【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 30 附錄 B 硬件原理圖 45 附錄 C 程序清單 46 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 課題研究的背景 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程越來(lái)越快，城市人口急劇增加從而使城市交通壓力不 斷 增大，在倡導(dǎo)綠色低碳環(huán)保的今天，公交車(chē)作為城市公共交通的重要方式，是城市居民出行的重要工具。因?yàn)楣卉?chē)具有方便、快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。公共汽車(chē)為外出的人們提供了方便快捷的服務(wù)，而公共汽車(chē)的報(bào)站直接影響 到 服務(wù)的質(zhì)量。 課題研究的意義 傳統(tǒng)由乘務(wù)人員人工報(bào)站的方式工作強(qiáng)度大且效果差，并需 要大量的人力資源。而通過(guò)單片機(jī)和語(yǔ)音芯片的結(jié)合， 使得公交車(chē) 到站信息及提示信息以語(yǔ)音和顯示的方式告知乘客， 為市民提供更人性化，完善的服務(wù)，并且節(jié)省了大量的人力資源。 公交車(chē)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)還可以結(jié)合每條線(xiàn)路的特點(diǎn)和實(shí)際情況自主設(shè)定不同的報(bào)站方式和站點(diǎn)設(shè)置，在為乘客提供方便的同時(shí)也便于公交車(chē)的運(yùn)營(yíng)和司乘人員的操作。 課題研究的主要內(nèi)容 本論文主要是對(duì) C 語(yǔ)言和單片機(jī)的一些基本知識(shí)、概念的應(yīng)用學(xué)習(xí)和研究，以及 STC89C52 芯片模塊、 ISD4004 語(yǔ)音模塊 和 LCD12864 液晶屏 的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與語(yǔ)音控制芯片系統(tǒng)互聯(lián)，通過(guò)按鍵，系統(tǒng)可播報(bào)相應(yīng)的車(chē)站信息或者公益提醒， 也可以實(shí)現(xiàn)錄音和放音功能。本設(shè)計(jì)的主要工作有以下幾個(gè)方面： 整體方案的設(shè)計(jì) 方案的選擇要符合芯片功能的要求，既要保證操作簡(jiǎn)單 適合公交司機(jī)操作 ，又要體現(xiàn)出本產(chǎn)品的特點(diǎn)，本文研究設(shè)計(jì)的帶錄音功能的 公交車(chē)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng) 是采用STC89C52 單片機(jī)和 ISD4004 語(yǔ)音芯片，用來(lái)實(shí)現(xiàn) 公交車(chē)站信息 的 播放以及錄音和放音功能，用 LCD12864 帶中文字庫(kù)的液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)公交站名的顯示。 程序流程圖及軟件設(shè)計(jì) 一個(gè)程序要想實(shí)現(xiàn)其功能，不 能沒(méi)有次序而盲目下手，必須對(duì)其有一個(gè)全面的了石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 解后畫(huà)出流程框圖，然后逐個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)其功能，最終把模塊之間合理的連接起來(lái)，構(gòu)成完整程序。本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)、延時(shí)子程序的設(shè)計(jì)、錄音子 程序 的設(shè)計(jì)、放音子 程序 的設(shè)計(jì)、 液晶屏 的顯示設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)、以及 主程序 設(shè)計(jì)等。整個(gè)系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序相對(duì)比較優(yōu)化易修改和調(diào)試 ， 系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)是用 C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的。 系統(tǒng)原理圖及硬件調(diào)試 本設(shè)計(jì)在進(jìn)行硬件原理分析后，需要連接實(shí)物進(jìn)行實(shí)際操作，檢驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)是否可以行得通。需要在 protel99SE 環(huán)境 下畫(huà)出硬件原理圖并進(jìn)行電氣測(cè)試，檢測(cè)無(wú)異議后進(jìn)行硬件系統(tǒng)的調(diào)試，為了保證系統(tǒng)的可靠性分析查找，硬件的調(diào)試 分模塊分別進(jìn)行了模擬 。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 方案 功能要求 通過(guò) STC89C52 芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的讀取并將所對(duì)應(yīng)的信息送至揚(yáng)聲器 同時(shí) 將到站信息通過(guò)液晶屏顯示； 語(yǔ)音芯片 ISD4004 完成語(yǔ)音模塊，實(shí)現(xiàn)公交站信息的錄入及到站時(shí)的放音功能； 采用兩個(gè)獨(dú)立按鍵，作為錄音和放音的控制鍵； 采用 LCD12864 液晶屏，顯示相對(duì)應(yīng)的站的信息； 設(shè)計(jì)思路 電路總體上分為 主 芯片控制部分 、 語(yǔ) 音芯片 和液晶顯示 部分。以 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制電路，控制 獨(dú)立按鍵 對(duì)錄音放音的選擇，具體顯示內(nèi)容及方式由軟件來(lái)完成。語(yǔ)音部分由 ISD4004 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)多功能的語(yǔ)音芯片，可以多次重復(fù)錄放，本設(shè)計(jì)正是運(yùn)用此特點(diǎn)，完成錄音和放音功能的。具體步驟是：先錄入 兩站的信息 ，存儲(chǔ)到芯片內(nèi)部，建立 語(yǔ)音 庫(kù)，并且具體鎖定到 對(duì)應(yīng)的地址中 ，通過(guò)按 鍵的次序播放不同的信息 。 方案選擇 顯示 模塊選擇方案 方案一： 用 LCD1602 液晶顯示，但是由于 1602 主要顯示英文和字符，不適合用于帶漢字的 公交車(chē)報(bào)站。 方案二：采用 LCD12864 不帶字庫(kù)芯片， 但 需要用取模軟件取模， PROTEUS 可以仿真 HT1621（ 1602） KS0108(12864) T6963C(24064)，等系列的模塊， 需 先學(xué) 會(huì)仿真軟件 方案三：采用 帶字庫(kù)的 LCD12864 芯片，可直接調(diào)用字庫(kù)，使用比較方便。 鑒于上述對(duì)比與分析，本設(shè)計(jì)采用方案三 。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 按鍵選擇方案 方案一：采用 STC89C52 的獨(dú)立鍵盤(pán)，其獨(dú)立鍵盤(pán)有 4 個(gè)按鍵，按鍵數(shù)量 符合錄音和放音兩個(gè)按鍵的需要。 方案二：采用 STC89C52 的矩陣鍵盤(pán)，其矩陣鍵盤(pán)具有 16 個(gè)按鍵，數(shù)量 太多，不如獨(dú)立按鍵方便。 故采用 K1 和 K2 兩個(gè)獨(dú)立按鍵， K1 為放音鍵，按第一下時(shí)，對(duì)應(yīng)播放第一站信息，同時(shí)調(diào)用顯示子程序，在液晶屏上顯示對(duì)應(yīng)信息。按第二下時(shí)，對(duì)應(yīng)播放第二站信息，并在液晶屏上顯示信息。 K2 為錄音鍵，按下時(shí)，錄制第一段語(yǔ)音信息并存放在對(duì)應(yīng)的地址中，按下第二下時(shí)，錄制第二段語(yǔ)音信息并存放于第二段語(yǔ)音對(duì)應(yīng)的地址中，以方便調(diào)用。 芯片選擇方案 方案一： AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 型 8 位單片機(jī)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù) 生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。其片內(nèi)的 4K 程序存儲(chǔ)器是 FLASH 工藝的，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)我們的勞動(dòng)成果。再者， AT89C51 目前的售價(jià)比 8031 低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于 4K，四個(gè) I/O 口全部提供給用戶(hù)?？捎?5V電壓編程，而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需l0ms。 AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 PO 口是三態(tài)雙向口，通稱(chēng)數(shù)據(jù)總線(xiàn)口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀 /寫(xiě)操作 [1]。 方案二： STC89C52 單片機(jī)的指令系統(tǒng)和 AT89C51 系列 的完全兼容 AT89C51 不帶 ISP 下載，要用下載器才行， STC89C52 可以用你的 USB 轉(zhuǎn)串口下載，下載軟件可以到 STC 廠(chǎng) 家網(wǎng)上 去 下。 STC 單片機(jī)執(zhí)行指令的速度很快，大約是 AT 的 330 倍， 所以 在 AT 上好使的程序在 STC 上不一定好用，最典型的例 子就是那些對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格 要 求的模塊，比如 IIC， DS18B DS1302 等的時(shí)序。再者， 由于 執(zhí)行速度 的加快 ，非定時(shí)器控制的精確延時(shí) 也會(huì)受到一定 影響，用 STC 時(shí)注意得加長(zhǎng)延時(shí)，大約是 AT 的 10—30 倍 。 片機(jī)對(duì)工作環(huán)境的要求比較低，電壓低于 5 伏時(shí)仍然正常工作，甚至 3 伏到4 伏之間都還可以工作，然而這樣的環(huán)境下 AT 肯定不行了，所以當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)用 STC石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 單片機(jī)好用，但用 AT 的單片機(jī)不工作時(shí)，直接查最小系統(tǒng)，看單片機(jī)的供電是否正常。 比較這兩種方案，由于在學(xué)校期間學(xué)過(guò)數(shù)字電路、單片機(jī)原理、 C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，綜合考慮單 片機(jī)的各部分資源和作為學(xué)生能夠獲得的資源，經(jīng)過(guò)對(duì)比此次設(shè)計(jì)要求，我選擇用 STC 系列芯片完成。而且學(xué)校也提供了相應(yīng)的硬件操作平臺(tái)，實(shí)際操作起來(lái)比較方便，故 STC 為更合理的選擇。 總體設(shè)計(jì)框圖 按照系統(tǒng)功能的具體要求，在保證實(shí)現(xiàn)其功能的然礎(chǔ)上，盡可能降低系統(tǒng)成本?？傮w設(shè)計(jì)方案圍繞上述思想，初步確定系統(tǒng)的方案如圖 21 所示 ： 圖 21 系統(tǒng)初步方案 從圖中可以看出，系統(tǒng)有微處理器模塊、 液晶屏 顯示模塊、 獨(dú)立按鍵 模塊和 語(yǔ)音模塊組成。在方案設(shè)計(jì)中， 遵循簡(jiǎn)潔至上的原則，因此所有的外圍模塊采用串行方式與微處理器模塊接口。該設(shè)計(jì)以 STC89C52 系列單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn) 公交車(chē)語(yǔ)音報(bào)站 基本功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為了更好地采用模塊化設(shè)計(jì)法，分步的設(shè)計(jì)各個(gè)單元功能模塊，系統(tǒng)的硬件部分可以分為鍵盤(pán)設(shè)定、單片機(jī)控制、 LCD 顯示和 語(yǔ)音控制四大部分。 S T C 8 9 C 5 2 單片機(jī) LCD12864 液晶顯示屏 ISD4004 語(yǔ)音模塊 獨(dú)立按鍵 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 概述 此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要由 4 個(gè)大的模塊構(gòu)成，分別是主控模塊、語(yǔ)音芯片模塊、LCD 液晶 顯示模塊、鍵盤(pán)控制模塊，其中主控模塊是此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心模塊，主要是指 STC89C52 芯片，它控制整個(gè)系統(tǒng) 的運(yùn)行，利用其各個(gè)口分別控制其他模塊，使其他模塊能夠成為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)功能的需要；語(yǔ)音模塊主要指 ISD4004 芯片和LM386 芯片，用 ISD4004 來(lái)實(shí)現(xiàn)錄音功能， LM386 實(shí)現(xiàn)功率放大；而 LCD 液晶 顯示模塊是整個(gè)系統(tǒng)的輔助模塊，用來(lái)顯示 到站信息 ；按鍵控制模塊則是用按鍵來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的是哪個(gè)功能，對(duì)應(yīng)錄音、放音。 主控模 塊 STC89C52 芯片的簡(jiǎn)介 功能特性： STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼 容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，如圖 31 所示。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 主要性能：與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容、 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器、 1000次擦寫(xiě)周期、全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn) 、三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器八個(gè)中斷源、全雙工 UART 串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門(mén)狗定時(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識(shí)符 [1]。 如圖 31： 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 31 STC89C52芯片 管腳說(shuō)明： P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的 低 八位。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流， 這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為 低 八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) ―1‖時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào) [2] 。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸由于外石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口，如表 31 所示： 表 31 P3口的第二功能 接口 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變 的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 PSEN： 外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反 相 振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反 相 振蕩器的輸出。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反相 放大器的輸入和輸出。該反 相 放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 主控模塊電路原理圖 單片機(jī)主 控 模塊 由 STC89C52 芯片和晶振復(fù)位組成。 復(fù)位和晶振電路通過(guò)接口與單片機(jī)個(gè)引腳相連，復(fù)位電路接到 RST 口，晶振接到 XTAL1 口和 XTAL2 口上。 如圖 32， 33 所示 ： 圖 32 STC89C52芯片