【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 錄音、監(jiān)控設(shè)備、高級(jí)趣味玩具、教學(xué)設(shè)備等部分產(chǎn)品。語(yǔ)音模塊通常由麥克風(fēng)差分輸入電路、語(yǔ)音芯片、后置音頻放大電路、揚(yáng)聲器等部分構(gòu)成?？蓪⒛M數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EEPROM/FLASH ROM中儲(chǔ)存，還包括其它功能塊如內(nèi)部時(shí)鐘、前置放大器、濾波器、自動(dòng)增益控制器（AGC）、功率放大器、控制邏輯等。本次設(shè)計(jì)選用的語(yǔ)音模塊為美國(guó)ISD公司生產(chǎn)的ISD1820，這是一種8到20秒的單段語(yǔ)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。圖43 ISD1820電路原理圖ISD1820的主要特點(diǎn)有： 高質(zhì)量的語(yǔ)音還原；帶循環(huán)播放、點(diǎn)動(dòng)播放、單遍播放三種功能；既可用單片機(jī)控制也可用板子上的按鍵控制；。ISD1820的主要技術(shù)參數(shù)有：尺寸：42MM*38MM；工作電壓：直流3~5V。接喇叭短接循環(huán)工作指示燈點(diǎn)動(dòng)單遍錄音短接直通電源接單片機(jī)咪頭圖44 ISD1820語(yǔ)音模塊說(shuō)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(kāi)按鍵或內(nèi)存寫(xiě)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(kāi)按鍵或播放完畢結(jié)束放音。左邊的引腳中，VCC為電源端，GND為接地端，F(xiàn)T為直通電平控制引腳，PL為點(diǎn)動(dòng)播放電平控制引腳，PE為單遍播放電平控制引腳，REC為錄音電平控制引腳。錄好音頻后，在錄放模式下，當(dāng)檢測(cè)到乘客上下車(chē)行為產(chǎn)生的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)I/O口對(duì) PE引腳發(fā)出電平信號(hào)，從而控制語(yǔ)音模塊來(lái)發(fā)出相應(yīng)的音頻，達(dá)到課題所要求的語(yǔ)音提示?？蛙?chē)防超載智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)所需要顯示的內(nèi)容簡(jiǎn)單，非常適合用LED顯示屏來(lái)進(jìn)行顯示。目前大部分LED顯示模塊原理大致相同，大多都是通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。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(pán)掃描接口的LED驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)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(pán)掃描等電路。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用其中的LED顯示部分，其基本單元為八段LED共陰極數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)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(lèi)。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a、b、c、d、e、f、g、dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制決定哪個(gè)亮，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)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)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1到2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。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B7B6B5B4B3B2B1B0功能說(shuō)明01無(wú)關(guān)項(xiàng)，填000數(shù)據(jù)讀寫(xiě)模式寫(xiě)顯示寄存器0110讀鍵掃描數(shù)據(jù)010地址增加模式自動(dòng)地址增加011固定地址010內(nèi)部測(cè)試模式普通模式011測(cè)試模式圖47 TM1638寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖在完成各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)后，就要通過(guò)單片機(jī)將各個(gè)模塊連接起來(lái)，最終完成課題所要求的客車(chē)防超載智能語(yǔ)音提示的功能。本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位的單片機(jī)——STM8，具體型號(hào)為S105。圖48 STM8S105板子實(shí)物圖ST的8位微控制器平臺(tái)是具有3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，基于高性能8位內(nèi)核，配有先進(jìn)的成套外設(shè)。該平臺(tái)采用ST的130 nm嵌入式非易性存儲(chǔ)器專(zhuān)有技術(shù)。STM8通過(guò)增強(qiáng)型堆棧指針運(yùn)算、先進(jìn)的尋址模式和新指令實(shí)現(xiàn)快速、安全的開(kāi)發(fā)。STM8S平臺(tái)打造8位微控制器的全新世代，高達(dá)20 ，有助于現(xiàn)有的8位系統(tǒng)向電壓更低的電源過(guò)渡。提供真正的EEPROM數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作，可達(dá)30萬(wàn)次擦寫(xiě)極限。功能包括10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多有16條通道，轉(zhuǎn)換用時(shí)小于3微秒；先進(jìn)的16位控制定時(shí)器可用于馬達(dá)控制、捕獲/比較和PWM功能。、兩個(gè)UART接口、一個(gè)I2C端口、一個(gè)SPI端口。STM8S105的引腳圖如下：圖49 STM8S105引腳圖選好了單片機(jī)，就要把單片機(jī)與各模塊連接起來(lái)成為一個(gè)系統(tǒng)。如前所述，每個(gè)紅外傳感器有一個(gè)OUT引腳需要與單片機(jī)連線來(lái)發(fā)出感應(yīng)信號(hào)；每個(gè)ISD1820語(yǔ)音模塊都有一個(gè)PE引腳需要與單片機(jī)連線來(lái)接受電平信號(hào)；同時(shí)，TM1638模塊有三個(gè)引腳需要與單片機(jī)相連接，分別是DIO引腳、CLK引腳、STB引腳，DIO引腳是數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，CLK引腳是外部時(shí)鐘引腳，STB是片選引腳。以上引腳都可以與單片機(jī)的GPIO引腳相連接，電源端和接地端與單片機(jī)的相同端相連接。連接好單片機(jī)與各模塊后，通過(guò)相應(yīng)的平臺(tái)進(jìn)行編程并下載到單片機(jī)上，即可實(shí)現(xiàn)客車(chē)防超載智能語(yǔ)音提示的整體功能。 程序流程圖系統(tǒng)編程的程序流程圖如下：上車(chē)信號(hào)產(chǎn)生加一信號(hào)LED顯示模塊是否超載？單片機(jī)處理信號(hào) 其他功能模塊是語(yǔ)音提示模塊下車(chē)信號(hào)產(chǎn)生減一信號(hào)否圖410 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖 本章小結(jié)課題客車(chē)防超載智能語(yǔ)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)。信號(hào)檢測(cè)模塊部分采用紅外線反射式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，紅外線傳感器是利以紅外線為介質(zhì)的。紅外線的工作原理是：當(dāng)電源接通后，紅外線傳感器就開(kāi)始工作了，若有人體經(jīng)過(guò)所設(shè)定的范圍時(shí)，傳感器接收到反射回來(lái)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(guò)三極管放大作用，輸出相應(yīng)的信號(hào)電平。利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強(qiáng)度來(lái)判定前方有無(wú)人體通過(guò)的傳感器。這種傳感器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，靈敏度高，性能可靠，在距離適中的時(shí)候測(cè)量精度很高，很好地確保了計(jì)數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[12]。語(yǔ)音功能部分采用非常簡(jiǎn)單的ISD1820模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。ISD1820模塊是一種8到20秒單段語(yǔ)音錄放電路，語(yǔ)音還原度高，有單遍播放、點(diǎn)動(dòng)播放以及循環(huán)播放三種播放方式，操作簡(jiǎn)單，用在客車(chē)防超載智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中非常合適。顯示部分采用TM1638的LED數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)。TM1638的LED顯示屏的基本單元是共陰極八段數(shù)碼管。完成各模塊的設(shè)計(jì)后，接下來(lái)的工作就是將各模塊的引腳與單片機(jī)的引腳連接起來(lái)。紅外傳感器模塊輸出電平信號(hào)，語(yǔ)音模塊接收電平信號(hào)，這兩個(gè)模塊只需與單片機(jī)的GPIO（通用輸入輸出接口）連接即可。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。最后，通過(guò)軟件平臺(tái)對(duì)單片機(jī)編寫(xiě)程序并下載至單片機(jī)上，即可完成客車(chē)防超載智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)的硬件實(shí)物模型。第5章 聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)計(jì) 第5章 聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)計(jì)前面所闡述的是客車(chē)防超載智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)的基本功能的設(shè)計(jì)，在完成了這些設(shè)計(jì)并調(diào)試成功后，還可以結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新功能的設(shè)計(jì)，如：加入聯(lián)網(wǎng)模塊，當(dāng)客車(chē)超載時(shí)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)模塊將客車(chē)超載信息及時(shí)發(fā)送給交通管理系統(tǒng)等。 GSM聯(lián)網(wǎng)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信包括微波通信、短波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、 散射通信等多種方式。本設(shè)計(jì)采用GSM（Global System for Mobile munication，即全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信報(bào)警。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]。本設(shè)計(jì)采用目前市面上比較流行的SIM900A模塊，這是SIMCom公司推出新款緊湊型產(chǎn)品，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，SIM900A僅適用于中國(guó)市場(chǎng)，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24x24x3mm，能適用于M2M應(yīng)用中的各類(lèi)設(shè)計(jì)需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)?？蛙?chē)防超載智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)報(bào)警采用SMS(Short Messaging Service，即短信服務(wù))，它是在手機(jī)之間發(fā)送文字信息或從個(gè)人計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備向手機(jī)發(fā)送信息的一種方式，其文本信息的最大發(fā)送量為160個(gè)字符（字母、數(shù)字或者拉丁字母中的字符），對(duì)于中文一般最大發(fā)送量為70個(gè)字符。SIM900A芯片大部分指令都是以“AT”作為開(kāi)頭，以回車(chē)（CR）作為結(jié)尾。對(duì)于短消息的控制共有三種模式：Block Mode、基于AT指令的Text Mode、基于AT指令的PDU Mode。目前手機(jī)中默認(rèn)使用PDU Mode，通過(guò)PDU編碼的短消息內(nèi)容可以是文字、聲音或者圖像。Text Mode只能用于發(fā)送ANSI范圍的字符，發(fā)送方式比較簡(jiǎn)單。本文通過(guò)文本模式發(fā)送短消息。本次設(shè)計(jì)采用的是一種圓版SIM900A模塊，此模塊尺寸極小，直徑僅33mm，電源引出，串口引出，開(kāi)機(jī)線引出。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(lái)解決 。串口電平為T(mén)TL電平，可直接與單片機(jī)相連接。模塊板子上有兩個(gè)LED指示燈，一個(gè)是綠色，一個(gè)是紅色。綠色指示燈指示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，每秒閃一次表示沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)，三秒閃一次表示已經(jīng)注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)；紅色指示燈指示當(dāng)前工作狀態(tài)，工作時(shí)常亮。下面是圓版SIM900A模塊實(shí)物講解圖：圖51 圓版SIM900A模塊實(shí)物講解可先用PC機(jī)對(duì)SIM900A模塊進(jìn)行調(diào)試。通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)接線將PC機(jī)與SIM900A模塊進(jìn)行連接，打開(kāi)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(wú)，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位。設(shè)置完畢后，在PC端發(fā)送AT+ENTER(回車(chē)換行)，若設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將返回“OK”。如下圖所示：圖52 PC調(diào)試SIM900A模擬發(fā)送短信由上圖可以看出，利用SIM900A模塊發(fā)送短信的一般命令過(guò)程如下：①發(fā)送“AT”：自動(dòng)匹配波特率并驗(yàn)證連接狀態(tài)。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(chē)換行的轉(zhuǎn)義符。③發(fā)送“AT+CSCA=+8613800311500\r\n”：設(shè)置短信中心號(hào)碼，此號(hào)為中國(guó)移動(dòng)河北省短信中心號(hào)碼。④發(fā)送“AT+CMGS=18713507543\r\n”：準(zhǔn)備向手機(jī)號(hào)18713507543發(fā)送短信，發(fā)送完此條指令返回內(nèi)容后即可發(fā)送短信內(nèi)容。⑤發(fā)送HEX格式“1A”：HEX格式的“1A”相當(dāng)于進(jìn)行CTRL+Z操作，這是SIM900A發(fā)送完短信的固定要求。調(diào)試完畢后，就要把SIM900A模塊與單片機(jī)連線，使單片機(jī)通過(guò)程序控制SIM900A模塊在滿足條件后向特定的號(hào)碼發(fā)送特定的短信。單片機(jī)通過(guò)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(kù)函數(shù)方便的完成數(shù)據(jù)串口傳輸?shù)牟僮?。過(guò)程中要注意的一個(gè)問(wèn)題是：在PC端調(diào)試的時(shí)候，模塊工作正常，完成了模塊的配置與短信的發(fā)送，但是當(dāng)把模塊接到單片機(jī)上利用串口傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)，模塊無(wú)反應(yīng)或者有時(shí)發(fā)送一條空短信，而沒(méi)有指定的短信內(nèi)容，經(jīng)反復(fù)推敲調(diào)試，最終發(fā)現(xiàn)是由于指令發(fā)送后還未等到返回信息就立刻發(fā)送下一條指令所引發(fā)的錯(cuò)誤。解決方法很簡(jiǎn)單，在單片機(jī)程序中每條短信指令后面加一個(gè)延時(shí)函數(shù)，尤其是“AT+CMGS=18713507543\r\n”這條指令后面，延時(shí)稍長(zhǎng)。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(zhǎng)度有關(guān)，短信內(nèi)容越長(zhǎng)，延時(shí)越長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)設(shè)定：客車(chē)標(biāo)準(zhǔn)載客量為20人，當(dāng)乘客人數(shù)由20人增加到21人或以上時(shí)，SIM900A模塊發(fā)送一條內(nèi)容為“Warning: 49 Is Overloading!”的短信（中文意思為：警告：20049號(hào)車(chē)正在超載?。?；當(dāng)乘客人數(shù)由21人減少到20人或以下時(shí)，發(fā)送一條內(nèi)容為：“Alarm Is Disabled.”的短信（中文意思為：警告解除）。