公交车汉字显示系统.docx

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公交车汉字显示系统

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

公交车汉字显示系统

院、系：

荣成学院电气工程系

姓名：

于洋

指导教师：

邹丽君

系主任：

王哈力

2013年06月14日

公交车汉字显示系统

摘要

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。

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　89C51单片机；LED点阵显示；语音芯片

摘要

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第1章绪论

1.1课题背景

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。

1.2问题的提出及研究的意义

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。

1.3相关的理论与方法综述

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、语音的存储处理、语音的播放以及汉字的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，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。

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。

1.3.1语音电路方法论证

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A/D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（InformationStorageDevices）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。

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。

1.3.2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1-1所示：

图1-1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1μA，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*16LED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。

第2章硬件电路的设计

2.1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。

2.2相关芯片介绍

本设计运用以下芯片STC89C52RC单片机，ISD4004语音芯片，74HC138，LM317通过相对应的电路构成硬件部分的基本组成。

2.2.1STC89C52RC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[10]。

如图2-1

图2-1STC89C52RC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2-1所示P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

表2-1P3口的第二功能

口线

第二功能

P3.0

RXD

串行数据接收（输入）端

P3.1

TXD

串行数据发送（输出）端

P3.2

INT0

外部中断0输入端

P3.3

INT1

外部中断0输入端

P3.4

T0

定时/计数器T0的外部输入端

P3.5

T1

定时计数器T1的外部输入端

P3.6

WR

外数据存储器写选通信号，低电平有效

P3.7

RD

外数据存储器读选通信号，低电平有效

STC89C52RC单片机主要性能参数：

（1）时钟频率（HZ）：

0~80M；

（2）8Kash程序存储器；

（3）512内程序存储器（RAM）；

（4）2个数据指针；

（5）3个16位定时器/计数器T0/T1；

（6）4个8位输入输出接口（P0~P3），共32根I/O口线；

（7）8个中断源；

（8）4个优先级；

（9）看门狗电路。

2.2.2ISD4004语音芯片

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，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3V，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2-2所示[1]。

图2-2ISD4004系列语音芯片外部引脚图

1、简述

（1）单片8分钟语音录放；

（2）内置微控制器串行通信接口；

（3）3V单电源工作；

（4）多段信息处理；

（5）工作电流25-30mA，维持电流1μA；

（6）不耗电信息保存100年（典型值）；

（7）高质量、自然的语音还原技术；

（8）10万次录音周期（典型值）；

（9）自动静噪功能；

（10）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（ANAIN+）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3kΩ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（ANAIN）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（AUDOUT）提供音频输出，可驱动5kΩ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218.75μs是高电平，31.25μs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：

（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（8位控制码）加（16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。

4、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。

5、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POWERUP命令；

（2）等待TPUD（上电延时）；

（3）发POWERUP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[5]。

2.2.374HC138芯片

74HC138是一款高速器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

如图2-3所示。

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[2]。

图2-374HC138外部引脚图

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[4]。

2.2.4LM317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