【文章內(nèi)容簡介】 錄音、監(jiān)控設(shè)備、高級趣味玩具、教學(xué)設(shè)備等部分產(chǎn)品。語音模塊通常由麥克風(fēng)差分輸入電路、語音芯片、后置音頻放大電路、揚聲器等部分構(gòu)成?？蓪⒛M數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲器EEPROM/FLASH ROM中儲存，還包括其它功能塊如內(nèi)部時鐘、前置放大器、濾波器、自動增益控制器（AGC）、功率放大器、控制邏輯等。本次設(shè)計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計數(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器，揚聲器驅(qū)動及FLASH 陣列。圖43 ISD1820電路原理圖ISD1820的主要特點有： 高質(zhì)量的語音還原；帶循環(huán)播放、點動播放、單遍播放三種功能；既可用單片機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)工作指示燈點動單遍錄音短接直通電源接單片機咪頭圖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按鍵可進行點動放音，即按住不松的時候放音，松開按鍵或播放完畢結(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為點動播放電平控制引腳，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)檢測到乘客上下車行為產(chǎn)生的信號時，單片機通過I/O口對 PE引腳發(fā)出電平信號，從而控制語音模塊來發(fā)出相應(yīng)的音頻，達到課題所要求的語音提示?？蛙嚪莱d智能語音提示系統(tǒng)所需要顯示的內(nèi)容簡單，非常適合用LED顯示屏來進行顯示。目前大部分LED顯示模塊原理大致相同，大多都是通過串口與單片機進行數(shù)據(jù)交換。本次設(shè)計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、鍵盤掃描等電路。本設(shè)計主要應(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)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出需要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃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，位選通由各自獨立的I/O線控制，單片機對位選通COM端電路的控制決定哪個亮，所以只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1到2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，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)，不會有閃爍感。動態(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級可調(diào))；串行接口(CLK、STB、DIO)；震蕩方式為RC振蕩(450KHz，浮動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功能說明01無關(guān)項，填000數(shù)據(jù)讀寫模式寫顯示寄存器0110讀鍵掃描數(shù)據(jù)010地址增加模式自動地址增加011固定地址010內(nèi)部測試模式普通模式011測試模式圖47 TM1638寫數(shù)據(jù)時序圖在完成各個功能模塊的設(shè)計后，就要通過單片機將各個模塊連接起來，最終完成課題所要求的客車防超載智能語音提示的功能。本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位的單片機——STM8，具體型號為S105。圖48 STM8S105板子實物圖ST的8位微控制器平臺是具有3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，基于高性能8位內(nèi)核，配有先進的成套外設(shè)。該平臺采用ST的130 nm嵌入式非易性存儲器專有技術(shù)。STM8通過增強型堆棧指針運算、先進的尋址模式和新指令實現(xiàn)快速、安全的開發(fā)。STM8S平臺打造8位微控制器的全新世代，高達20 ，有助于現(xiàn)有的8位系統(tǒng)向電壓更低的電源過渡。提供真正的EEPROM數(shù)據(jù)寫入操作，可達30萬次擦寫極限。功能包括10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多有16條通道，轉(zhuǎn)換用時小于3微秒；先進的16位控制定時器可用于馬達控制、捕獲/比較和PWM功能。、兩個UART接口、一個I2C端口、一個SPI端口。STM8S105的引腳圖如下：圖49 STM8S105引腳圖選好了單片機，就要把單片機與各模塊連接起來成為一個系統(tǒng)。如前所述，每個紅外傳感器有一個OUT引腳需要與單片機連線來發(fā)出感應(yīng)信號；每個ISD1820語音模塊都有一個PE引腳需要與單片機連線來接受電平信號；同時，TM1638模塊有三個引腳需要與單片機相連接，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引腳是外部時鐘引腳，STB是片選引腳。以上引腳都可以與單片機的GPIO引腳相連接，電源端和接地端與單片機的相同端相連接。連接好單片機與各模塊后，通過相應(yīng)的平臺進行編程并下載到單片機上，即可實現(xiàn)客車防超載智能語音提示的整體功能。 程序流程圖系統(tǒng)編程的程序流程圖如下：上車信號產(chǎn)生加一信號LED顯示模塊是否超載？單片機處理信號 其他功能模塊是語音提示模塊下車信號產(chǎn)生減一信號否圖410 系統(tǒng)實現(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)的硬件實現(xiàn)需要各個功能模塊的分別實現(xiàn)。信號檢測模塊部分采用紅外線反射式傳感器來實現(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，紅外線傳感器就開始工作了，若有人體經(jīng)過所設(shè)定的范圍時，傳感器接收到反射回來的紅外線發(fā)生變化，達到某一標(biāo)準(zhǔn)后，傳感器內(nèi)部通過三極管放大作用，輸出相應(yīng)的信號電平。利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強度來判定前方有無人體通過的傳感器。這種傳感器電路結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，靈敏度高，性能可靠，在距離適中的時候測量精度很高，很好地確保了計數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[12]。語音功能部分采用非常簡單的ISD1820模塊來實現(xiàn)。ISD1820模塊是一種8到20秒單段語音錄放電路，語音還原度高，有單遍播放、點動播放以及循環(huán)播放三種播放方式，操作簡單，用在客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的設(shè)計中非常合適。顯示部分采用TM1638的LED數(shù)碼管來實現(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)計后，接下來的工作就是將各模塊的引腳與單片機的引腳連接起來。紅外傳感器模塊輸出電平信號，語音模塊接收電平信號，這兩個模塊只需與單片機的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，不僅有DIO（數(shù)據(jù)輸入輸出接口），還有CLK（外部時鐘接口）和STB（片選端），三個引腳分別與單片機的三個GPIO引腳連接即可。最后，通過軟件平臺對單片機編寫程序并下載至單片機上，即可完成客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的硬件實物模型。第5章 聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)計 第5章 聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)計前面所闡述的是客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的基本功能的設(shè)計，在完成了這些設(shè)計并調(diào)試成功后，還可以結(jié)合實際應(yīng)用，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新功能的設(shè)計，如：加入聯(lián)網(wǎng)模塊，當(dāng)客車超載時通過聯(lián)網(wǎng)模塊將客車超載信息及時發(fā)送給交通管理系統(tǒng)等。 GSM聯(lián)網(wǎng)報警功能的實現(xiàn)無線通信包括微波通信、短波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、 散射通信等多種方式。本設(shè)計采用GSM（Global System for Mobile munication，即全球移動通信系統(tǒng)）模塊來實現(xiàn)無線通信報警。GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(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僅適用于中國市場，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價比高。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、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)用中的各類設(shè)計需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計。客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)報警采用SMS(Short Messaging Service，即短信服務(wù))，它是在手機之間發(fā)送文字信息或從個人計算機或手持設(shè)備向手機發(fā)送信息的一種方式，其文本信息的最大發(fā)送量為160個字符（字母、數(shù)字或者拉丁字母中的字符），對于中文一般最大發(fā)送量為70個字符。SIM900A芯片大部分指令都是以“AT”作為開頭，以回車（CR）作為結(jié)尾。對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。目前手機中默認使用PDU Mode，通過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)送方式比較簡單。本文通過文本模式發(fā)送短消息。本次設(shè)計采用的是一種圓版SIM900A模塊，此模塊尺寸極小，直徑僅33mm，電源引出，串口引出，開機線引出。模塊板子的供電范圍為4~5V電壓，2A電流，如果電流達不到可以并聯(lián)1000uf以上的電容來解決 。串口電平為TTL電平，可直接與單片機相連接。模塊板子上有兩個LED指示燈，一個是綠色，一個是紅色。綠色指示燈指示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，每秒閃一次表示沒有網(wǎng)絡(luò)，三秒閃一次表示已經(jīng)注冊網(wǎng)絡(luò)；紅色指示燈指示當(dāng)前工作狀態(tài)，工作時常亮。下面是圓版SIM900A模塊實物講解圖：圖51 圓版SIM900A模塊實物講解可先用PC機對SIM900A模塊進行調(diào)試。通過USB轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)接線將PC機與SIM900A模塊進行連接，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，校驗位無，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(回車換行)，若設(shè)備正常運轉(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程如下：①發(fā)送“AT”：自動匹配波特率并驗證連接狀態(tài)。②發(fā)送“AT+CMGF=1\r\n”：設(shè)置短消息模式，參數(shù)“1”表示進入文本模式，其中“\r\n”是回車換行的轉(zhuǎn)義符。③發(fā)送“AT+CSCA=+8613800311500\r\n”：設(shè)置短信中心號碼，此號為中國移動河北省短信中心號碼。④發(fā)送“AT+CMGS=18713507543\r\n”：準(zhǔn)備向手機號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模塊與單片機連線，使單片機通過程序控制SIM900A模塊在滿足條件后向特定的號碼發(fā)送特定的短信。單片機通過串口對SIM900A模塊進行數(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?。過程中要注意的一個問題是：在PC端調(diào)試的時候，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)把模塊接到單片機上利用串口傳輸數(shù)據(jù)進行操作時，模塊無反應(yīng)或者有時發(fā)送一條空短信，而沒有指定的短信內(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)的錯誤。解決方法很簡單，在單片機程序中每條短信指令后面加一個延時函數(shù)，尤其是“AT+CMGS=18713507543\r\n”這條指令后面，延時稍長。經(jīng)實驗，此處大概延時900ms左右合適，具體時間與所發(fā)送短信的長度有關(guān)，短信內(nèi)容越長，延時越長。本設(shè)計設(shè)定：客車標(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，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號車正在超載?。?；當(dāng)乘客人數(shù)由21人減少到20人或以下時，發(fā)送一條內(nèi)容為：“Alarm Is Disabled.”的短信（中文意思為：警告解除）。