【正文】 Embedded Workbench 軟件平臺(tái)對(duì) STM8S105 單片機(jī) 進(jìn)行編程，檢驗(yàn)客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的硬件模型是否實(shí)現(xiàn)了課題的要求。 單片機(jī)通過 串口對(duì) SIM900A 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， STM8S105 可用串口UART2，可以調(diào)用庫函數(shù) 方便的完成數(shù)據(jù)串口傳輸?shù)牟僮?。通過 USB 轉(zhuǎn) TTL 轉(zhuǎn)接線將PC 機(jī)與 SIM900A 模塊進(jìn)行連接，打開串口調(diào)試軟件，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)：波特率為 9600，校驗(yàn)位無，數(shù)據(jù)位 8 位，停止位 1 位。 Text Mode 只能用于發(fā)送 ANSI 范圍的字符，發(fā)送方式比較簡單。 GSM 模塊，是將 GSM 射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、 GSM 射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊 [16]。 TM1638 的 LED 顯示屏的基本單元是共陰極八段數(shù)碼管。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 程序流程圖 系統(tǒng)編程的程序流程圖如下： 圖 410 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖 本章小結(jié) 課題客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)需要各個(gè)功能模塊的分別實(shí)現(xiàn)。 STM8S 平臺(tái)打造 8 位微控制器的全新世代，高達(dá)20 MIPS 的 CPU 性能和 的電壓范圍，有助于現(xiàn)有的 8 位系統(tǒng)向電壓更低的電源過渡。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。 本次設(shè)計(jì)采用 深圳市天微電子有限公司研發(fā)的 TM1638 模塊，該模塊是 一種是帶鍵盤掃描接口的 LED 驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成有 MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、 LED 高壓驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描等電路。 第 4 章 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 19 本次設(shè)計(jì)選用的語音模塊為 美國 ISD 公司 生產(chǎn)的 ISD1820，這是一種 8到 20 秒的單段語音錄放電路，采用 CMOS 計(jì)數(shù)，內(nèi)含振蕩器， 話筒前置放大，自動(dòng)增益控制，防混淆濾波器，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及 FLASH 陣列。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 指示燈： 電路板上有一個(gè)紅色 LED,探 測到障礙時(shí)發(fā)光 。由于使用的是紅外線，所以抗干擾能力很強(qiáng)。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化（這種變化可能是變大也可能是變小，因?yàn)闊崦綦娮杩煞譃檎郎囟认禂?shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻），通過 轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 4 章 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 紅外線傳感器 的實(shí)現(xiàn) 紅外線傳感器是 利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。 自然界和人們生活中的大部分信號(hào)均為模擬信號(hào)。 要收集、處理信息，就必須要了解信號(hào)的基本原理。 符號(hào)管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。反射罩式數(shù)碼管有空封和實(shí)封兩種 封裝方式 。它是一種將一定的電子文件通過特定的傳輸設(shè)備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具。 放音 則是 錄音過程 的逆向運(yùn)算， 經(jīng)過一系列的電路轉(zhuǎn)化， 最后得到一個(gè)變化的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，將這種變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為空氣振動(dòng)， 最終 形成我們聽到的聲音。錄音方法分為機(jī)械錄音 (唱片錄音 )、磁性錄音、光學(xué)錄音等。 當(dāng)傳感器將外部由人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的聲光等信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳遞給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)通過 I/O 口及相關(guān)電路將信 號(hào)轉(zhuǎn)化為以 0 和 1 表示的數(shù)字信號(hào)，并依靠單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算控制功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，得出所需要的結(jié)果后在轉(zhuǎn)化成電信號(hào) I/O 口 傳遞給相應(yīng)的外圍模塊，驅(qū)動(dòng)外圍模塊工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。對(duì)于這種情況，可在同一門處安置兩個(gè)并排的 紅外線傳感器 ，根據(jù)兩個(gè)傳感器捕獲到信號(hào)的順序即可判斷出乘客是上車還是下車，這樣大大提高了計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性和這種方法的適用性。 可用 紅外線傳感器 分 別對(duì)上車乘客和下車乘客的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù) 。單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，其資源又能滿足很多應(yīng)用場合的需要，加之單片機(jī)具有 高集成度 、 極快的運(yùn)行速度 、 極小的體積 、 十分強(qiáng)大的功能 、 極低的功耗 、低廉 的 價(jià)格 等 有 點(diǎn)， 所以單片機(jī) 正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 首先，人數(shù)的測量通過重量、光線、壓力等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，這是模擬信號(hào)到模擬 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，需要用到傳感器及相應(yīng)的電路；電信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行邏輯處理要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)處理后再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，來驅(qū)動(dòng)各模塊工作；最終電信號(hào)通過顯示模塊、語音模塊等形成光線以及聲音信號(hào)，這又是模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。聲音、光線、壓力、溫度、電信號(hào)等都是模擬信號(hào)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算時(shí)使用數(shù)字信號(hào)。 （ 3） 結(jié)合所選擇的方法 的特 點(diǎn) ，選擇合適的元器件并確定 其 型號(hào)，最終用各模塊與單片機(jī)進(jìn)行硬件連線， 并利用軟件平臺(tái)編程，最終 實(shí)現(xiàn)課題所要求的功能。 壓力傳感器 ， 壓力傳感器可以將其感受的的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 這種方法 簡單直接， 并且 通過加入 一定的邏輯 算法 可以 實(shí)現(xiàn)較高可靠性的計(jì)數(shù)，但是受 環(huán)境 和 公交 車自身設(shè)計(jì)等 條件 的 限制比 較大， 墊子受潮可能會(huì)影響傳感器的準(zhǔn)確性。 還有一種技術(shù)是 將以上兩種紅外技術(shù)結(jié)合 ，形成 復(fù)合式紅外 線 技術(shù) ，這樣的 成本加大， 但 并 計(jì)數(shù)誤差的 減小程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與成本對(duì)應(yīng)的期望 ，因此極少應(yīng)用 。 被動(dòng)式紅外線傳感器通常附帶一個(gè)配套的 光學(xué)系統(tǒng)，它可以 檢測 一個(gè)立體空間內(nèi)的 紅外線信號(hào) 的變化。更不用說 高新科技領(lǐng)域的太空技術(shù) 、 海底探測技術(shù) 、 新的 醫(yī)療 設(shè)備 以及各種智能 化機(jī)器人 了 [4]。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中， 人們已經(jīng)使 用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使 生產(chǎn) 設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)， 從而 使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量 要求 。 城市交通漸漸成為各國研究的一大內(nèi)容。 其中單片機(jī)采用的型號(hào)為 STM8S105，顯示部分采用 TM1638 模塊，語音實(shí)體部分采用 ISD1820 語音模塊。 設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。由此產(chǎn)生的超載現(xiàn)象也成為一大安全隱患。 可模擬將客車超載的情況實(shí)時(shí)上報(bào)交通管理系統(tǒng)。 公交 超載 現(xiàn)象 不僅對(duì)車輛本身及其乘客 極其 不負(fù)責(zé)任，同樣對(duì)其他車輛和行人也造成了 威脅。 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中起到控制作用的一種芯片 —— 單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。然而，公共交通工具的超載現(xiàn)象也普遍存在于世界各國的各個(gè)角落 ，并沒有得到有效的解決。被動(dòng)式 紅外線傳感器 雖然能耗低，器件少，但是它 的精度 容 易受到 周圍環(huán)境以及 乘客著裝的影響， 并且 當(dāng)環(huán)境溫度與人體溫接 近時(shí) 或者 外界光照強(qiáng)烈時(shí)，準(zhǔn)確性 會(huì) 變 得極 差 [7]。其原因?yàn)閭鹘y(tǒng)技術(shù)雖然設(shè)備本身成本較低，但比較容易損壞；而用高新技術(shù)來測量則需要很好的成本，這顯然是不科學(xué)的。 傳感器的基本原理與分類 傳感器（英文名稱： transducer/sensor）是一種檢測裝置， 它 能感受到被測量的信息，并能將 感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出 。檢測其中某一 指標(biāo) 的變化，便可探測出 熱 輻射。 人們得到的消息、情報(bào)或知識(shí)稱為信息；而傳輸信息的載體或者說信息的具體表現(xiàn)形式稱作信號(hào)。 與計(jì)算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)的智能系統(tǒng)都 使用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) 來進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、運(yùn)算與處理 ，在 互聯(lián)網(wǎng) 中實(shí)際傳送的則既有二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，也有由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換而得的模擬信號(hào)。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。 要進(jìn)行客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就要進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)化，將各種信號(hào)最終轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以處理的邏輯信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），這將會(huì)用到傳感器以及各種轉(zhuǎn)化電路。 發(fā)生信號(hào)的捕獲 作為 整個(gè)客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，如何準(zhǔn)確、快速地捕獲由于乘客上下車而產(chǎn)生的信號(hào)是重中之重。因此，如何選取 合適的中央控制單元 ，如何正確使用 控制單元 也就變得 尤為 重要了。要完成課題，可在其中任意選擇一種。 模擬方式，就是將聲音 在 空氣 中產(chǎn)生的 震動(dòng)，變成大小強(qiáng)弱 相對(duì)應(yīng)的連續(xù)的電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)變 為連續(xù)的磁信號(hào)，記錄在能被磁化的 某些 介質(zhì)上，如鋼絲錄音機(jī)（ 這是 很早的設(shè)備） ， 磁帶錄音機(jī)就是 一用 這個(gè)原理 制作成的 ?？梢苑奖愕剡M(jìn)行語音的錄制與播放。隨著大規(guī)模集成電路 與 計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷 發(fā)展 ， LED 顯示器正在迅速崛起 。這種方式一般用于四位 及 以上的數(shù)字顯示（或符號(hào)顯示） [14]。其他類型筆畫顯示器最高可達(dá) （ 英寸）甚至達(dá)數(shù)百 mm； 按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種； 按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式； 從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種 [15]。計(jì)數(shù)的方式有很多 ，人工計(jì)數(shù)古老而簡單，但不準(zhǔn)確，自動(dòng)化計(jì)數(shù)方法要用到傳感器，即把各種參量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化，然后通過單片機(jī)對(duì)電信號(hào)變化的處理進(jìn)行計(jì)數(shù)。 提示功能包含語音功能和顯示功能。紅外線傳感器測量時(shí)不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外線讓人覺得只由熱的物體放射出來，可是事實(shí)上不是如此，凡是存在于自然界的物體，如人類、火、冰等等全部都會(huì)射出紅外線，只是其波長因其物體的溫度而有差異而已。 紅外線的工作原理第 4 章 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 17 是，當(dāng)電源接通后，紅外線傳感器就開始工作了， 若有人體經(jīng)過 所設(shè)定的范圍時(shí)，傳感器接收到反射回來的紅外線 發(fā)生變化， 達(dá)到 某一標(biāo)準(zhǔn) 后 ，傳感器內(nèi)部通過三極管放大作用，輸出 相應(yīng)的信號(hào) 電平，我們可以利用 單片機(jī) 判斷后，執(zhí)行相應(yīng)的程序， 從而 達(dá)到 課題所要求的功能 。左邊的部分為紅外線發(fā)射及接受部分，由這部分發(fā)出紅外線并接收返回的光線，當(dāng)在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)遇到障礙物時(shí)，返回的信號(hào)發(fā)生變化，模塊產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，同時(shí)電路板上的紅色指示燈發(fā)光。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 44 ISD1820 語音模塊 說明 圖 如 圖 43 中所示，在模塊工作情況錄放模式下，按住 REC 按鍵即可進(jìn)行錄音，松開按鍵或內(nèi)存寫滿錄音結(jié)束；按一次 PLAYE 按 鍵可進(jìn)行一次全段放音，斷電或放完錄音則放音結(jié)束； 按 住 PLAYL 按鍵可 進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)放音，即按住不松的時(shí)候放音， 松開按鍵或播放完畢結(jié)束放音。 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出 需 要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 本次涉及所采用的 TM1638 模塊的主要特性有： 采用功率 CMOS 工藝 ；顯示模式 10 段 8 位 ； 輝度調(diào)節(jié)電路 (占空比 8 級(jí)可調(diào) )； 串行接口 (CLK、STB、 DIO)； 震蕩方式為 RC 振蕩 (450KHz，浮動(dòng) 5%)； 內(nèi)置上電復(fù)位電路 ； 圖 45 TM1638 引腳圖 圖 46 TM1638 共陰極顯示原理圖 第 4 章 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 23 TM1638 模塊的數(shù)據(jù)命令設(shè)置 如下所示： 表 41 TM1638 模塊的數(shù)據(jù)命令設(shè)置表 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 功能 說明 0 1 無關(guān)項(xiàng)， 填 0 0 0 數(shù)據(jù)讀寫模式 寫顯示寄存器 0 1 1 0 讀鍵掃描數(shù)據(jù) 0 1 0 地址增加模式 自動(dòng)地址增加 0 1 1 固定地址 0 1 0 內(nèi)部測試模式 普通模式 0 1 1 測試模式 圖 47 TM1638 寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖 各模塊與單片機(jī)的連接 在完成各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)后，就要通過單片機(jī)將各個(gè)模塊連接起來，最終完成課題所要求的客車防超載智能語音提示的功能。其它外設(shè)包括一個(gè) 接口、兩個(gè) UART 接口、一個(gè) I2C 端口、一個(gè) SPI 端口。 利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強(qiáng)度來判定前方有無 人體通過的傳感器。顯示模塊相比較稍微復(fù)雜一點(diǎn)，不僅有 DIO（數(shù)據(jù)輸入輸出接口），還有 CLK（外部時(shí)鐘接口）和 STB（片選端），三個(gè)引腳分別與單片機(jī)的三個(gè) GPIO 引腳連接即可。另外， SIM900A 的尺寸大小為 24x24x3mm，能適用于 M2M 應(yīng)用中的各類設(shè)計(jì)需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。模塊 板子 的 供電范圍 為 4~5V電壓， 2A 電流 ， 如果電流達(dá)不到可以并聯(lián) 1000uf 以上 的 電容 來 解決 。 ② 發(fā)送“ AT+CMGF=1\r\n”：設(shè)置短消息模式，參數(shù)“ 1”表示進(jìn)入文本模式，其中“ \r\n”是回車換行的轉(zhuǎn)義符。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，此處大概延時(shí) 900ms 左右合適，具體時(shí)間與所發(fā)送短信的長度有關(guān)，短信內(nèi)容越長，延時(shí)越長。 為了方便演示，初始車載乘客數(shù)量設(shè) 置為 18 人，最大載客量為 20 人。 當(dāng)受到警告用手通過下車門傳感器的感應(yīng)區(qū)域，表示乘客下車，將乘客數(shù)量減少到 20（含）人 以