1、分類號分類號 編編 號號 題目題目 公交漢字顯示系統(tǒng)公交漢字顯示系統(tǒng)硬件部分硬件部分 院院 系系 信息工程學院信息工程學院專專 業(yè)業(yè) 電子信息工程電子信息工程 姓姓 名名 _ _2010 年 5 月 25 日畢 業(yè) 設 計 任 務 書設計題目：公交車漢字顯示系統(tǒng)設計題目：公交車漢字顯示系統(tǒng)專 業(yè)：電子信息工程電子信息工程 班級學號：_200611301_200611301_姓 名: _ 指導教師：設計期限： 2010 年 3 月 1 日開始 2010 年 5 月 28 日結束院、系： 信息工程學院 2010 年 3 月 1 日第 I 頁 共 61 頁電子信息專業(yè)畢業(yè)設計任務指導書指導老師 一、

2、畢業(yè)論文的目的通過畢業(yè)設計使學生了解和掌握單片機應用系統(tǒng)的數(shù)據采集、數(shù)據處理技術；了解和掌握匯編語言的程序設計和同硬件電路的結合；了解和掌握單片機硬件電路的焊接和調試；了解和掌握繼電器、報警電路、運算放大器、反饋網絡等模擬電路的分析設計。二、主要內容一種新型的公交車自動報站系統(tǒng)的設計原理，以 89C51 單片機為核心，控制ISD4004 語音芯片及 16*16LED 點陣顯示模塊做漢字顯示的新方案。利用 89C51 單片機作為 CPU 來進行總體控制，通過語音控制電路進行各種提示語音的播放，同時使用 LED 點陣電路進行漢字顯示，實現(xiàn)了公共汽車的語音報站以及漢字提示的功能.三、重點研究問題語音

3、芯片驅動使用、人機接口技術、語言技術、檢測技術四、主要技術指標或主要設計參數(shù)用 8051 單片機芯片實現(xiàn)完成漢字顯示報站基本功能。 LED 點陣使用 16*16 點陣；語音芯片使用 ISD4004-8M，可錄制 8 分鐘，錄放電路簡單；用動態(tài)掃描法進行漢字顯示；功放電路使用 LM386,負載 80.5W, 電壓增益為 20；錄音電路使用9014，增強錄音效果。五、設計成果要求1熟悉 Protel、KeilC51、Proteus 軟件，并用來設計應用系統(tǒng)原理圖。2學習硬件的焊接、安裝、組裝，單片機仿真器的使用。 3閱讀參考資料、文獻及論文，提交本設計開題報告，設計方案不少于兩種。 4完成設計所需

4、要的編程，硬件電路設計與實現(xiàn)，焊接。 5系統(tǒng)電路測試與交付。六、其他 時間安排 次序周次內容第 II 頁 共 61 頁112閱讀文獻資料23與設計內容相關的學習（講課、解答、方案分析等）34完成開題報告45學習 KeilC51，Proteus 軟件，單片機原理567設計硬件電路，方案選擇論證689實現(xiàn)硬件電路，焊接調試71012編程、測試813撰寫論文914答辯七、參考資料1新編單片機原理與應用 潘永雄 編著 西安電子科技大學出版社 2模擬電子技術基礎第三版 童詩白 華成英 主編 高等教育出版社 3數(shù)字電子技術基礎第四版 閻石 主編 高等教育出版社 4匯編語言程序設計 錢曉捷 主編 電子工業(yè)出

5、版社 5preteus 入門教程 6keil c51 入門教程第 III 頁 共 61 頁開題報告 2010年 3 月 15 日學生姓名學號電子信息工程題目名稱公交車漢字顯示系統(tǒng)硬件部分課題來源老師提供主要內容設計的主要內容：一種新型的公交車自動報站系統(tǒng)的設計原理，以 89C52RC單片機為核心，控制 ISD4004 語音芯片及 16*16LED 點陣顯示模塊做漢字顯示的新方案。利用 89C52RC 單片機作為 CPU 來進行總體控制，通過語音控制電路進行各種提示語音的播放，同時使用 LED 點陣電路進行漢字顯示，實現(xiàn)了公共汽車的語音自動報站以及漢字提示的功能.如圖 1 所示。 圖 1：系統(tǒng)結

6、構圖主要包括四個部分：語音錄放音電路、LED 點陣顯示、電源電路、按鍵控制電路組成。采取的主要技術路線或方法開發(fā)方案和原理框圖是由老師引導提供的。具體的電路圖和線路組織連接都是需要自己設計的。整個電路的硬件及功能控制軟件是自己設計和編寫的。一、單片機芯片：STC89C52RC 單片機芯片采用 40 引腳的雙列直插封裝方式。40 條引腳如下：1、主電源引腳 Vss 和 Vcc 第 IV 頁 共 61 頁2、外接晶振引腳 XTAL1 和 XTAL2 3、控制或與其它電源復用引腳 RST/VPD，ALE/，和/VppPROGPSENEA4、輸入/輸出引腳 P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.

7、7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。 P0 口（P0.0 - P0.7）是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時，它是分時傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據總線，P0 口能以吸收電流的方式驅動八個 TTL 負載。 P1 口（P1.0 - P1.7）是一個帶有內部提升電阻的 8 位準雙向 I/O 口。能驅動(吸收或輸出電流)四個 TTL 負載。 P2 口（P2.0 - P2.7）是一個帶有內部提升電阻的 8 位準雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時，它輸出高 8 位地址。P2 口可以驅動(吸收或輸出電流)四個 TTL負載。 P3 口（P3.0 - P3.7）是一個帶有內部

8、提升電阻的 8 位準雙向 I/O 口。能驅動(吸收或輸出電流)四個 TTL 負載。P3 口還用于第二功能。二：語音芯片 ISD4004-8M；ISD4004 系列單片語音錄放電路如圖 2 所示：1、 簡述單片 8 分鐘語音錄放內置微控制器串行通信接口3V 單電源工作多段信息處理工作電流 25-30mA,維持電流 1A第 V 頁 共 61 頁不耗電信息保存 100 年(典型值)高質量、自然的語音還原技術10 萬次錄音周期(典型值)自動靜噪功能片內免調整時鐘,可選用外部時鐘ISD4004 系列工作電壓 3V,單片錄放時間 8 至 16 分鐘,音質好,適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片采用

9、CMOS 技術,內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI 或Microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術, 每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。采樣頻率可為4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質則有所下降,片內信息存于閃爍存貯器中,可在斷電情況下保存 100 年(典型值),反復錄音 10 萬次。三：LED 點陣電路；利

10、用 74HC138 對 4 塊 8*8 點陣進行拼接成 16*16 的點陣，然后通過單片機控制，進行漢字的顯示。電路圖如圖 3 所示：第 VI 頁 共 61 頁圖 3：LED 點陣電路四：電源電路由于語音芯片 ISD4004 的工作電壓時 3V,不同于單片機的 5V 工作電壓，所以就必須有電源電路，提供 3V 的穩(wěn)定電壓，本電路才用 LM317 電源電路，5V 進，3V 出的一個穩(wěn)壓電路，很適合于產品電源。利用電容濾波，使語音電路噪聲減少。電路圖如圖 4 所示：圖 4：電源電路第 VII 頁 共 61 頁預期的成果及形式采用 STC89CRC52 單片機實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制功能，利用語音芯片 IS

11、D4004-8M 進行語音設計及 74HC38 控制點陣顯示，通過鍵盤改變語音芯片工作狀態(tài)，先錄音并存儲，然后放音，同時實現(xiàn)自動報站，并同時用點陣進行相關信息顯示。最終軟件調試功能測驗，基本達到了系統(tǒng)的設計要求。時間安排第 13 周：搜集資料，確定方案；第 4 周：搜集 89C52RC、ISD4004 等器件的功能和引腳資料，熟悉單片機一般編程語言，為后期的設計做前期準備；第 56 周：分析功能實現(xiàn)原理，利用 Protel 畫出電路圖。第 78 周：進一步和同組人探討整個功能實現(xiàn)（包括硬件和軟件的結合）；用軟件進行仿真測試。第 911 周：焊接出實際的電路板，測試、運行、實現(xiàn)功能；第 1113

12、 周：匯總整個的工作流程，查資料，做論文，準備答辯。指導教師意見簽 名：年 月 日備注鑒于系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和精確性，整個電路大都采用了集成電路，雖然這加大了設計的成本，并給焊接電路帶來了小麻煩，但更重要的是這給編程、電路的復雜度和調試帶來了極大的方便，能夠很好的增加程控電壓源的工作穩(wěn)定性和精度。同時由于 16*16 的點陣是由自己親手焊接，而且是采用的萬能板，所以不是很美觀，但是功能基本能實現(xiàn)。第 VIII 頁 共 61 頁摘要 隨著時代的進步，公交車已經成為一般工薪族和學生族出門必須的交通工具。由于單片機技術以及電子語音技術飛速發(fā)展。目前，在公交車報站方面，也由傳統(tǒng)的人工報站，逐漸改變?yōu)槭褂?/p>

13、微電腦控制的語音文字報站系統(tǒng)。從以前售票員的大聲報站變成現(xiàn)在的自動語音報站以及漢字提示等新型的報站系統(tǒng)，加快了現(xiàn)代化建設的進程。是國家自動化交通發(fā)展的標志。本文介紹了一種新型的公交車自動報站漢字顯示系統(tǒng)的設計原理，同時提供了一種以 89C51 單片機為核心，控制 ISD4004 語音芯片及 LED 點陣顯示漢字的新方案。利用89C51 單片機作為 CPU 來進行總體控制，通過語音控制電路進行各種提示語音的播放，同時使用 LED 點陣電路進行漢字顯示，實現(xiàn)了公共汽車的語音自動報站以及漢字提示的功能，實現(xiàn)了圖文、語音一體化協(xié)調工作，減輕了司售人員的勞動強度，提高了車輛的服務質量，是一種科技、時尚的

14、新產品。同時它擺脫傳統(tǒng)電子屏線的束縛，使其應用更加市場化，其流動顯示的特點更為廣告界所推崇，是一種全新的媒體。ISD4004 語音系列芯片是美國 ISD4004 公司推出的產品，具有多次重復錄放，存儲時間長，使用時不需擴充存儲器，所需外圍電路簡單等特點。本系統(tǒng)是以 C 語言來進行軟件設計，指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲空間。為了便于擴展和更改，軟件的設計采用模塊化結構，使程序設計的邏輯關系更加簡潔明了,使硬件在軟件的控制下協(xié)調運作。 關鍵詞關鍵詞：89C51 單片機，LED 點陣顯示，語音芯片 第 IX 頁 共 61 頁Abstract With the progress of The Times

15、,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 con

16、trol 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.Its the national symbol of automation transportation development. This paper introduces the design principle of a new ki

17、nd 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

18、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 electr

19、onic 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 expan

20、ded 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 rela

21、tionship more concise,make the hardware under the control of the software operation harmoniously . Keywords:89C51 MCU, LED dot matrix display, pronunciation chip第 X 頁 共 61 頁目 錄摘要 .VIIIAbstract .IX1 緒論 .11.1 概述 .11.2 目的及意義 .22 總體設計的原理與實現(xiàn) .32.1 方案論證 .32.1.1 語音電路方案論證 .32.1.2 設計系統(tǒng)方案論證 .42.2 電路原理的總體設計 .5

22、3 硬件部分的設計 .73.1 硬件組成部分 .73.2 相關芯片介紹 .73.2.1 STC89C52RC 單片機芯片.73.2.2 ISD4004 語音芯片.83.2.3 74HC138 芯片.133.2.4 LM317 芯片.143.3 硬件各部分設計 .163.3.1 電源電路.163.3.2 LED 點陣顯示電路.173.3.3ISD4004 語音錄放音電路.183.3.4 按鍵控制電路.184 軟件部分的設計 .20第 XI 頁 共 61 頁4.1 軟件總體設計 .204.2 軟件各模塊設計 .214.2.1 延時子程序 .214.2.2 ISD4004 語音錄放程序.224.2.

23、3 中斷控制程序 .244.2.4 LED 點陣漢字顯示程序.255 系統(tǒng)調試 .265.1 常見硬件故障調試 .265.2 軟件程序調試 .265.2.1 調試軟件KeilC51 簡介.265.2.2 軟件程序測試 .275.2.3 系統(tǒng)電路功能仿真 .275.2.4 Keil 與 Proteus 對系統(tǒng)聯(lián)調.285.2.5 硬件實現(xiàn) .29結 論 .31致 謝 .32參考文獻 .33附錄外文原文及翻譯 .34附錄源程序代碼 .51附錄 原理圖 .61第 1 頁 共 61 頁1 緒論1.1 概述隨著現(xiàn)代社會的建設，公共汽車越來越為大眾所喜愛，不僅僅可以在低消費下達到目的地，同時也能很方便的省

24、去很多的自駕麻煩。是打工族和學生族的常用交通工具。而隨著人們使用公共汽車的普遍，車輛上一般都相當擁擠，造成許多的乘客未到站先下車或者推遲下車的情況，也加重了售票員的勞動強度。隨著信息社會的到來，單片機廣泛的應用于工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、聲學領域和微機技術等廣闊的領域。而利用單片機對語音芯片進行控制可以達到語音報站的效果。因此，了解并掌握單片機智能控制技術工作原理及特性是非常重要的。在一些自動語音報站系統(tǒng)中，廣泛采用的是通過使用語音芯片進行設計電路，然后通過 MIC 錄音電路以及功放電路進行語音的錄制與播放，同時通過單片機對語音芯片進行選擇以及功能的控制，從而完成語音報站。但是

25、由于傳統(tǒng)的語音芯片的外圍電路比較復雜，所以實現(xiàn)復雜、易受干擾、不易控制且精度不高。因此，本系統(tǒng)用一種比較昂貴且現(xiàn)代社會才剛剛常用的一種 ISD4004 系列語音芯片，不需復雜的外圍電路和 AD 轉換電路能直接與單片機完成語音的錄制和播放，實現(xiàn)方便、精度高，可根據不同需要用于各種場合；為了提高對語音芯片的認識和了解，尤其是對 ISD4004 系列的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本系統(tǒng)。本設計基于 ISD4004 芯片設計的公交車漢字顯示報站系統(tǒng)，介紹了 STC89C52RC 單片機語音漢字顯示控制系統(tǒng)，主要是通過單片機組成的應用系統(tǒng)來完成對語音的錄制以及播放，漢字的

26、 LED 點陣顯示以及語音播放的控制，從而實現(xiàn)了單片機對語音漢字的控制。在正常情況下，通過 ISD4004 對語音報站信息進行播放以及利用 LED 點陣進行相關提示漢字的顯示，ISD4004 芯片采用 CMOS 技術,內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI 或 Microwire)送入。通過單片機對報站語音進行采集處理，同時設定相關漢字顯示信息；當?shù)秸景存I按下時，該系統(tǒng)會發(fā)出到站站名及相關語音聲音，同時讓 LED 點陣進行漢字提示信息的顯示，報站語音以及漢字顯示結束時等待

27、下一個到站按鍵的觸發(fā)。第 2 頁 共 61 頁1.2 目的及意義首先是設計出一種的方便實用的公交車漢字顯示報站系統(tǒng)。單片機智能控制技術廣泛地應用于工業(yè)控制、智能語音等方面，ISD4004 系列工作電壓 3V,單片錄放時間 8 至 16分鐘,音質好,適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術, 每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質則有所下降,片內信息存于閃爍存貯器中,可在斷電

28、情況下保存 100 年(典型值),反復錄音 10 萬次。而本系統(tǒng)則基本完成了設計的任務要求，通過 STC89C52RC 單片機語音錄放控制系統(tǒng)，主要是通過單片機組成的應用系統(tǒng)來完成對語音的采集、語音的存儲處理、提示漢字的顯示以及語音播放的控制，從而實現(xiàn)了單片機對公交車到站的語音漢字顯示功能。其次，為了理論聯(lián)系實際，用大學所學的理論來進行實際工作，將知識轉變?yōu)樯a力。通過大學本科四年的學習，已經初步具有了一定的分析和設計能力。通過本次設計將大學所學的知識進行系統(tǒng)地梳理，概括和總結，并綜合運用這些所學的知識。公共汽車為外出的人們提供了方便快捷的服務，而公共汽車的報站直接影響服務的質量。傳統(tǒng)由乘務人

29、員人工報站，該方式因其效果太差和工作強度太大，在很多大城市已經被淘汰。近年來，隨著科學技術的日益發(fā)展和進步，微型計算機技術已經在許多領域得到了廣泛的應用。在聲學領域，微機技術與各種語音芯片相結合，即可完成語音的合成技術，使得汽車報站器的實現(xiàn)成為可能，從而為市民提供了更加人性化的服務。鑒于傳統(tǒng)公交車報站系統(tǒng)的不足之處，結合公交車輛的使用特點及實際營運環(huán)境，設計了一種由單片機控制的公交車語音報站顯示系統(tǒng) 。 公交車語音報站顯示系統(tǒng)的設計主要是為了彌補人工報站的辛苦以及誤報的落后方式，進站、出站播報站名及相關服務用語，為市民提供更人性化，更完善的服務 。2 總體設計的原理與實現(xiàn)2.1 方案論證本設計

30、主要是通過單片機組成的應用系統(tǒng)來完成對語音的錄制、語音的存儲處理、第 3 頁 共 61 頁語音的播放以及漢字顯示的控制，從而實現(xiàn)了單片機對語音報站漢字顯示的控制。語音錄放電路有共同的特點：語音錄制播放環(huán)境復雜、現(xiàn)場性強等。若采用一般語音芯片采集語音信號，則需要設計信號調理電路、A/D 轉換及相應的接口電路，才能把語音芯片輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號送到計算機去處理。這樣，由于各種因素會造成語音錄放系統(tǒng)較大的偏差，會使語音系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降 。所以要選擇合適的方案，才能使設計得到最大的優(yōu)化。2.1.1 語音電路方案論證方案一：采用普通的語音芯片，可滿足達到報站信息錄制以及播放，但普通語音芯

31、片錄制語音效果不好，重復性差、可靠性較差，對于高頻率使用以及方便錄放時不適用。對一些語音內容不固定并要求現(xiàn)場錄音和放音的系統(tǒng)，采用一般語音芯片實現(xiàn)，錄放音的質量難以控制。而且在語音錄放系統(tǒng)中,采用一般語音芯片,比如華邦的 W90P710 系列、HELIOS 公司的 HZ24QP 系列等.但這些芯片輸出的都是模擬信號,必須經過進行 A/D 轉換和壓縮處理等才能送給單片機，從而產生了失真、大大降低了錄放音質量，并不具有抗斷電、音質差、使用不方便、不能反復錄放、需專用的語音開發(fā)工具、不能隨意列改內容和耗電多等缺點。另外, 在語音錄放系統(tǒng)中,采用普通語音芯片.外圍電路會比較復雜，而且在軟件實現(xiàn)時也需要

32、用到復雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。方案二：在語音錄放系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的語音芯片是將模擬信號遠距離采樣進行 AD 轉換，而為了獲得較高的語音錄放質量，就必須采用措施解決由長線傳輸及放大電路零點漂移等造成的誤差補償問題。采用語音芯片 ISD4004 進行語音的錄放，直接對模擬信號進行存儲。便于單片機處理及控制，省去傳統(tǒng)的語音錄放的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，此元件線形較好。對一些語音內容不固定并要求現(xiàn)場錄音和放音的系統(tǒng)，采用一般語音芯片實現(xiàn)，錄放音的質量難以控制。美國 ISD（Information Storage Devices）公司的 ISD 系列芯片采用直接模擬存儲

33、專利技術，把語音信號以原始的模擬形式直接存儲在片內 EEPROM 存儲器中，無需進行 A/D 轉換和壓縮處理等，從而減少了失真、大大提高了錄放音質量，并具有抗斷電、音質好、使用方便、可反復錄放、無需專用的語音開發(fā)工具、能隨意列改內容和耗電省等優(yōu)點，很適合于現(xiàn)場錄放音系統(tǒng)。而且語音錄放系統(tǒng)中,采用普通語音芯片.外圍電路會比較復雜，而是用 ISD4004 芯片直接使用簡單的外圍第 4 頁 共 61 頁電路即可。而且在軟件實現(xiàn)時也不需要用到復雜的算法，一定程度上也減輕了軟件實現(xiàn)的難度。采用語音芯片 ISD4004 系列，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個趨勢。部分功能電路的集成，使總體電路更簡潔，搭建電路和焊接

34、電路時更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高語音錄放電路的質量以及實用性。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。本方案應用這一語音芯片。2.1.2 設計系統(tǒng)方案論證該系統(tǒng)主要由語音錄放和漢字顯示兩部分組成。下面列舉兩種實現(xiàn)方案：方案一：語音錄放可以使用一般的語音芯片，漢字顯示部分則使用比較美觀的而且內含相當多的字模的液晶顯示模塊。考慮到一般語音芯片存儲的是數(shù)字信號，所以還要設計相應的模數(shù)轉換電路。而模擬信號轉數(shù)字信號過程中，信號失真是令人傷腦筋的問題。此方案由于使用液晶顯示模塊，需要進行其驅動的攥寫，并且硬件復雜，如果信號產生失真，都將會導致誤差的產生，難以完全清除，而且成

35、本會有較大增長幅度。方案二：使用 ISD 語音芯片和 LED 點陣模塊構成。其具有下列特點：具有高的語音錄放質量及實用性，可重復使用；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；信號易于處理、傳送和自動控制；便于現(xiàn)場錄制播放，播放語音顯示效果好安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。ISD 語音芯片可以采用美國 ISD（Information Storage Devices）公司的 ISD4004 系列芯片，這類芯片采用直接模擬存儲專利技術，把語音信號以原始的模擬形式直接存儲在片內 EEPROM 存儲器中，無需進行 A/D 轉換和壓縮處理等，從而減少了失真、大大提高了錄放音質量，并具有抗斷電、音質好、使用方便、可反復錄

36、放、無需專用的語音開發(fā)工具、能隨意列改內容和耗電省等優(yōu)點，很適合于現(xiàn)場錄放音系統(tǒng)。比較兩個方案后可以發(fā)現(xiàn)，方案二更適合于用作本系統(tǒng)的實施方案。盡管方案二不需要 A/D，但考慮到系統(tǒng)擴充等因素，單片機可以選用 STC89C52RC。2.2 電路原理的總體設計基于 ISD4004 語音芯片的語音報站漢字顯示系統(tǒng)的設計研制過程主要包括：總體設計、硬件設計、軟件設計、仿真調試等幾個階段。對于總體設計，主要是畫出原理框圖、第 5 頁 共 61 頁確定出主要技術指標。如圖 2.2.1 所示：圖 2.2.1 系統(tǒng)總體設計框圖單片機芯片是與 MCS-51 兼容的 STC89C52RC，STC89C52RC 單

37、片機帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能 8 位微處理器。語音錄放電路使用的是 ISD4004-8MS 以及其外圍錄放電路，外圍電路相當簡單；由于其可以進行直接模擬信號的存儲，省去了信號模數(shù)轉換的相關電路，使得信號更加的穩(wěn)定、錄放音質量好。同時單片 8 至 16 分鐘語音錄放，內置微控制器串行通信接口，3V單電源工作，多段信息處理，工作電流 25-30mA,維持電流 1A，不耗電信息保存 100 年(典型值)，高質量、自然的語音還原技術，10 萬次錄音周期(典型值)，自動靜噪功能，片內免調整時鐘,可選用外部時鐘。利用 9014 三極管對錄制語音進行放大處理，同時通過 LM3

38、86 及喇叭，對輸出語音信號進行放大播放，讓語音質量以及穩(wěn)定性更加高。漢字顯示電路采用的是 16*16 LED 點陣顯示。一種方法屬于靜態(tài)顯示。顯然，靜態(tài)顯示需占用較多的 I/O 口線。另一種是動態(tài)掃描顯示。通過控制各個顯示器公共陽極輪流接高電平的辦法，逐一輪流地啟動各個 LED。動態(tài)顯示法是目前各種單片機采用的流行方法。其優(yōu)點是硬件簡單，“動態(tài)”由軟件實現(xiàn)。因而選用動態(tài)顯示的方法。電源電路是給語音芯片 ISD4004 提供 3V 穩(wěn)壓電源，利用 LM317，通過電阻分壓，輸?shù)?6 頁 共 61 頁出穩(wěn)定的 3V 穩(wěn)定電源，讓語音芯片可以正常的工作。實現(xiàn)語音錄制播放功能。按鍵控制電路完成對語音

39、播放以及漢字顯示開始的控制，通過對單片機相關引腳的高地電平的控制，從而完成對語音芯片的控制，從而達到完成語音報站漢字顯示功能。本章節(jié)方案比較后可以發(fā)現(xiàn)，完成了基于 ISD4004 的語音報站顯示的單片機系統(tǒng)的方案論證，選擇了更適合于用作本系統(tǒng)的實施方案，完成了電路的總體設計。3 硬件部分的設計3.1 硬件組成部分基于 ISD4004 語音芯片的語音報站漢字顯示系統(tǒng)的硬件設計主要包括：（1）電源電路（為語音芯片提供 3V 穩(wěn)壓電源）；（2）LED 漢字顯示電路（完成漢字顯示）；（3）ISD4004 語音錄放電路（完成語音錄制放音）；（4）按鍵控制電路（完成按鍵控制播放錄音功能）（5）單片機（電路

40、的核心系統(tǒng)）五部分組成，具體的電路介紹本部分就先不第 7 頁 共 61 頁進行詳細的介紹，在論文的硬件各部分設計中將會對各個部分的電路進行詳細的介紹。下面我就先對硬件電路設計中使用的主要器件的技術資料進行相關的介紹。讓我們對硬件進行整體的了解。3.2 相關芯片介紹3.2.1 STC89C52RC 單片機芯片STC89C52RC 是 STC 公司生產的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內含 8Kb 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 512b 的隨機存取數(shù)據存儲器（RAM），器件采用高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用中央處理器（CPU）和 F

41、lash 存儲單元，功能強大 STC89C52RC 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100000次。將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，是一種高效微控制器， STC89C52RC 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。如圖3.2.1圖 3.2.1 STC89C52RC 管腳圖STC89C52RC有P0、P1、P2、P3四個端口，共有32I/O口，P3口也可作為一些特殊功能口，如下表所示：表 3.1 P3 口的第二功能口 線第 二 功 能P3.0RXD串行數(shù)據接收（輸入）端P3.1TX

42、D串行數(shù)據發(fā)送（輸出）端P3.2INT0外部中斷 0 輸入端第 8 頁 共 61 頁P3.3INT1外部中斷 0 輸入端P3. 4T0定時/計數(shù)器 T0 的外部輸入端P3. 5T1定時計數(shù)器 T1 的外部輸入端P3. 6WR外數(shù)據存儲器寫選通信號，低電平有效P3. 7RD外數(shù)據存儲器讀選通信號，低電平有效P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。STC89C52RC 單片機主要性能參數(shù)：時鐘頻率（HZ）：080M8Kash 程序存儲器512 內程序存儲器(RAM)2 個數(shù)據指針3 個 16 位定時器/計數(shù)器 T0/T14 個 8 位輸入輸出接口(P0P3),共 32 根 I/O 口線8

43、個中斷源4 個優(yōu)先級看門狗電路3.2.2 ISD4004 語音芯片Winbond 公司的 ISD 系列語音芯片采用了“直接模擬量存儲”(DAST)專利技術，信號無需經過 D/A，A/D 轉換，數(shù)字壓縮和語音合成等復雜的數(shù)字信號處理過程，減少了失真，使其聲音存貯效果較以前產品有大幅提高，實際試聽主觀評價可以達到磁帶錄音機的水平，是目前市場上錄放效果最好的語音電路之一。 ISD4004 語音芯片采用 CMOS 技術，內含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陳列等(見圖)，因此只需很少的外圍器件就可構成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。芯片設計是基于所有操作由微

44、控制器控制，操作命令通過串行通信接口(SPI 或 Micwire)送入。采樣頻率可為 4.0kHz、 5.3kHz、6.4kHz、8.0kHz 頻率越低，錄放時間越長，而音質則有所下降。片內信息存于閃爍存儲器中，可在斷電情況下保存 100 年(典型值) 反復錄 10 萬次。器件工作電壓3，工作電流 2530mA，維持電流 1uA，單片錄放語音時間 816min，音質好，適用于移動電話機及其它便攜式電子產品中。如圖 3.2.2.1、圖 3.2.2.2 所示。第 9 頁 共 61 頁圖 3.2.2.1：ISD4004 系列語音芯片內部框圖圖 3.2.2.2 ISD4004 系列語音芯片外部引腳圖1

45、、 簡述單片 8 分鐘語音錄放內置微控制器串行通信接口3V 單電源工作多段信息處理工作電流 25-30mA,維持電流 1A不耗電信息保存 100 年(典型值)高質量、自然的語音還原技術10 萬次錄音周期(典型值)第 10 頁 共 61 頁自動靜噪功能片內免調整時鐘,可選用外部時鐘ISD4004 系列工作電壓 3V,單片錄放時間 8 至 16 分鐘,音質好,適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片采用 CMOS 技術,內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI 或 Micro

46、wire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術, 每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質則有所下降,片內信息存于閃爍存貯器中,可在斷電情況下保存 100 年(典型值),反復錄音 10 萬次。2、引腳描述電源:(VCCA,VCCD) 為使噪聲最小,芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線,并且分別引到外封裝的不同管腳上,模擬和數(shù)字電源端最好分別走線,盡可能在靠近供電端處相連,而去耦電容應盡量靠近器件。地線

47、:(VSSA,VSSD) 芯片內部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線。同相模擬輸入(ANA IN+) 這是錄音信號的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅動。單端輸入時,信號由耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值 32mV,耦合電容和本端的3K 電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅動時,信號最大幅度為峰峰值16mV，為 ISD33000 系列相同。反相模擬輸入(ANA IN-) 差分驅動時,這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值 16mV音頻輸出(AUD OUT) 提供音頻輸出,可驅動 5K 的負載。片選(SS) 此端為低,即向該 ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩

48、條指令之間為高電平。串行輸入(MOSI) 此端為串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據放到本端,供 ISD 輸入。串行輸出(MISO) ISD 的串行輸出端。ISD 未選中時,本端呈高阻態(tài)。串行時鐘(SCLK) ISD 的時鐘輸入端,由主控制器產生,用于同步 MOSI 和 MISO 的數(shù)據傳輸。數(shù)據在 SCLK 上升沿鎖存到 ISD,在下降沿移出 ISD。中斷(/INT) 本端為漏極開路輸出。ISD 在任何操作(包括快進)中檢測到 EOM 或 OVF時,本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個 SPI 周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用 RINT 指第 11 頁 共 61 頁令讀取。OV

49、F 標志-指示 ISD 的錄、放操作已到達存儲器的未尾。EOM 標志-只在放音中檢測到內部的 EOM 標志時,此狀態(tài)位才置 1。行地址時鐘(RAC) 漏極開路輸出。 每個 RAC 周期表示 ISD 存儲器的操作進行了一行(ISD4004 系列中的存貯器共 2400 行)。該信號 175ms 保持高電平,低電平為 25ms。快進模式下,RAC 的 218.75s 是高電平,31.25s 為低電平。該端可用于存儲管理技術。外部時鐘(XCLK) 本端內部有下拉元件。芯片內部的采樣時鐘在出廠前已調校,誤差在+1%內。商業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內, 頻率變化在+2.25%內。工業(yè)級芯片在整個溫度和電

50、壓范圍內,頻率變化在-6/+4%內,此時建議使用穩(wěn)壓電源。若要求更高精度,可從本端輸入外部時鐘(如前表所列)。由于內部的防混淆及平滑濾波器已設定,故上述推薦的時鐘頻率不應改變。輸入時鐘的占空比無關緊要,因內部首先進行了分頻。在不外接地時鐘時,此端必須接地。自動靜噪(AMCAP) 當錄音信號電平下降到內部設定的某一閾值以下時,自動靜噪功能使信號衰弱,這樣有助于養(yǎng)活無信號(靜音)時的噪聲。通常本端對地接 1mF 的電容,構成內部信號電平峰值檢測電路的一部分。檢出的峰值電平與內部設定的閾值作比較,決定自動靜噪功能的翻轉點。大信號時,自動靜噪電路不衰減,靜音時衰減 6dB。1mF 的電容也影響自動靜噪

51、電路對信號幅度的響應速度。本端接 VCCA 則禁止自動靜噪。3、SPI(串行外設接口)ISD4004 工作于 SPI 串行接口。SPI 協(xié)議是一個同步串行數(shù)據傳輸協(xié)議,協(xié)議假定微控制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿動作,因此對 ISD4004 而言,在時鐘止升沿鎖存MOSI 引腳的數(shù)據,在下降沿將數(shù)據送至 MISO 引腳。協(xié)議的具體內容為：.所有串行數(shù)據傳輸開始于 SS 下降沿。.SS 在傳輸期間必須保持為低電平,在兩條指令之間則保持為高電平。.數(shù)據在時鐘上升沿移入,在下降沿移出。.SS 變低,輸入指令和地址后,ISD 才能開始錄放操作。.指令格式是(8 位控制碼)加(16 位地

52、址碼)。.ISD 的任何操作(含快進)如果遇到 EOM 或 OVF,則產生一個中斷,該中斷狀態(tài)在下一個 SPI 周期開始時被清除。.使用讀指令使中斷狀態(tài)位移出 ISD 的 MISO 引腳時,控制及地址數(shù)據也應同步從MOSI 端移入。因此要注意移入的數(shù)據是否與器件當前進行的操作兼容。當然,也允許在一個 SPI 周期里,同時執(zhí)行讀狀態(tài)和開始新的操作(即新移入的數(shù)據與器件當前的操作可以第 12 頁 共 61 頁不兼容)。.所有操作在運行位(RUN)置 1 時開始,置 0 時結束。.所有指令都在 SS 端上升沿開始執(zhí)行。(一)信息快進用戶不必知道信息的確切地址,就能快進跳過一條信息。信息快進只用于放音

53、模式。放音速度是正常的 1600 倍,遇到 EOM 后停止,然后內部地址計數(shù)器加 1,指向下條信息的開始處。(二)上電順序器件延時 TPUD(8kHz 采樣時,約為 25 毫秒)后才能開始操作。因此,用戶發(fā)完上電指令后,必須等待 TPUD,才能發(fā)出一條操作指令。例如,從 00 從處發(fā)音,應遵循如下時序:1. 發(fā) POWERUP 命令;2. 等待 TPUD(上電延時);3. 發(fā)地址值為 00 的 SETPLAY 命令;4. 發(fā) PLAY 命令。器件會從此 00 地址開始放音,當出現(xiàn) EOM 時,立即中斷,停止放音。如果從 00 處錄音,則按以下時序:1. 發(fā) POWER UP 命令;2. 等待

54、TPUD(上電延時);3. 發(fā) POWER UP 命令4. 等待 2 倍 TPUD;5. 發(fā)地址值為 00 的 SETREC 命令;6. 發(fā) REC 命令。器件便從 00 地址開始錄音,一直到出現(xiàn) OVF(存貯器末尾)時,錄音停止。3.2.3 74HC138 芯片74HC138 是一款高速 CMOS 器件，74HC138 引腳兼容低功耗肖特基 TTL（LSTTL）系列。如圖 3.2.3.1 所示。 第 13 頁 共 61 頁圖 3.2.3.1：74HC138 外部引腳圖74HC138 譯碼器可接受 3 位二進制加權地址輸入（A0, A1 和 A3），并當使能時，提供 8 個互斥的低有效輸出（Y

55、0 至 Y7）。74HC138 特有 3 個使能輸入端：兩個低有效（E1 和 E2）和一個高有效（E3）。除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否則 74HC138 將保持所有輸出為高。利用這種復合使能特性，僅需 4 片 74HC138 芯片和 1 個反相器，即可輕松實現(xiàn)并行擴展，組合成為一個 1-32（5 線到 32 線）譯碼器。任選一個低有效使能輸入端作為數(shù)據輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當一個 8 輸出多路分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。74HC138 與 74HC238 邏輯功能一致，只不過 74HC138 為

56、反相輸出。CD74HC138 ，CD74HC238 和 CD74HCT138 ， CD74HCT238 是高速硅柵 CMOS 解碼器，適合內存地址解碼或數(shù)據路由應用。74HC138 作用原理于高性能的存貯譯碼或要求傳輸延遲時間短的數(shù)據傳輸系統(tǒng),在 高性能存貯器系統(tǒng)中,用這種譯碼器可以提高譯碼系統(tǒng)的效率。將快速賦能電路用于高速存貯器時,譯碼器的延遲時間和存貯器的賦能時間通常小于存貯器的典型存取時間,這就是說由肖特基鉗位的系統(tǒng)譯碼器所引起的有效系統(tǒng)延遲可以忽略不計。HC138 按照三位二進制輸入碼和賦能輸入條件,從 8 個輸出端中譯出一個 低電平輸出。兩個低電平有效的賦能輸入端和一個高電平有效的賦

57、能輸入端減少了擴展所需要的外接門或倒相器,擴展成 24 線譯碼器不需外接門;擴展成 32 線譯碼器,只需要接一個外接倒相器。在解調器應用中,賦能輸入端可用作數(shù)據輸入端。功能表如圖 3.2.3.2 所示。第 14 頁 共 61 頁圖 3.2.3.2：74HC138 引腳功能表3.2.4 LM317 芯片LM317 是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。LM117/LM317 的輸出電壓范圍是 1.2V 至 37V，負載電流最大為 1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標 準的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317 內置有過載保護、安

58、全區(qū)保護等多種保護電路。通常 LM117/LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317 輸入端的連線超過 6 英寸（約 15 厘米）。使用輸出電容能改變瞬態(tài)響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。LM117/LM317 能夠有許多特殊的用法。比如 把調整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調節(jié)高達數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過 LM117/LM317 的極限就行。當然還要避免輸出端短路。還 可以把調整端接到一個可編程電壓上，實現(xiàn)可編程的電源輸出。 特性簡介: 可調整輸出電壓低到 1.2V。保證 1.5A 輸出電流。典型線性調整率 0.01

59、%。典型負載調整率 0.1%。80dB 紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調整管安全工作區(qū)保護。標準三端晶體管封裝。 電壓范圍:LM117/LM317 1.25V 至 37V 連續(xù)可調。其封裝形式如圖 3.2.4.1 所示： 第 15 頁 共 61 頁圖 3.2.4.1：LM317 封裝管腳如圖 3.2.4.2 所示。圖 3.2.4.2：LM317 引腳分布LM317 工作原理：LM317 的輸入最同電壓為 30 多伏，輸出電壓 1.5-32V.電流第 16 頁 共 61 頁1.5A.不過在用的時候要注意功耗問題.注意散熱問題。LM317 有三個引腳.一個輸入一個輸出一個電壓調節(jié)。輸入

60、引腳輸入正電壓,輸出引腳接負載, 電壓調節(jié)引腳一個引腳接電阻(200 左右)在輸出引腳,另一個接可調電阻(幾 K)接于地.輸入和輸出引腳對地要接濾波電容.LM317 應用電路圖如圖 3.2.4.3：圖 3.2.4.3：LM317 應用電路圖當穩(wěn)壓器離電源濾波器有一定的距離是 Cn 是必需的 Cn 對穩(wěn)定性而言不必要；但改進瞬態(tài)響應 Vout=1.25V(1+R2/R1)+IadjR2因為 Iadj 控制在小于 100ua，這一項的誤差在多數(shù)應用鐘可忽略。3.3 硬件各部分設計3.3.1 電源電路由于語音芯片 ISD4004 的工作電壓時 3V,不同于單片機的 5V 工作電壓，所以就必須有電源電