基于单片机的公交车自动报站器的设计.doc

设计题目：设计题目： 基于单片机的公交车自动报站器的设计 设计要求：设计要求： 设计进度要求：设计进度要求： 第一周：确定设计题目,查找、搜集相关资料。 第二周：对学院供电系统进行调查、了解、熟悉。 第三周：收集公交报站器的相关资料 第四周：列出论文写作提纲。 第五周：对自动报站器进行设计。 第六周：完成论文，将论文与实际情况进行论证。 第七周：整理论文，对论文进行排版、修改。 第八周：撰写论文，准备答辩。 摘摘 要要 供交车已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具， 目前公交车上采用的公交报站系统具有语音和显示报站的基本 功能，但由于报站时采用司机手动切换，一方面增加了司机的 劳动强度，另一方面由于司机的误报或漏报，造成乘客误下或 漏下，对于公交运营产生了很大负面影响，更会对乘客造成很 多不必要的影响。为此，研究公交车自动报站系统是非常必要 的。 本课题主要研究的是基于 AT89C51 的公交车自动报站系统， 该系统在公交车到站前语音报站，并且有 LED 数码管显示，到 总站时公交车可向总站发送到站信息，方便总站安排公交车次。 本课题要求设计一公交车自动报站系统，以实现公交车的语音 自动报站，即在进站、出站时候自动播报语音提示信息及服务 用语，同时利用 LED 点阵电路进行汉字显示。本设计要求利用 AT89C51 作为主控芯片完成主控电路的设计，辅助电路要求包 括语音电路、汉字点阵显示电路、电源电路等。 公交车报站系统主要由四个部分组成，即主控电路、脉冲 检测电路、语音电路以及 LED 点阵汉字显示电路。 关键词关键词 自动报站，80C51 单片机，语音芯片、LED 目目 录录 1 1 概述概述 1.1 课题研究的背景及意义 .2 1.2 报站器的动态发展趋势 .2 1.3 设计的主要目标任务 .3 1.4 技术指标 .3 2 2 硬件电路的设计硬件电路的设计 2.1.1 关于 AT89C51 单片机 .5 2.1.3 复位电路的设计 .6 2.1.3.2 上电复位 .7 2.1.3.3 复位后寄存器的状态 .8 2.2 脉冲检测电路的设计 .14 2.2.1.1 霍尔器件的分类 .15 2.2.1.2 工作磁体的设置 .16 2.2.3 脉冲检测电路的设计 .17 2.3.1 关于语音芯片 .20 2.3.1.2 语音芯片 ISD4004.21 2.3.2 录音、放音电路的设计 .22 2.3.2.1 功放电路的设计 .23 2.3.2.2 录音电路的设计 .24 2.4 LED 显示电路的设计.25 2.4.1.1 发光二极管特性 .26 2.4.1.2 LED 显示器.27 2.4.2 6116 芯片简介.29 2.4.2.1 芯片引脚排列图 .29 3 3 软件设计软件设计 3.1 主控程序的设计 .31 3.1.2 程序清单 .32 3.2.1 流程图 .35 1 概概 述述 随着科学技术的日益发展和进步, 无人售票公交车在街头多起来了，语音 报站器也被广泛使用，这在相当大的程度上免除了乘务人员沿途报站的麻烦， 给许多不熟悉公交线路的乘客带来了方便。 1.11.1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 系统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 公交车自动报站。 公交车自动报站器的设计主要是为了弥补改变传统语音报站器必须有司机 操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，为市民提供 更人性化，更完善的服务。 1.21.2 报站器的动态发展趋势报站器的动态发展趋势 公交车报站器在公交事业中占有举足轻重的地位，它直接影响到公交车的 服务质量。目前公交车报站有三种方式，一种是利用 GPS 全球卫星定位系统的 公交车报站系统，在司机座位后面隔板上，安装了一台 15 英寸的液晶电视和 GPS 信号接收器，安装了这套设备后，公交车在语音报站的同时，通过液晶电 视还可以显示到站站名的字幕，这样如果没听清报站的话，通过显示屏，乘客 也可以一目了然。当出现紧急情况时，调度中心将会给公交车发出相应的信息， 以短信的形式传送到显示屏上，同时车载台会发出相应的提示音；驾驶员也可 以通过相应的工具进行回复。目前在美国部分城市 GPS 卫星定位系统已经投入 使用，国内也有此类产品的研制开发，其功能强大，系统稳定，但其投资昂贵， 尤其是一些中小城市无法承受。另外两种是手动电子报站和人工报站的方式， 而它们都离不开司务人员，加大司乘人员的工作强度。手动电子报站一般有司 机或者乘务员控制，经常出现错报，误报的情况。 城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。提供舒适，安全、便捷的 乘车环境，对于公交企业来说，不仅是应尽的责任，亦是不断追求的目标。 1.31.3 设计的主要目标任务设计的主要目标任务 本课题要求设计一公交车自动报站系统，以实现公交车的语音自动报站， 即在进站、出站时候自动播报语音提示信息及服务用语，同时利用 LED 点阵电 路进行汉字显示。本设计要求利用 AT89C51 作为主控芯片完成主控电路的设计， 辅助电路要求包括语音电路、汉字点阵显示电路、电源电路等。 1.41.4 技术指标技术指标 工作电压 24V 静态功耗 6W 音频输出 10W 信噪比 34DB 系统容量 可容纳 300 个站点信息和 8 分钟语音广告信息 环境温度 -3080 最大广告条数 100 条 参考文献参考文献 1 公交车站自动报站器的设计，对车轮轴的转角的脉冲进行计数，将计数值 与预置值对比，即可确定报站时刻，达到准确自动的目的。以 AT89C51 为主控芯片， 对外来脉冲计数，结合语音芯片 ISD4004 输出语音。系统由脉冲检测、脉冲计数、 CPU 控制、控制信号、语音芯片、输出显示等组成。原理框图如图 21 所示。 图 21 原理框图 1. 脉冲检测：该系统关键是对转轴所转过的圈数进行计数，考虑到车辆将在复 杂的 环境中运行，故采用可靠的霍尔元件 DN6848 作为信号的采集装置，再经光电 耦合器 4N25 输入给单片机。 2. 脉冲计数：光电耦合器的信号进入 C51 后，采用中断方式对脉冲计数。外部 晶振 12MHz。 3. CPU 控制：程序中将计数值于预置值进行比较，判断是否到站，当到站时就 输出信号控制语言芯片进行报站。 4. 控制按键：用于手动控制、手动调整、预置值的输入等 5. 语言芯片：由专用语音芯片 ISD4004 组成，可擦写，便于在不同公交线上使 用。 6. 输出显示：LED 点阵汉字显示。 7. 预置存储：采用两种方式存储，一种是在烧写器上将数据写入，另一种是在 车上，单片机处于输入状态，车辆行驶一遍，将站与站之间的脉冲数写入片内。 语音芯片 控制信号 脉冲计数 CPU 控制输出显示 放音电路 脉冲检测 2 2 硬件电路的设计硬件电路的设计 公交车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 以及 LED 点阵汉字显示电路。各部分电路的设计在本章中做了详细的说明。 2.12.1 主控电路的设计主控电路的设计 2.1.12.1.1 关于关于 AT89C51AT89C51 单片机单片机 AT89C 单片机的结构框图如图 31 所示。它主要由下面几个部分组成：1 个 8 位中央处理单元（CPU） 、片内 Flash 存储器、片内 RAM、4 个 8 位的双向可寻址 I/O 口、1 个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行接口、2 个 16 位的定时器 /计数器、多个优先级的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。在 AT89C 单片机结构中，最显著的特点是内部含有 Flash 存储器，而在其他方面的结构，则 和 Inter 公司的 8051 的结构没有太大的区别。 图 31 AT89C 单片机的结构框图 CPU 中断控制 振荡器 片内 Flash 存储器 总线控制 片内 RAM 4I/O 端口 ETC 定时器 1 定时器 0 串行端口 外部 中断 P0 P2 P1 P3 地址/数据 TXD RXD 计数器 输入 2.1.1.12.1.1.1 主要性能主要性能 1. 与 MCS-51 兼容 2. 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 次写/擦循环 数据保留时间：10 年 3. 全静态工作：0Hz-24Hz 4. 三级程序存储器锁定 5. 128*8 位内部 RAM 6. 32 可编程 I/O 线 7. 两个 16 位定时器/计数器 8. 6 个中断源 9. 可编程串行通道 10. 片内振荡器和时钟电路 另外，AT89C51 是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到 0Hz，并提供两 种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode） 。在空闲方式中，CPU 停止工作，而 RAM、定时器/计数器、串行口和中断 系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一 切功能都暂停，故只保存片内 RAM 中的内容，直到下一个硬件复位为止。 2.1.1.22.1.1.2 引脚功能说明引脚功能说明 AT89C51 引脚图如图 32 所示。 图 32 AT89C51 引脚图 VCC：供电电压。VSS：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 8 个 TTL 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/地址的低八位。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。 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。作为输入，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 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（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。 6 2.1.22.1.2 振荡器电路的设计振荡器电路的设计 89 系列单片机的内部振荡器电路如图 33 所示，由一个单级反相器组成。 XTAL1 为反相器的输入，XTAL2 为反相器的输出。可以利用它内部的振荡器产生 时钟，只要在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接一个晶体及电容组成的并联谐振电路， 便构成一个完整的振荡信号发生器，如图 35 示，此方法称为内部方式。 另一种使用方法如图 34 示，由外部时钟源提供一个时钟信号到 XTAL1 端输 入，而 XTAL2 端浮空。在组成一个单片机应用系统时，多数采用图 35 所示的方 法，这种方式的结构紧凑，成本低廉，可靠性高。 振荡器的等效电路如图 35 上部所示。在图中给出了外接元件，即外接晶体及 电容 C1，C2，并组成并联谐振电路。在电路中，对电容 C1 和 C2 的值要求不是很 严格，如果用高质的晶振，则不管频率为多少，C1，C2 通常都选择 30pF。有时， 在某些应用场合，为了降低成本，晶体振荡器可用陶瓷振荡器代替。如果使用陶瓷 振荡器，则电容 C1，C2 的值取 47pF。 图 33 AT89C51 单片机内部振荡器电路 图 34 外部时钟接法 XTAL2 XTAL1 GND NC CMOS 门 外部振荡信号 XTAL1XTAL2 89 系列单片机 GND 内部定时 VCC /PD Rf 石英晶体或 陶瓷振荡器 C1 C2 XTAL2XTAL1 内部定时 /PD 400 D1 D2 Q1 Rf Q2 VCC Q3 Q4 通常，在单片机中对所使用的振荡晶体的参数要求如下： ESR（等效串联电阻）：根据所需频率按图 36 选取。 C0（并联电容）：最大 7.0pF。 CL（负载电容）：30pF+3pF。 通常，其误差及温度变化的范围要按系统的要求来确定。 图 36 ESR 与频率的关系曲线 在本设计中，采用的是内部方式，即如图 35 所示，在 XTAL1 和 XTAL2 引 脚上外接一个 12MHZ 的晶振及两个 47pF 的电容组成。 2.1.32.1.3 复位电路的设计复位电路的设计 89 系列单片机与其他微处理器一样，在启动的时候都需要复位，使 CPU 及系 统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。89 系列单片机的复位信号 是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且 振荡器稳定后，如 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期（24 个振荡周期） ， 则 CPU 就可以响应并将系统复位。复位时序如图 37 所示，因外部的复位信号是 与内部时钟异步的，所以在每个机器周期的 S5P2 都对 RST 引脚上的状态采样。当 在 RST 端采样到“1”信号且该信号维持 19 个振荡周期以后，将 ALE 和/PSEN 接 成高电平 ，使器件复位。在 RST 端电压变低后，经过 1-2 个机器周期后退出复位 状态，重新启动时钟，并恢复 ALE 和/PSEN 的状态。如果在系统复位期间将 ALE 600 500 400 300 200 100 0 4 8 12 16 和/PSEN 引脚拉成低电平，则会引起芯片进入不定状态。 图 37 内部复位定时时序 2.1.3.12.1.3.1 手动复位手动复位 手动复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平。一般采用的办法是在 RST 端和正电源 VCC 之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则 VCC 的+5V 电平就会直 接加到 RST 端。由于人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，保证能 满足复位的时间要求。手动复位的电路如图 38 所示。 | S5 | S6 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S1 | S2 | S3 | RST： INST ADDR INST ADDR INST ADDR INST ADDR INST ADDR INST ALE ： /PSEN： P0 ： 11 振荡周期 19 振荡周期 Vcc AT89C51 RST GND 8.2k 10uF + Vcc 图 38 手动复位电路 2.1.3.22.1.3.2 上电复位上电复位 AT89C51 的上电复位电路如图 39 所示，只要在 RST 复位输入引脚上接一电 容至 VCC 端，下接一个电阻到地即可。对于 CMOS 型单片机，由于在 RST 端内部 有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至 1uF。 上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给 RST 端一个短暂的高电平 信号，此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而逐渐回落，即 RST 端的高电平信 号必须维持足够长的时间。 上电时，Vcc 的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如 晶振频率为 10MHz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1MHz，起振时间则为 10ms。 在图 38 的复位电路中，当 Vcc 掉电时，必然会使 RST 端电压迅速下降到 0V 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外， 在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。 如果系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器 PC 中将得不到一个合 适的初值，因此，CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 图 39 上电复位电路 2.1.3.32.1.3.3 复位后寄存器的状态复位后寄存器的状态 当系统复位时，内部寄存器的状态如表 31 所列，即在 SFRS 中，除了端口锁 存器、堆栈指针 SP 和串行口的 SBUF 外，其余的寄存器全部清 0，端口锁存器的复 位值为 0FFH，堆栈指针值为 07H，SBUF 内为不定值。内部 RAM 的状态不受复位 的影响，在系统上电时，RAM 的内容是不定的。 Vcc AT89C51 RST 8.2k 10uF + Vcc GND 表 31 各特殊功能寄存器的复位值 专用寄存器复位值专用寄存器复位值 PC0000HTCON00H ACC00HB00H PSW00HSP07H DPTR0000HP0-P3FFH IP 00000B IE 000000B TMOD00HTH000H TL000HTH100H TL100HSCON00H SBUF不定PCON（CHMOS） 00000B 在本设计中复位电路采用的是上电复位，即如图 39 所示。 2.1.42.1.4 电压变换电路的设计电压变换电路的设计 公交车上所使用的电源电压为 24V，而 AT89C51 芯片的工作电压为 5V，所以 需要将 24V 的电压转换成 5V 电压。设计中采用了三端固定正电压集成稳压器 7805，来得到+5V 稳定电压。电压变换电路如图 310 所示。 集成稳压器是指将不 稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、 工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得 到了普遍的应用。常用的集成稳压器有：金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、 带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三端 固定输出稳压器。 78xx 系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输 出电压有 5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 等规格，最大输出电流为 1.5A。它 的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基 准电压源，工作稳定可靠。根据输出电流值的不同，选用不同系列的芯片，当电 9 流小于 100mA 时，可以选用 78L00 系列；当电流在 0.5A 以内时，可选用 78M00 系 列；当电流在 1.5A 以内，应选用 7800 系列的芯片。7805 的最大输出电流为 1.5A。 1 2 7805 0.33uF 3 0.1uF 24V + +5V + 图 310 电压变换电路 2.22.2 脉冲检测电路的设计脉冲检测电路的设计 2.2.12.2.1 霍尔器件简介霍尔器件简介 霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有 关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，她们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方 便，功耗小，频率高（可达 1MHZ） ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污 染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形 清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 um 级） 。取用了各种补偿和保护措 施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55150。 按照霍尔器件的功能，可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出 模拟量，后者输出数字量。 按照被检测的对象的性质，可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是 直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁 场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例 如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转 速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 2.2.1.22.2.1.2 工作磁体的设置工作磁体的设置 用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工 作磁场。例如，用一个 542.5（）的钕铁硼号磁钢，就可在它的磁极表面 3 mm 上得到约 2300 高斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下 降。为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作 气隙的长度。在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电 路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将 霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。 工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断。 霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的 NPN 晶体管，其使用规则和任 何一种相似的 NPN 开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几 nA， 可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电 压（即规范表中规定的极限电压） 。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。 因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过 最大允许值（一般为 20mA） ，以免损坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降 也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压 （或逻辑“零” ）是兼容的。 以与发光二极管的接口如图 311 所示，对负载电阻器的选择作一估计。若在 Io 为 20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流） ，发光二极管的正向压降 VLED=1.4V，电源电压 VCC=5V，所需的负载电阻器的阻值 0 51.4 180 0.02 CCLED VVVV R IA （3.1） 图 311 霍尔开关与发光二极管 X +5V R .2.2. 3232 光电耦合器简介光电耦合器简介 光电耦合器是一种电信号的耦合器件，它一般是将发光二极管和光敏三极管的 光路耦合在一起，输入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管取出。光 电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收并 输出端（二次侧）是绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强 的抑制电磁干扰能力。速度高、价格低、接口简单。 光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强。无触 点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。 光电耦合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中。 光电耦合器的工作过程： 光敏三极管的导通与截止，是由发光二极管所加正向电压控制的。当发光二极 管加上正向电压时，发光二极管有电流通过发光，使光敏三极管内阻减小而导通； 反之，当发光二极管不加正向电压或所加正向电压很小时，发光二极管中无电流或 通过电流很小，发光强度减弱，光敏三极管的内阻增大而截止。 10 2.2.32.2.3 脉冲检测电路的设计脉冲检测电路的设计 本设计的关键是对转轴所转过的圈数进行计数，考虑到车辆将在复杂的环境中 运行，而霍尔元件具有耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优 点，故采用可靠的霍尔元件 DN6848 作为信号采集装置，再经过光电耦合器 4N25 输入给单片机。光电耦合器的电流传输比为 10%250%，响应时间小于 10us，其电 路如图 312 所示。 INT0 4.7k 180 4N25 12 34 2 +5V +5V DN6848 13 VDDVOUT 图 312 脉冲检测电路 2.32.3 语音输出电路的设计语音输出电路的设计 .2.1.2.1 关于语音芯片关于语音芯片 3 3 2.3.1.12.3.1.1 ISDISDWinbondWinbond 语音芯片概述语音芯片概述 美国 ISD（Information Storsge Devices）公司是专业研制和生产先进的半导体语 音芯片的著名厂家和领导者，其开发的高密度“多级”存储方法称作“ChipCorder”的专 业技术，可以在一个存储单元存储 256 级的不同电平，即存储相同信息仅需要用传 统存储技术 1/8 的存储空间。该公司与 1998 年 12 月被台湾华邦（Winbond）并购， 1990 年改名为 WECA（Winbond Electronic Corpration American） ，但保留其 ISD 名 称和标识，这个合并将把 ISD 公司领先的信息存储、语音录放技术和强大的用户群 与 Winbond 公司的高效率的制造能力和分布于全时间的营销能力结合起来。 ISD 系列语音芯片有 ISD1100 系列、ISD1200 系列、ISD1400 系列、ISD2500 系 列、ISD4000 系列和 ISD5000 系列几种。 ISD1100 系列中有 10s 和 12s 的单片声音录放器件 ISD1110 和 ISD1112。 ISD1200 系列中有 10s 和 12s 的单片声音录放器件 ISD1210 和 ISD1212。 ISD1400 系列中有 16s 和 20s 的单片声音录放器件 ISD1416 和 ISD1620。 ISD1800 系列中有 8s、10s、12s 和 16s 的单片单段声音录放器件 ISD1810。 ISD2500 系列中有 32s、40s、48s、64s 和 60s、75s、90s、120s 的单片声音录放 器件 ISD2532、ISD2540、ISD2548、ISD2564 和 ISD2560、ISD2575、ISD2590、ISD120。 ISD4000 系列中有 120s、150s、180s 和 240s 的单片声音录放器件 ISD4001、ISD4002、ISD4003 和 ISD4004。 ISD5000 系列中有 4min、5min、6min 和 8min 的单片声音录放器件 ISD5008。 其中 ISD1100 系列、ISD1200 系列和 ISD1400 系列都是独立使用；ISD2500 系 列是手动切换或则与微控制器兼容，放音时可以用边沿或电平进行触发；ISD4000 系列、ISD5000 系列都带有微控制器 SPI 或 Microwire 串行接口。 2.3.1.22.3.1.2 语音芯片语音芯片 ISD4004ISD4004 ISD4000 系列单片声音录放器件是用 CMOS 工艺实现的高语音质量、3V 工作电压 的集成电路芯片，特别适用于移动电话和各种便携式产品。按录放时间又分 ISD4002、ISD4003 和 ISD4004 三个子系列。片内集成有振荡器、抗混叠滤波器、平 滑滤波器、自动静音电路、音频放大器和高密度多级 Flash 存储阵列。这个系列的 新片要求用于微处理器或微控制器系列，通过串行外围接口 SPI 或 Microwire 串行 接口进行寻址和控制。录音数据被存放方法是通过 ISD 的多级存储专利技术实现的， 用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器中，从而提供高质量回放语音 的保真度。 1. ISD4004 的主要性能及其特点 （1） 单片实现声音录放功能 （2） 采用单一 3V 工作电压 （3） 低功耗：典型的录音工作电流为 25mA 典型的放音工作电流为 15mA 典型待机节能状态电流为 1uA （4） 单片录放时间为 8min、10min、12min 和 16min （5） 高质量自然的声音/音频回放 （6） 自动静音电路可以在无声状态时消除背景噪音 （7） 不需要考虑实现算法 （8） 具有微控制器 SPI 或 Microwire 串行接口 （9） 可以对多段信息寻址控制 （10）可以通过 SPI 或 Microwire 控制寄存器控制功耗 （11）语音数据断电不丢失，可以保存 100 年 （12）允许反复录音 10 万次 （13）片上带有时钟源 （14）有 PDIP、SOIC、TSOP 和 CSP 多种封装形式 （15）使用温度范围有商业用扩展型和工业用两种可供选择： 商业品扩展型：-20+70 工业品：-40+85 2. 外部引脚及其说明 19NC XCLK 1 NC NC ISD4004 ANA IN+ SCKJ VCCA 17 21 2 5 20 VSSD 6 12 NC 18 3 16 NC14 NC MISO VSSA 28 25 VCCD 15 7 23 24 10 22 4 RAC 26 NC NC AMCAP 13 8 /SS MOSI VSSA INT 27 VSSA NC AUDOUT 9NC 11 NC ANA IN- 图 313 ISD4004 引脚图 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 218.75s 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. 极限参数 （1） 支流电源电压范围（VccVss）：-0.3+0.7V （2） 输入电压范围（所有引脚）：（Vss-0.3V）（Vcc+0.3V） （3） 输入电压范围（所有引脚，输入电流不超过20mA）：（Vss- 1.0V）（Vcc+1.0V） （4） 输入电压范围（MOSI、SCLK、INT、RAC、SS 引脚，输入电流不超过 20mA）：（Vss-1.0V）5.5V （5） 结温：+150 （6） 存储温度范围（Tstg）：-65+150 （7） 引脚焊接温度（10s）：+300 4. 串行外围接口 SPI ISD4004 的串行操作是通过 SPI 串行接口实现的，SPI 串行接口协议如下： 数据传输协议设定微控制器 SPI 的移位寄存器是有串行时钟 SCLK 的下降沿驱 动。而对 ISD4004 数据输入是由 MOSI 引脚上的上升沿驱动，数据输出是由 MISO 引脚上的下降沿驱动。 （1） 所有串行数据传送都是由/SS 引脚上的下降沿开始。 （2） 在所有串行通信期间，/SS 引脚上都保持低电平，而在两条指令之间保持 高电平。 （3） 数据输入由时钟的上升沿驱动，数据输出由时钟的下降沿驱动。 （4） 录音和放音操作的初始化是通过把/SS 引脚为低电平使能芯片，把操作码 和地址串行输入。 （5） 输入操作码和地址的格式如下： 和 （6） 每个由 EOM 或溢出产生的结果信号都将产生中断，包括报文周期插入 周期。当下一次初始化 SPI 周期时，中断将被清除。 （7） 当中断数据被移位移出 MISO 引脚时，控制和地址数据就同时被移进 MOSI 引脚。需要注意的是，移入的数据与当前系统的操作是一致的。有可能在同 一个 SPI 周期读中断数据和启动一个新的操作。 （8） 任何一个操作都是从 RUN 位被置 1 开始，由 RUN 位清零结束。 （9） 所有的操作都是有/SS 的上升沿开始。 SPI 控制寄存器用于各个期间功能的控制，这些控制包括放音、录音、报文插 入、上电和掉电、启动和停止操作以及忽略地址指针等。 以下是控制寄存器的说明： 2.N 控制寄存器：用于控制操作。当其为 1 时，启动操作；当其为 0 时，停 止操作。 3./控制寄存器：用于选择放音和录音操作。当其为 1 时选择放音操作；R 当其为 0 时，选择录音操作。 MOS I C4 C3 C2 C1 C0 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 报文插入(MC) 忽略的地址(IAB) 上电(PU) 放音/录音(P/R) 运行 MIS O OVF EOM P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 0 0 0 0 0 0 图 314 SPI 端口及其相关控制位示意图 4.MC 控制寄存器：用语控制报文插入功能。当其为 1 时，允许报文插入； 当其为 0 时，关闭报文插入功能。 5.PU 控制寄存器：用于主电源控制。当其为 1 时，控制上电；当其为 0 时， 掉电进入节能状态。 6.IAB 控制寄存 A9-A0/A15-A0。当其为 0 时，使用在操作上使用的输入地 址寄存器的内容 A9-A0/A15-A0。当 IAB 被清 0 时，放音或录音操作就从 地址 A9-A0/A15-A0 开始。为了连续放音或录音，IAB 应该在相应行结束 前变为 1，否则将会从同一行的地址处重复操作。存储器管理时， RAC（行地址时钟）引脚和 IAB 可以用来绕着存储器分段移动。 7.P9-P0/P15-P0：行指针寄存器的输出。 8.A9-A0/A15-A0：输入地址寄存器。 12 2.3.22.3.2 录音、放音电路的设计录音、放音电路的设计 ISD4004 声音录放器件的采样频率为 6.4kHz，它单片录放时间有 8min、10min、12min 和 16min 几种，其采用内置非易失性 FLASH 存储器，这种快 擦写存储器断电不会丢失数据，所以保存数据不需要耗电。典型的被存储信息可以 保存时间高达 100 年，同一个存储单元可以反复被录音 10 万