 可满足达到报站信息录制以及播放 但普通语音芯片录制语 音效果不好 重复性差 可靠性较差 对于高频率使用以及方便录放时不适用 对一些 语音内容不固定并要求现场录音和放音的系统 采用一般语音芯片实现 录放音的质量 难以控制 而且在语音录放系统中 采用一般语音芯片 比如华邦的 W90P710 系列 HELIOS 公司的 HZ24QP 系列等 但这些芯片输出的都是模拟信号 必须经过进行 A D 转换和 压缩处理等才能送给单片机 从而产生了失真 大大降低了录放音质量 并不具有抗断 电 音质差 使用不方便 不能反复录放 需专用的语音开发工具 不能随意列改内容 和耗电多等缺点 另外 在语音录放系统中 采用普通语音芯片 外围电路会比较复杂 而 且在软件实现时也需要用到复杂的算法 一定程度上也增加了软件实现的难度 方案二 在语音录放系统中 传统的语音芯片是将模拟信号远距离采样进行 AD 转换 而为了 获得较高的语音录放质量 就必须采用措施解决由长线传输及放大电路零点漂移等造成 的误差补偿问题 采用语音芯片 ISD4004 进行语音的录放 直接对模拟信号进行存储 便于单片机处理及控制 省去传统的语音录放的很多外围电路 且该芯片的物理化学性 很稳定 此元件线形较好 对一些语音内容不固定并要求现场录音和放音的系统 采用 一般语音芯片实现 录放音的质量难以控制 美国 ISD Information Storage Devices 公 司的 ISD 系列芯片采用直接模拟存储专利技术 把语音信号以原始的模拟形式直接存储 在片内 EEPROM 存储器中 无需进行 A D 转换和压缩处理等 从而减少了失真 大大提 高了录放音质量 并具有抗断电 音质好 使用方便 可反复录放 无需专用的语音开 发工具 能随意列改内容和耗电省等优点 很适合于现场录放音系统 而且语音录放系 统中 采用普通语音芯片 外围电路会比较复杂 而是用 ISD4004 芯片直接使用简单的外围 电路即可 而且在软件实现时也不需要用到复杂的算法 一定程度上也减轻了软件实现 的难度 采用语音芯片 ISD4004 系列 可以体现系统芯片化这个趋势 部分功能电路的集成 使总体电路更简洁 搭建电路和焊接电路时更快 而且 集成块的使用 有效地避免外 界的干扰 提高语音录放电路的质量以及实用性 所以集成芯片的使用将成为电路发展 的一种趋势 本方案应用这一语音芯片 2 1 2 设计系统方案论证 该系统主要由语音录放和汉字显示两部分组成 下面列举两种实现方案 方案一 语音录放可以使用一般的语音芯片 汉字显示部分则使用比较美观的而且内含相当 多的字模的液晶显示模块 考虑到一般语音芯片存储的是数字信号 所以还要设计相应 的模数转换电路 而模拟信号转数字信号过程中 信号失真是令人伤脑筋的问题 此方 案由于使用液晶显示模块 需要进行其驱动的攥写 并且硬件复杂 如果信号产生失真 都将会导致误差的产生 难以完全清除 而且成本会有较大增长幅度 方案二 使用 ISD 语音芯片和 LED 点阵模块构成 其具有下列特点 具有高的语音录放质 量及实用性 可重复使用 抗干扰能力强 稳定性好 信号易于处理 传送和自动 控制 便于现场录制播放 播放语音显示效果好 安装方便 维护简单 工作可靠性 高 ISD 语音芯片可以采用美国 ISD Information Storage Devices 公司的 ISD4004 系列 芯片 这类芯片采用直接模拟存储专利技术 把语音信号以原始的模拟形式直接存储在 片内 EEPROM 存储器中 无需进行 A D 转换和压缩处理等 从而减少了失真 大大提高 了录放音质量 并具有抗断电 音质好 使用方便 可反复录放 无需专用的语音开发 工具 能随意列改内容和耗电省等优点 很适合于现场录放音系统 比较两个方案后可以发现 方案二更适合于用作本系统的实施方案 尽管方案二不 需要 A D 但考虑到系统扩充等因素 单片机可以选用 STC89C52RC 2 2 电路原理的总体设计 基于 ISD4004 语音芯片的语音报站汉字显示系统的设计研制过程主要包括 总体设 计 硬件设计 软件设计 仿真调试等几个阶段 对于总体设计 主要是画出原理框图 确定出主要技术指标 如图 2 2 1 所示 图 2 2 1 系统总体设计框图 单片机芯片是与 MCS 51 兼容的 STC89C52RC STC89C52RC 单片机带 8K 字节闪烁可编 程可擦除只读存储器的低电压 高性能 8 位微处理器 语音录放电路使用的是 ISD4004 8MS 以及其外围录放电路 外围电路相当简单 由 于其可以进行直接模拟信号的存储 省去了信号模数转换的相关电路 使得信号更加的 稳定 录放音质量好 同时单片 8 至 16 分钟语音录放 内置微控制器串行通信接口 3V 单电源工作 多段信息处理 工作电流 25 30mA 维持电流 1 A 不耗电信息保存 100 年 典型值 高质量 自然的语音还原技术 10 万次录音周期 典型值 自动静噪功能 片内免调整时钟 可选用外部时钟 利用 9014 三极管对录制语音进行放大处理 同时通 过 LM386 及喇叭 对输出语音信号进行放大播放 让语音质量以及稳定性更加高 汉字显示电路采用的是 16 16 LED 点阵显示 一种方法属于静态显示 显然 静态 显示需占用较多的 I O 口线 另一种是动态扫描显示 通过控制各个显示器公共阳极轮 流接高电平的办法 逐一轮流地启动各个 LED 动态显示法是目前各种单片机采用的流行 方法 其优点是硬件简单 动态 由软件实现 因而选用动态显示的方法 电源电路是给语音芯片 ISD4004 提供 3V 稳压电源 利用 LM317 通过电阻分压 输 出稳定的 3V 稳定电源 让语音芯片可以正常的工作 实现语音录制播放功能 按键控制电路完成对语音播放以及汉字显示开始的控制 通过对单片机相关引脚的 高地电平的控制 从而完成对语音芯片的控制 从而达到完成语音报站汉字显示功能 本章节方案比较后可以发现 完成了基于 ISD4004 的语音报站显示的单片机系统的 方案论证 选择了更适合于用作本系统的实施方案 完成了电路的总体设计 3 硬件部分的设计 3 1 硬件组成部分 基于 ISD4004 语音芯片的语音报站汉字显示系统的硬件设计主要包括 1 电源电 路 为语音芯片提供 3V 稳压电源 2 LED 汉字显示电路 完成汉字显示 3 ISD4004 语音录放电路 完成语音录制放音 4 按键控制电路 完成按键控制播放 录音功能 5 单片机 电路的核心系统 五部分组成 具体的电路介绍本部分就先不 进行详细的介绍 在论文的硬件各部分设计中将会对各个部分的电路进行详细的介绍 下面我就先对硬件电路设计中使用的主要器件的技术资料进行相关的介绍 让我们 对硬件进行整体的了解 3 2 相关芯片介绍 3 2 1 STC89C52RC 单片机芯片 STC89C52RC 是 STC 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 8Kb 的可反 复擦写的 Flash 只读程序存储器和 512b 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用高密 度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 STC89C52RC 单片机可为您提供许多高性价比的应 用场合 可灵活应用于各种控制领域 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100000 次 将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 是一种高效微控制器 STC89C52RC 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 如图3 2 1 图 3 2 1 STC89C52RC 管脚图 STC89C52RC有P0 P1 P2 P3四个端口 共有32I O口 P3口也可作为一些特殊功能 口 如下表所示 表 3 1 P3 口的第二功能 口 线第 二 功 能 P3 0RXD 串行数据接收 输入 端 P3 1TXD 串行数据发送 输出 端 P3 2INT0 外部中断 0 输入端 P3 3INT1 外部中断 0 输入端 P3 4T0 定时 计数器 T0 的外部输入端 P3 5T1 定时计数器 T1 的外部输入端 P3 6WR 外数据存储器写选通信号 低电平有效 P3 7RD 外数据存储器读选通信号 低电平有效 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 STC89C52RC 单片机主要性能参数 时钟频率 HZ 0 80M 8Kash 程序存储器 512 内程序存储器 RAM 2 个数据指针 3 个 16 位定时器 计数器 T0 T1 4 个 8 位输入输出接口 P0 P3 共 32 根 I O 口线 8 个中断源 4 个优先级 看门狗电路 3 2 2 ISD4004 语音芯片 Winbond 公司的 ISD 系列语音芯片采用了 直接模拟量存储 DAST 专利技术 信号 无需经过 D A A D 转换 数字压缩和语音合成等复杂的数字信号处理过程 减少了失真 使其声音存贮效果较以前产品有大幅提高 实际试听主观评价可以达到磁带录音机的水 平 是目前市场上录放效果最好的语音电路之一 ISD4004 语音芯片采用 CMOS 技术 内含晶体振荡器 防混叠滤波器 平滑滤波器 自动静噪 音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储陈列等 见图 因此只需很少的外 围器件就可构成一个完整的声音录放系统 芯片设计是基于所有操作由微控制器控制 操作命令通过串行通信接口 SPI 或 Micwire 送入 采样频率可为 4 0kHz 5 3kHz 6 4kHz 8 0kHz 频率越低 录放时间越长 而音质则有所下降 片内信息存于 闪烁存储器中 可在断电情况下保存 100 年 典型值 反复录 10 万次 器件工作电压 3 工作电流 25 30mA 维持电流 1uA 单片录放语音时间 8 16min 音质好 适用于 移动电话机及其它便携式电子产品中 如图 3 2 2 1 图 3 2 2 2 所示 图 3 2 2 1 ISD4004 系列语音芯片内部框图 图 3 2 2 2 ISD4004 系列语音芯片外部引脚图 1 简述 单片 8 分钟语音录放 内置微控制器串行通信接口 3V 单电源工作 多段信息处理 工作电流 25 30mA 维持电流 1 A 不耗电信息保存 100 年 典型值 高质量 自然的语音还原技术 10 万次录音周期 典型值 自动静噪功能 片内免调整时钟 可选用外部时钟 ISD4004 系列工作电压 3V 单片录放时间 8 至 16 分钟 音质好 适用于移动电话及其他 便携式电子产品中 芯片采用 CMOS 技术 内含振荡器 防混淆滤波器 平滑滤波器 音 频放大器 自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列 芯片设计是基于所有操作必须由微 控制器控制 操作命令可通过串行通信接口 SPI 或 Microwire 送入 芯片采用多电平直接 模拟量存储技术 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中 因此能够非常真实 自然地再 现语音 音乐 音调和效果声 避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和 金属声 采样频率可为 4 0 5 3 6 4 8 0kHz 频率越低 录放时间越长 而音质则有所下降 片 内信息存于闪烁存贮器中 可在断电情况下保存 100 年 典型值 反复录音 10 万次 2 引脚描述 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 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 SPI 串行外设接口 ISD4004 工作于 SPI 串行接口 SPI 协议是一个同步串行数据传输协议 协议假定微控 制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿动作 因此对 ISD4004 而言 在时钟止升沿锁存 MOSI 引脚的数据 在下降沿将数据送至 MISO 引脚 协议的具体内容为 所有串行数据传输开始于 SS 下降沿 SS 在传输期间必须保持为低电平 在两条指令之间则保持为高电平 数据在时钟上升沿移入 在下降沿移出 SS 变低 输入指令和地址后 ISD 才能开始录放操作 指令格式是 8 位控制码 加 16 位地址码 ISD 的任何操作 含快进 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 ISD 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 SS 端上升沿开始执行 一 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加 1 指向下条信息的开 始处 二 上电顺序 器件延时 TPUD 8kHz 采样时 约为 25 毫秒 后才能开始操作 因此 用户发完上电指令 后 必须等待 TPUD 才能发出一条操作指令 例如 从 00 从处发音 应遵循如下时序 1 发 POWERUP 命令 2 等待 TPUD 上电延时 3 发地址值为 00 的 SETPLAY 命令 4 发 PLAY 命令 器件会从此 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 1 发 POWER UP 命令 2 等待 TPUD 上电延时 3 发 POWER UP 命令 4 等待 2 倍 TPUD 5 发地址值为 00 的 SETREC 命令 6 发 REC 命令 器件便从 00 地址开始录音 一直到出现 OVF 存贮器末尾 时 录音停止 3 2 3 74HC138 芯片 74HC138 是一款高速 CMOS 器件 74HC138 引脚兼容低功耗肖特基 TTL LSTTL 系列 如图 3 2 3 1 所示 图 3 2 3 1 74HC138 外部引脚图 74HC138 译码器可接受 3 位二进制加权地址输入 A0 A1 和 A3 并当使能时 提供 8 个互斥的低有效输出 Y0 至 Y7 74HC138 特有 3 个使能输入端 两个低有效 E1 和 E2 和一个高有效 E3 除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高 否则 74HC138 将保 持所有输出为高 利用这种复合使能特性 仅需 4 片 74HC138 芯片和 1 个反相器 即可 轻松实现并行扩展 组合成为一个 1 32 5 线到 32 线 译码器 任选一个低有效使能输 入端作为数据输入 而把其余的使能输入端作为选通端 则 74HC138 亦可充当一个 8 输 出多路分配器 未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态 74HC138 与 74HC238 逻辑功能一致 只不过 74HC138 为反相输出 CD74HC138 CD74HC238 和 CD74HCT138 CD74HCT238 是高速硅栅 CMOS 解码器 适合内存地 址解码或数据路由应用 74HC138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短 的数据传输系统 在 高性能存贮器系统中 用这种译码器可以提高译码系统的效率 将快速 赋能电路用于高速存贮器时 译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典 型存取时间 这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计 HC138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件 从 8 个输出端中译出一个 低电平输出 两 个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门 或倒相器 扩展成 24 线译码器不需外接门 扩展成 32 线译码器 只需要接一个外接倒相器 在解调器应用中 赋能输入端可用作数据输入端 功能表如图 3 2 3 2 所示 图 3 2 3 2 74HC138 引脚功能表 3 2 4 LM317 芯片 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路 LM117 LM317 的输出 电压范围是 1 2V 至 37V 负载电流最大为 1 5A 它的使用非常简单 仅需两个外接电阻 来设置输出电压 此外它的线性调整率和负载调整率也比标 准的固定稳压器好 LM117 LM317 内置有过载保护 安全区保护等多种保护电路 通常 LM117 LM317 不需 要外接电容 除非输入滤波电容到 LM117 LM317 输入端的连线超过 6 英寸 约 15 厘米 使用输出电容能改变瞬态响应 调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多 的纹波抑制比 LM117 LM317 能够有许多特殊的用法 比如 把调整端悬浮到一个较高的 电压上 可以用来调节高达数百伏的电压 只要输入输出压差不超过 LM117 LM317 的极 限就行 当然还要避免输出端短路 还 可以把调整端接到一个可编程电压上 实现可编 程的电源输出 特性简介 可调整输出电压低到 1 2V 保证 1 5A 输出电流 典型线性调整率 0 01 典型负载 调整率 0 1 80dB 纹波抑制比 输出短路保护 过流 过热保护 调整管安全工作区保 护 标准三端晶体管封装 电压范围 LM117 LM317 1 25V 至 37V 连续可调 其封装形式如图 3 2 4 1 所示 图 3 2 4 1 LM317 封装 管脚如图 3 2 4 2 所示 图 3 2 4 2 LM317 引脚分布 LM317 工作原理 LM317 的输入最同电压为 30 多伏 输出电压 1 5 32V 电流 1 5A 不过在用的时候要注意功耗问题 注意散热问题 LM317 有三个引脚 一个输入一个 输出一个电压调节 输入引脚输入正电压 输出引脚接负载 电压调节引脚一个引脚接电阻 200 左右 在输出引脚 另一个接可调电阻 几 K 接于地 输入和输出引脚对地要接滤波电容 LM317 应用电路图如图 3 2 4 3 图 3 2 4 3 LM317 应用电路图 当稳压器离电源滤波器有一定的距离是 Cn 是必需的 Cn 对稳定性而言不必要 但改 进瞬态响应 Vout 1 25V 1 R2 R1 IadjR2因为 Iadj 控制在小于 100ua 这一项的误差在多 数应用钟可忽略 3 3 硬件各部分设计 3 3 1 电源电路 由于语音芯片 ISD4004 的工作电压时 3V 不同于单片机的 5V 工作电压 所以就必须 有电源电路 提供 3V 的稳定电压 本电路才用 LM317 电源电路 5V 进 3V 出的一个 稳压电路 很适合于产品电源 利用电容滤波 使语音电路噪声减少 电路图如图3 3 1