车载语音提示系统.doc

浙 江 理 工 大 学信 息 电 子 学 院毕业论文(设计)诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文(设计)，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文(设计)主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。声明人(签名)：年 月 日摘 要随着社会经济的发展和交通运输业日益兴旺，汽车数量在大幅攀升，交通拥挤状况也日趋严重，加上超速驾驶，错误估计车距等主观的原因 ,交通事故频频发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失。针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车预警系统势在必行。当今电子技术的发展日新月异，汽车传感技术是随着汽车电子的发展而发展起来的一种技术。汽车传感器是汽车电子控制系统的输入装置，汽车传感器可对温度、压力、位置、转速、加速度、流量、湿度、电磁、光电、气体、振动等信息，进行实时、有效而准确的测量和控制。为了增强系统的辅助驾驶功能,一种具有语音功能的智能车载语音系统技术快速发展起来, 该系统采用单片机为控制核心, 配以传感器单元、 显示、 扬声器等几个部分，实时对汽车状态进行监控，并在出现告警情况时语音提示驾驶员。本文首先对车载语音提示系统的现状及发展进行了简要描述，然后对传感器电路设计及信号采集原理等进行了分析，在理论分析以及ISD语音芯片分析的基础上，设计了基于AT89S52的单片机，通过传感器采集汽车状态参数，控制ISD4002语音芯片提示报警的车载语音提示系统。由于汽车传感器还要经受来自发动机内部的各种干扰，以及行驶过程中的路况引起的振动，因此我们对传感器的设计要求极为苛刻，传感器必须具有稳定性和精度高、响应快、可靠性好、抗干扰和抗震能力强、使用寿命长等特点。 硬件设计部分主要包括ISD语音芯片外围电路、单片机外围控制电路，信号采集电路（传感器）；软件设计部分主要是语音回放的软件编程。其中信号采集电路的设计和ISD语音器件语音提示报警程序的实现是本次软件设计部分的重难点。 本次设计出的基于ISD语音芯片的语音提示系统具有成本低、音质好、开发周期短，在车载安全系统可以很好的应用。仿真结果表明,该系统设计方案合理可行, 参数实时性好,具有语音清晰、成本低廉、抗干扰性强等特点,可以广泛应用于各种车辆仪表中。关键词：单片机；传感器；语音报警；红外传输；车载AbstractWith the development of social economy , and the prosperity of transportation, there is a big increase in the number of cars.The worsening traffic situation, coupled with excessive speed, the distance miscalculation and other subjective reasons, the frequent occurrence of traffic accidents, result in the inevitable personal casualties and economic losses. To address this situation, the design of a fast response, high reliability, more economical and early-warning system is imperative. This paper firstly gives a brief description of the development and the status quo of car audio voice prompt system.And then the sensor and signal acquisition circuit design principle is analyzed.On the basis of the theoretical analysis and the ISD pronunciation chip,we design a kind of SCM .The SCM which can collect state parameters by sensors is based on AT89S52. It is a car audio voice prompt system which can control ISD4002 speech chip prompt.The part of hardware design mainly includes the ISD pronunciation chip outer periphery circuit, single-chip microcontroller control circuit, signal acquisition circuit.The part of software design consists of the storage of pronunciation and playback software programming. Audio devices of ISD pronunciation is the realization of software design part of the software. The important and diffficult points of this software design is the realization of alarm program of ISD audio devices voice prompt.The design of voice-based ISD voice chip system with low cost, good quality, short development cycle, It would be a very good application in the vehicle safety system.Keywords: SCM; sensor;speech chip;infrared transmission; on-vehicle目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 引言11.2 国内外发展现状21.3 本文研究的内容41.4 论文结构安排4第2章 系统组成及工作原理42.1车载语音提示系统组成52.2车载语音提示系统原理62.2.1语音分解和合成62.2.2汽车用传感器8第3章 系统硬件电路设计思想103.1 信号采集模块设计123.1.1油量(水位)信号采集电路及工作原理133.1.2 车速信号采集电路及工作原理143.1.3 安全带信号采集电路及工作原理153.1.4 倒车安全提示电路及工作原理163.2语音模块电路设计183.2.1 ISD4002芯片介绍183.2.2 ISD4002外围控制电路的设计223.2.3 ISD4002与单片机接口电路设计233.3单片机外围电路的设计243.3.1 AT89S52芯片介绍243.3.2单片机复位电路273.3.3时钟振荡器283.4 系统电源电路的设计29第4章 系统软件设计304.1程序设计思路304.2各模块程序流程图304.2.1主程序流程设计304.2.2 ISD4002语音芯片操作模式314.2.3 报警子程序设计33第5章 系统制作与调试345.1 硬件电路的调试345.1.1 总体特点345.1.2 电路划分345.1.3 焊接355.2 调试35第6章 结论37参考文献38致 谢40附录141附录2425浙江理工大学本科毕业设计第1章 绪论1.1 引言汽车是现代社会发展中的一种重要的交通工具，虽然汽车给现代的生产生活带来了众多的便捷，但与之同时汽车驾驶安全问题日益凸显，其中倒车、超速就是典型。交通事故的发生必然会带来一定程度的经济损失和人身伤害。针对这种现象，开发一套车载语音提示系统显得尤为重要的作用1。本系统可以辅助汽车驾驶者对影响汽车行驶安全的物理状态进行实时监控，在危急情况下提醒驾驶员注意安全, 防止汽车意外事故的发生。如何实时有效监控汽车状态和及时提供语音报警成为我们首要解决问题。汽车传感器技术是汽车电子技术的核心之一。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一，传感器的技术水平决定了汽车控制系统的性能。由于本系统车载使用，要经受来自发动机内部的各种干扰，以及行驶过程中的路况引起的振动，必须要求系统必须具有稳定性和精度高、响应快、可靠性好、抗干扰和抗震能力强等特点。论文中系统模型为车辆安全预警提示系统提供了一套可行的解决方案，系统运用单片机技术与语音芯片及传感器应用技术交叉融合进行优化设计，利用传感器检测汽车在各种运行状态下器件的工作参数，经过数模转换将电信号后送SCM，进而发出指令,控制语音模块实现实时安全语音提示2。其中信号采集模块集信号采集和AD转换为一体，简化了硬件外围电路设计，而且降低了成本，更加经济化。随着系统功能完善，基于安全技术的车载监测系统必将得到更多应用和肯定。1.2 国内外发展现状在车载语音提示系统出现以前，汽车行驶安全问题都得靠驾驶员自己判断。而当今电子技术的发展日新月异，电子技术在车载安全系统被广泛应用并已取代了传统机械提示系统。近30年来,汽车产品发展和技术进步所取得的重大成就几乎每一项都和汽车电子技术的应用相关。可以说，汽车电子化程度的高低已成为衡量汽车综合性能和现代化技术水平的重要标志。自50年代，电子技术开始进人了汽车领域。1958年，已有人研制成功燃油喷射装置，随后又开始研制汽车发动机上的各种电子控制系统。当时主要是电子管产品，因体积大，成本高而未能进人实用阶段。60年代，半导体器件在汽车电子产品中获得应用1960年，美国克莱斯勒公司和摩托罗拉公司共同开发的交越发电机整二极管，选到了大量生产的水平，完全取代了直流发电机，至今仍在采用。不过，近几年已出现雪崩型整流二极管，可避免二极管大电流击穿失效，可靠性得到提高，不久将有可能替代目前用的整流二极管。1964年，美国通用汽车公司和福特汽车公司首先采用晶体管点火装置，1987年实现集成化，但由于成本高，可靠性差，使其推广应用受到阻碍。70年代，微处理器使汽车工业产生划时代的变革。微处理器的出现，才使汽车发动帆的电子控制得到了长足发展。特别是1976年，美国通用汽车公司将微处理器成功地应用在汽车发动机的系统控制上，使传统的机械式结构汽车发生了巨大变化。1973年美国通用汽车公司第一次在汽车上采用电子点火装置以来, 从此，汽车电子技术的发展十分迅速 ,已由少数零部件扩大到许多总成及整车，微处理器在汽车上的应用迅速地发展并普及起来。微处理器的应用范围已由发动机控制系统发展到安全系统、速度控制系统、自动故障诊断系统等。并在向更广泛的应用平台发展。80年代，汽车电子技术迅速发展，微处理器使汽车性能改善、功能增加，引起汽车行业采用电子技术的兴趣，大大推动了汽车电子产品的发展。汽车音响系统 、车载信息系统，电子化仪表显示系统等方面相继开发出一系列新产品。如今,汽车电子产品已广泛应用于发动机、传动、悬架、制动、仪表等系统。今后汽车电子技术发展的重点将是系统模型、电源系统、多通道信息处理系统、汽车电子软件及故障自诊断、智能化技术等3。展望汽车电子技术的发展，现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入一个有本质性提高的新阶段，其中最有代表性的核心器件就是传感器。随着汽车半导体技术的发展，汽车会变得越来越人性化，甚至会实现全部功能的电气化，操作更加舒适、方便、环保，汽车的安全、环保、娱乐等需求推动着汽车传感器市场快速发展。目前,随着国际汽车电子产品市场的成熟 ,带动了还处于发展不成熟阶段的我国汽车电子产业的发展。中国汽车电子产业正快速成长起来,并将成为我国又一个新的独立的支柱产业。我国汽车电子企业现正处于起步发展阶段 ,应用层次落后,与国外差距明显与国外汽车电子产品相比,我国汽车电子产品的应用层次十分落后。虽然我国企业也能自主开发出一些产品，但总体水平与国外相比差别很大,与国际先进水平相比,要落后10 15年。主要差距是在电子控制单元的软硬件、系统的 可靠性和控制精度方面 ,企业的技术主要来源于国外 ,而且虽然某些产品已形成一定的生产能力，但是规模化大生产还未形成4。我国汽车工业起始于50年代，已有近40年历史，以载重汽车为主，国产车型汽车上电子产品的应用比例很小。据悉，1988年每辆日产汽车的电子产品产值为109元， 1984年为130元 ，1985年为169元。无论是电子产品在汽车上的占有率 还是增长率，都远低于美国、日本、欧洲等发达国家。国产车上应用较多曲电子产品限于交流技电机用整流二极管、倒车报警器 、晶体管闪光器、间歇刮水继电器及电压调节器等简单产品。目前此类产品的生产厂家有四、五十家，这些厂家的规模和生产 能力没有一家能形成规模经济，而且产品技术档次 、质量和可靠性与国外同类产品都不可比。尽管目前开发的产品技术水平还不高，真正能提高汽车性能和动力性能的产品还不多，真正达到汽车装车实用要求的产品也不多，但可看出我国汽车电子产品已在悄俏地起步发展了。展望我国汽车电子产品的发展。到2000年我国将要 形成年产170万辆汽车的规模 ，其中轿车的年产量为90万辆。无论是引进车型的国产化还是国产车的电子化都需要大量可靠的、价廉质优的电子产品。可见，我国汽车电于产品具有广阔的市场前景。1.3 本文研究的内容本课题以数字化语音技术的实际应用为背景，阐述了使用单片机控制ISD4002实现语音提示报警，所做的工作主要有以下几方面：(1)概括车载语音提示系统的原理与组成。(2)设计ISD4002语音芯片外围电路、单片机控制电路电路等基本组成部分。(3)设计合理的信号采集电路，红外传输模块。(4)使用C语言编写相应的程序，制作硬件实物，进行调试。基于以上几个方面的内容来研究设计一种基于AT89s52单片机及ISD4002语音芯片的车载语音提示系统。系统硬件设计系统硬件设计主要是完成汽车数据的实时采集、数据传输、语音提示等功能。我们要解决的问题主要包括如何设计合理的传感器电路来采集汽车油量、液位、车速及测距系统的信号；最终将信号采集模块，SCM控制模块，语音报警模块三部分整合为一个整体，使之能正确有效的进行语音报警提示6。1.4 论文结构安排本文将从硬件和软件两个部分进行论述。论文第2章对研究内容作整体性原理阐述，从总体上给该系统所需的理论支持,论述系统组成结构及设计原理。第3章硬件部分重点是信号采集电路的设计和语音芯片及外围电路的设计。信号采集电路设计集信号采集和数模转换为一体，简化系统外围电路。这一章主要论述4个汽车不同部位工作状态参数相对应合适的信号采集电路设计。第4章软件部分重点是ISD4002语音芯片的调试程序。第5章主要是硬件电路焊接及软硬件程序调试。 第2章 系统组成及原理2.1车载语音提示系统组成车载语音提示系统框如图2-1：图2-1 车载语音提示系统总体结构框图车载语音提示系统关键设计包括硬件和软件两部分的设计。硬件设计又包括：信号采集系统，c51单片机控制，报警电路三部分：1信号采集模块：对于汽车不同部位的状态参数，设计了不同电路采集信号，并将信号通过红外模块传输给SCM。2单片机控制中心：对接收到的信号进行分析，满足一定预定值后，产生一个处理信号，触发报警电路报警。 3报警电路:当车速超过一定数值或油量不足时，单片机发出一个信号，触发报警电路（语音提示和警示灯亮）。数字式智能车载仪表的控制核心要求具有强大的数据采集能力，复杂 的计算能力与快速音频处理能力，同时为了适应车辆的恶劣路况环境，还 应具 有稳定性好、抗干扰性要强等点。因此，该系统选用AT89S52单片机作为整个系统的控制核心。AT89S52单片机是将控制功能、数据处理功能以及数字信号处理(DSP)功能集与一身的一种新型单片机，温度传感器与油量传感器所采集的信号可以直接通过单片机的P四个口引脚输入单片机内部进行处理，从而简化了系统的硬件电路，增强了系统抗干扰性能，提高了系统稳定性7。系统传感器单元主要分为安全带传感器、测速传感器、油位和水位传感器、倒车传感器四类。单片机通过这四类传感器来确定车辆的当前车速、油是否用完、倒车安全。2.2车载语音系统原理2.2.1语音分解和合成语音分解与合成理论简介语音信号是随时间变化的连续波形，在数学上表达则为连续时间变量的连续函数。语音信号的处理技术分为模拟信号处理和数字信号处理两大类。模拟信号处理是人们所熟悉的，例如广泛使用的磁带录音机对语音信号的贮存和重放。语音的模拟信号处理技术已相当成熟，但存在灵活性差和不便于计算机控制的缺点。而语音的数字化处理刚好可以克服上述缺点。计算机语音分析是语音分解和合成的基础。语音分析有时域分析、频域分析和语谱分析三种，其中时域分析应用最广，时域波形图的横坐标是时间参数，纵坐标是幅度参数。时域分析比较直观且数字化处理比较容易实现。因此，语音的分解与合成多采用时域分析方法8。（1）语音的编码与译码图2-2 语音编码和译码程（2）采样语音信号的连续波形xa(t)经低通滤波并以适当速率进行采样，得到一个时间上离散而幅度为连续的采样序列x(n)。信号中的最高频谱分量称为奈奎斯特频率。当采样频率至少是两倍奈奎斯特频率时，采样序列是信号的唯一表示。因此，采样器设计的一个重要问题就是确定信号带宽。精确表征语音的采样频率大于20kHz，但仅表征语音的主要特征，采用4kHz的奈奎斯特频率已达到要求。因此，输入信号的低通滤波器的上限频率常定为4kHz。（3）量化为使采样序列x(n)数字化，必须进行量化处理，以得到时间和幅度均为离散的数字序列x.(n)。量化器常用其输出电平数目M来表征。当M使用二进制编码时，有M=2B为量化比特数。评价量化效应时用量化误差，定义为:e(n)=x.(n)-x(n)，其中e(n)为量化误差或噪声，x.(n)为量化后的离散采样序列，x(n)为量化前的采样序列。（4）码化码化是指把经量化的离散采样序列，经代码变换为M个码字，一般常用B位二进制码字。码字用符号c(n)表示。码化器是B位二进制码字，可以表示M=2B个不同的量化电平。它决定了数字信号传送和贮存所需的信息容量。信息容量I=BF，单位为比特/S或称为比特率。F为采样频率。B为比特/采样。采样、量化和码化的过程就构成了语音信号的分解过程，也可以认为是A/D转换和编码。（5）译码译码是码化的逆过程。把一个码字序列c.(n)经译码后变换为量化后的采样序列分x.(n)，如数字信号在传送和贮存过程中未引入误码，就应有c.(n)=c(n)，x.(n)=x(n)，则这个理想的译码器的输出恒等于在语音分解过程中量化后得到的离散采样序列。经D/A转换后就得到了基本特征与原语音信号相同的模拟语音信号。因此，译码和D/A转换的过程就是语音合成过程，把数字量还原为语音信号。语音合成方法主要有三种：波形合成法、参数合成法、音素合成法。对于相同时间段长度的语音信号，波形合成法所需的数据量最大，参数合成法次之，因素合成法所需数据量最小。因此，采用适当的语音合成方法可以大大减少数据量。但应该考虑到，波形合成法所获得的音质是最好的，参数合成法次之，因素合成法所获得的音质最差。编码压缩和变换压缩都属于直接压缩技术，这些方法广泛应用于波形合成法当中。与直接压缩技术相对的是通过建模来压缩。求出表征语音信号的特征参数，如声源、振幅、频率、共振峰频率、频谱等。对语音信源建立模型，将特征参数输入此模型，即可还原为语音信号。此方法应用于参数合成法当中。 2.2.2汽车用传感器车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。车用传感器很多，判断传感器出现的故障时，不应只考虑传感器本身，而应考虑出现故障的整个电路。因此，在查找故障时，除了检查传感器之外，还要检查线束、插接件以及传感器与电控单元之间的有关电路。(1)传感器特性 传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成：1)、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。 2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。 3）、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。(2)传感器的静态特性参数指标 1灵敏度 灵敏度是指稳态时传感器输出量和输入量之比，或输出量的增量和输入量的增量之比，用表示为k=dY/dX2分辨力 传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。 3测量范围和量程 在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。 4线性度（非线性误差） 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。 5迟滞 迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。 6重复性 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。 7零漂和温漂 传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂9 。第3章 系统硬件电路设计思想车载语音提示系统主要应用于汽车行车安全预警提示，系统可利用车载电瓶供电。在汽车发动机点火后，控制部分得电工作，同时报警器打开，汽车安全带语音提示装置的回路导通，控制器驱动喇叭发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，此时控制器开始不停地检测车速信号、安全带信号和油量信号。如果此时只是打开发动机或开启空调系统而未行车（即车速低于某一预定初值，假定10km/h），提示声音持续9 s后停止。当车进入行驶状态且驾驶员未按提示系上安全带，控制器得到车速传感器的车速信号后，车速达到10km/h时持续发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，系上安全带后，安全带插扣插进安全带锁扣，阻断内置开关电路，安全带提示系统电源被断开，从而提示声音停止。此时控制器仍在检测油量、车速信号，当出现告警情况时，控制器重新启动语音告警10。基于此原理，我选择了AT89S52单片机和ISD4002语音芯片来完成此课题。本系统语音部分就是语音存储与回放的应用。语音模拟信号经过采集、离散化、量化、编码变成二进制数据存储。这些数据即语音合成时所需数据的来源。单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样值经D/ A 接口处理,便可使原音重现。然而，上述方法有其的一些不好的地方，比如录放时间短，音质差，人机控制不理想等。所以我采用单片机和ISD语音芯片来完成数字化语音存储与回放系统的制作，从而能够很好的实现语音报警。数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字控制。主要包括为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩；同时，对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰，从而确保了语音回放的可靠质量。ISD4002语音芯片是基于串行SPI接口单片语音芯片，电路采用多电平模拟量直接存储技术，音质比14/25系列更出色，单片录放时间可达216分钟，多芯片级联录放，可延长录放时间，适用于手机录音，公交车报站，及校园广播自动播放，消防及空防报警等场合。ISD 公司的专利技术成功实现了模拟数据在半导体存储器的储存。这种突破性的EEPROM 存储方法可以将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需要经过A /D 或D/A 转换。这种技术产生了两个效果：其一，比同等的数字方式具有更大的集成度；其二，存储的模拟数据不挥发。单片机语音生成过程可看作是语音采集过程的逆过程，但不是像磁带录音机那样原封不动地恢复原来的语音，而是对原来的语音语汇进行可控制、可重组的实时恢复。我们选用的 ISD1400语音芯片简单实用，采用直接模拟量存贮技术，音质好，信息存放在芯片内部FLASHRAM中，抗断电，无需专用语音开发工具，能随意更改内容和耗电省，既提高了存储密度，又使模拟数据可以得到永久保存。本系统中芯片采用边缘触发方式放音，ISD4002语音芯片是基于串行SPI接口单片语音芯片，音质比14/25系列更出色，适用于手机录音，车载语音预警等场合11。本文设计车载语音提示系统硬件电路主要包括：(1) 信号采集电路和传输模块电路，(2) ISD4002外围电路的设计，(3) ISD4002与单片机接口电路的设计，(4)单片机外围电路的设计等。下面将对以上内容进行详细论述。系统设计原理图，见附录1。3.1 信号采集模块设计目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等。车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的9。当车速高于100km/ h时，一般测量方法误差较大，且费用昂贵，为此我们开发一些廉价实用的信号传感器。我设计的信号采集模块电路主要通过LM339比较器实现。图3-1 LM339管脚排列图LM339电压比较器的特点和一些参数：1）电压失调小，一般是2mv；2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）LM339 vcc电压范围宽，单电源为2-36v，双电源电压为1V-18v；5）输出端电位可灵活方便地选用。6）差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc；LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器。LM339集成块采用C-14型封值装，图3-1为外型及管脚排列图。LM339使用灵活，应用广泛。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值12。3.1.1油量(水位)信号采集电路及工作原理油量（水位），安全带信号采集电路设计，如图：图3-2 油量（水位）信号传感器电路行车过程中单片机控制器一直监测油量传感器信号。邮箱油位改变时，会使滑动变阻器阻值发生变化，从而改变比较器输入端电压。当邮箱油位低于我们事先设好的预定值，比较器输出管输出一个低电平，通过红外传给单片P2.1口，由单片机控制发出处理指令，触发报警电路，指示灯亮，并语音提示驾驶员油量已到达警告位置。比较器输入端参考电压U=R22/(R22+R23)*Vcc，调节 R22的值来改变比较器门限电压，既设定我们所需要的预警值。主控芯片实时检测油量信号，每6个脉冲计数一次，若油量持续低于预警值，则产生出发报警电路。这样可以避免因车子倾斜而造成系统油量预警误报13。这种油量传感器简单实用，改变了传统油量传感器靠摆臂的弧线运动为浮子的直线运动，很好的适应了邮箱的不规则形状，并且油量传感器和液位报警传感器合在一起。3.1.2 车速信号采集电路及工作原理下图是本人设计的车速信号采集电路设计，主要是采用红外计数的方法来实现。红外对管主要包括红外发射二极管和红外接受二极管组成，它们之间传输为点对点传输，当它们之间没有障碍物时，红外计接受二极管导通，否则为截止，就由这个特性就可以通过单片机控制，从而达到计脉冲周期的功能。设计电路图如下所示：图3-3车速信号传感器电路图3-3中send端为红外发射二极管，正端串联一个小电阻接5V电源，另一端接地。通电后，send端则一直在发射信号。Receive端为接受二极管，它负端接5V电源，正端接2K电阻到地，运放LM339在这里起到比较器的作用。RK为电位器，调节运功反向输入端的基准电压，即比较电压，接受二极管的电压信号从同相输入端进来，运放由单电源供电，10K为上拉电阻用来提升输出高电平。工作原理是：当没有障碍物时，receive接受二极管输出为高电平，通过比较器，在LM339的2端输出为高电平，反之则低电平，把这个信号输入到单片机P2.2中,单片机完成计数处理14。待汽车启动1分钟后接通此模块电源，模块开始工作，电源由车载电瓶提供。单片机采用速度脉冲周期测量法,车速信号读入过程采用终端方式读每个脉冲周期，然后根据车速脉冲数和车轮直径算出车速。此电路测速部分与A/D转换结合在一起，这样设计减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。3.1.3 安全带信号采集电路及工作原理图3-4 安全带信号采集电路图3-4中，K6为分别安装在安全带锁扣内。汽车点火时，电路通电开始工作，A、B导通，比较器输出低电平传至单片机P2.3口，单片机控制ISD4002输出语音“请系上安全带”提醒驾驶员；系上安全带时，锁扣断开开关处时，比较器的一个输入端电压变低，比较器LM339输出低电平给单片机，关闭安全带提示装置的控制器，停止声音15。当驾驶员进入驾驶室并打开点火钥匙，控制器开始工作，汽车安全带声音提示装置的回路导通，控制器驱动喇叭发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，此时控制器在不停地检测车速。当车进入行驶状态且驾驶员未按提示系上安全带，控制器得到车速传感器的车速信号后，音箱在达到预定初值的车速时发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带16。3.1.4 倒车安全提示电路及工作原理现代测距方式有4种:超声波测距、毫米波雷达测距、激光测距、红外线测距. 超声波测距采用回波测距法,超声波发生器不断地发射出 40千赫兹超声波脉冲串,该超声波脉冲遇到障碍物后即反射回反射波,超声波接收器接收到反射波信号后,根据超声波脉冲来回所用的时间及超声波在空气中的传播速度,经运算处理电路处理,从而自动测出车与障碍物之间的距离。超声波的特点是对雨、雾、雪的穿透力强、衰减小 , 因此超声波测距系统可以在雨雪、大雾等恶劣天气下工作。超声波测距的原理简单、制作方便、成本低。目前超声测距技术一般应用在汽车倒车避撞方面。在倒车过程当中,可实现对汽车尾部数米以内障碍物和突然闯入危险区域内行人的自动探测 , 并警告、提示司机采取措施17。图3-5 超声波测距系统框图毫米波测距系统工作在毫米波段。毫米波雷达与其他系统(如超声波、激光)相比,具有显著的优点。它不但可以探测目标的距离 , 而且还可以测定相对速度和方位。尤其在雨、雪、雾天气恶劣环境下优点更为突出。但毫米波测距系统电路复杂、价格相对较高。考虑到我国的实际国情 , 本系统没有采用毫米波测距方法。激光测距系统是一种光学雷达 , 它具有测量时间短,测距远,误差小、分辨力高等优点,且价格适中,考虑到多方面的因素,我们在研制汽车防碰撞报警系统时,选择了激光测距法来及时连续精确地测量行驶中的车辆前方障碍物的距离。因为倒车时速度较慢等因素，对传感器的探测距离要求较低，距离分辨率为 3 m ，以上测距技术均能够满足倒车碰撞报警系统的测程要求。通过比较，本系统使用红外测距。如果后方障碍物的距离太近,系统发出报警声,提醒驾驶员采取措施进一步的开发还可以完成自动减速刹车的作用。而且红外线测距是效果好、无污染、成本低的测距方式。图3-6 倒车安全提示系统组成示意图红外测距系统工作时，红外线发射器不断发射出频率为40 kHz的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差 t ,即可求出距离 s :s = ct/2 (3-1)式中 , c 为光速度 ,一般取3 108m/s 。本文采用“计数”方式，通过单片机处理进行测量，其基本原理是:红外线发射器始终处于发射红外线的状态，当红外接收器第一次接收到障碍物反射回的红外线时，经电路处理单片机给出一个计数启动信号，单片机的计数器开始以一定频率计数；当红外线接收器第二次接收到反射回的红外线时，经电路处理单片机给出一个停止计数脉冲，计数器停止计数。通过编程，单片机自动处理 ,用脉冲的周期 T 乘以脉冲数 n 就得到发射红外线到接收红外线的时间差t ,即: t = nT (3-2)代入(3-1)式就可以测得距离16。当物体距离少于1.2m时，系统报警。3.2语音模块电路设计本系统研究的是车载语音提示系统，是司机安全行车过程中的语音报警系统，关乎驾驶员的人生安全，为保证系统稳定可靠，我们在对元器件选择上必须要求灵敏度高，能适应较恶劣环境。经过分析考虑，本系统使用ISD4002语音芯片。3.2.1 ISD4002芯片介绍图3-7 ISD4002芯片图3-7为ISD4002的管脚图。电路采用多电平模拟量直接存储技术，音质比14/25系列更出色，单片录放时间可达2-16分钟，多芯片级联录放，可延长录放时间，适用于手机录音、公交车报站、车载语音报警、等场合18。工作电压3V,单片录放时间2至6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19。 （1）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,而去耦电容应尽量造近器件。 地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。几个VSSA尽量在引脚焊盘上相连,并用低阻通路连至电源上,VSSD也用低阻通路连至电源上。这些接地通路要足以使VSSA与VSSD之间的阻值小于3。串行输出(MISO)：ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端口呈高阻态。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) 本端口为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端口变低并保持。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末尾。 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。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）：本端口内部有下拉元件。芯片内部的采样时 钟在出厂前已调校,误差在+1%内。 （2）SPI(串行外设接口) ISD4002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ISD4002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：1.所有串行数据传输开始于SS下降沿。2.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。3.数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。4.SS变低,输入指令和地址后,ISD才能开始录放操作。 5.指令格式是(5位控制码)加(11位地址码)。6.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。7.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)。8.所有操作在运行位(RUN)置1时开始,置0时结束。9.所有指令都在SS端上升沿开始执行18。（3）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。 （4）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POWER Up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从处发音,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7。表3-1ISD33000系列操作一览表指令 控制(5位),地址(10位)操作说明POWERUP00100(XXXXXXXXXXX)器件上电，TPUD(约25ms)后进入待命状态RECPWR10100(XA9A0)上电后从一个地址开始录音STOPPWRD0X0XX(XXXXXXXXXXX)停止本次操作并进入省电状态STOP0X1XX(XXXXXXXXXXX)停止录音或放音操作PLAYPWR11100(XA9A0)上电后从一个地址开始放音RECD10110(XXXXXXXXXXX)从下一个地址开始录音PLAYMC11101(XA9A0)从指定A9A0地址开始放音和信息快速检索PLAYMCD+11111(XXXXXXXXXXX)在下一个地址开始放音和信息检索PIAYDD11110(XXXXXXXXXXX)在下一个地址放音(忽略地址位）RINT0X100(XXXXXXXXXXX)读出中断状态：OVF(溢出)或EOM3.2.2 ISD4002外围控制电路的设计图3-8 ISD4002语音提示部分电路图3-8为ISD4002语音芯片及外围电路，包括ISD4002语音芯片，LM386放大器，喇叭。ISD芯片SCLK管脚接单片机P1.0口，由主控制器AT89S52产生时钟信号,用于同步MOSI和MISO的数据传输。电路中元器件主要包括：麦克风、扬声器（喇叭）、少数电阻、电容，再加上电源， 这样就构成了一个语音播放系统。其他的功能块包括内部时钟、前置放大器、滤波器、自动增益控制器(AGC)、功率放大器、控制逻辑和模拟存储器全部都做在芯片上19。3.2.3 ISD4002与单片机接口电路设计ISD4002与SCM接口电路是系统控制信号的传输接口，如图3-9所示图3-9 ISD4002与SCM接口电路ISD4002与单片机以串口方式相连，P1.0控制ISD4002的片选端，P1.1串口控制时钟，P1.2串口输入端，P1.3为串口输出端，P3.2与ISD4002中断标志位相接。当ISD4002的第一脚SS为低电平时，选中该芯片工作，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。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,INT变低并保持。该信号输入到单片机中用来控制放音，中断状态在下一