【文章內容簡介】 線式計算機的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。 單片機 不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備構成，相當于一個微型的計算機（最小系統(tǒng)），和計算機相比，單片機只缺少了 I/O 設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。 單片機是 依 靠程序的，通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，尤其是 有特別要求的的 一些功能，這是 其他 器件 很不容易 做到的，有些則是 根本無法 做到的。 單片機是指芯片本身，而單片機系 統(tǒng)是為實現(xiàn)某一個控制應用需要 專門設計的，是一個圍繞單片機芯片而 建立 的計算機應用系統(tǒng)，這 就 是單片機應用系統(tǒng)。單片機開發(fā)系統(tǒng)是指單片機開發(fā)調試的工具。單片機自問世以來，性能不斷提高和完善，其資源又能滿足很多應用場合的需要，加之單片機具有 高集成度 、 極快的運行速度 、 極小的體積 、 十分強大的功能 、 極低的功耗 、低廉 的 價格 等 有 點， 所以單片機 正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機應用系統(tǒng)。 綜合以上特性不難發(fā)現(xiàn)，單片機非常適合成為本次設計的中心邏輯處理芯片。 本章小結 客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的核心處理芯片適合采用單片機，來達 到自動化、智能化的功能要求。 要進行客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的設計，就要進行信號的轉化，將各種信號最終轉化為單片機可以處理的邏輯信號（數(shù)字信號），這將會用到傳感器以及各種轉化電路。 在了解了基本原理后，接下來我們就要討論 客車防超載智能語音提示系統(tǒng) 各個部分的設計。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)的總體結構設計 由前面的分析容易知道， 課題 所要設計的客車防超載智能語音提示系統(tǒng)由把人產生的信號轉化成電信號的電路、電信號 通過單片機處理的電路以及經過處理后的信號最后轉化成聲音、光線等信號的電路三部分構 成。 圖 31 是其原理框圖： 圖 31 系統(tǒng)總體方案示意圖 基本設計思路為：乘客由于上下車的行為而產生信號， 信號被敏感器件捕獲然后經由轉化電路轉化為電信號，然后單片機對信號進行處理，處理過后的信號再轉化成電信號驅動顯示模塊、語音模塊等外圍模塊，最終轉化為聲音、光線等易被人感知的信號，完成智能語音提示。 乘客上下車 轉化電路 單片機處理 轉化電路 顯示語音模塊 第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設計 9 計數(shù)方式的確定 綜合分析前述各種計數(shù)方法的特點，可知用 紅外線傳感器 來進行計數(shù)非常合適，既準確又經濟，可實現(xiàn)性好。 可用 紅外線傳感器 分 別對上車乘客和下車乘客的數(shù)量進行計數(shù) 。當上車部分的 紅外線傳感器 捕獲到信號時，將信號轉化為電信號傳送給單片機，利用單片機內部邏輯進行加一計數(shù)，即車載乘客數(shù)加一； 當 下 車 部分 的 紅外線傳感器 捕獲到信號時， 將信號 轉化為電信號傳送給單片機，利用單片機內部邏輯進行 減 一計數(shù)，即車載乘客數(shù) 減 一 。 由當前車載人數(shù)和上下車乘客數(shù)量即可實現(xiàn)對車載乘客數(shù)量的計數(shù)。 發(fā)生信號的捕獲 作為 整個客車防超載智能語音提示系統(tǒng)的基礎環(huán)節(jié)，如何準確、快速地捕獲由于乘客上下車而產生的信號是重中之重。 前面已經說明要用 紅外線傳感器 來對上下車的 乘客進行計數(shù)， 紅外線傳感器 的作用過程為乘客通過傳感器前面的感應區(qū)域時，擋住紅外線，使原來的狀態(tài)發(fā)生變化，相應的傳感器電路中電信號也發(fā)生變化，電信號再傳遞給單片機進行邏輯處理。 通常情況下， 大部分 客車 有兩個門或三個門， 分 別 為上車門與下車門，分門專用，既簡單又方便。只要分別在上車門與下車門安置各自的 紅外線傳感器 即可對上車人數(shù)與下車人數(shù)進行計數(shù)。 然而， 有些車兩門 通 用，既能上車又能下車，如果還按照上述方法安置傳感器進行計數(shù) ，則 將差生誤差，無法有效達成計數(shù)的目的。對于這種情況，可在同一門處安置兩個并排的 紅外線傳感器 ，根據兩個傳感器捕獲到信號的順序即可判斷出乘客是上車還是下車，這樣大大提高了計數(shù)的準確性和這種方法的適用性。 并排雙傳感器作用過程 如下圖所示： 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 圖 32 并排雙傳感器 示意圖 假設 紅外線傳感器 未感應到人體運動時的狀態(tài)為 0，感應到人體通過時的狀態(tài)為 1，則上圖的乘客上車運動過程可表示為： （ 0， 0） →（ 1， 0） →（ 1， 1）→（ 0， 1）→（ 0， 0） 步驟 1 步驟 2 步驟 3 步驟 4 步驟 5 同理，乘客下車的運動過程可表示 為： （ 0， 0）→（ 0， 1）→（ 1， 1）→（ 1， 0）→（ 0， 0） 步驟 1 步驟 2 步驟 3 步驟 4 步驟 5 （紅外線發(fā)射器） （紅外線接收器） 步驟 1 步驟 2 步驟 4 步驟 5 步驟 3 第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設計 11 控制系統(tǒng)對信號的處理 在 客車防超載智能語音提示系統(tǒng) 的設計中， 中央控制單元是極其重要的部分 。其性能直接影響到整個系統(tǒng)的性能指標。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。 中央控制單元 在 客車防超載智能語音提示系統(tǒng) 中的主要作用就是將 傳感器傳遞過來的電信號轉化為邏輯信號 ， 并依靠其內部所儲存的程序對信號進行運算處理，最終用處理好的信號驅動外圍 的 模 塊（ 如 顯示 模塊、語音模塊等） 實現(xiàn)在 系統(tǒng)所要求的功能 [11]。 如前所述， 目前 適合 的 中央控制單元是單片機 。 單片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強以及運算速度快等優(yōu)點，因此非常適合用在客車防超載智能語音提示系統(tǒng)中作為中央控制單元。 單片機在本次客車防超載智能語音提示系統(tǒng)中的作用是中央控制與處理，分析各個模塊傳遞來的信號，并將所有信號依據單片機所下載的程序進行處理，最后返回給各個模塊，驅動模塊實現(xiàn)功能。 當傳感器將外部由人體運動所產生的聲光等信號轉化為電信號并傳遞給單片機時，單片機通過 I/O 口及相關電路將信 號轉化為以 0 和 1 表示的數(shù)字信號，并依靠單片機強大的運算控制功能對信號進行分析處理，得出所需要的結果后在轉化成電信號 I/O 口 傳遞給相應的外圍模塊，驅動外圍模塊工作，實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能。 目前，比較常見 常用 的單片機有 基于 8051 內核 的 51 單片機、 PIC 系列單片機、 飛思卡爾單片機 、 意法半導體公司生產 的 8/32 位單片機（ STM8系列、 STM32 系列） 以及 美國德州儀器（ TI） 推出的的 MSP430 系列單片機 等 。 以上所述的 單片機功能強大，技術成熟，對于客車防超載智能語音提示系統(tǒng)課題中所要求的功能完全可以勝任運算控制單 元，都是完成課題非常不錯的選擇。要完成課題，可在其中任意選擇一種。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 語音功能的選擇 本設計為客車防超載智能語音提示系統(tǒng)，顧名思義，最終要用語音進行提示，即當滿足某一條件（客車超載）時播放相對應的錄音，這就首先要對語音進行收集和記錄。 將聲音信號記錄在媒質上的過程 稱為錄音 。將媒質上記錄的信號重放出聲音來的過程稱為放音。 錄音的一般方法為：發(fā)出聲音， 使聲音通過傳聲器、放大器 等電路 轉換為電信號， 然后 用不同的材料和工藝記錄下來。錄音方法分為機械錄音 (唱片錄音 )、磁性錄音、光學錄音等。隨著激光技術的發(fā)展，出現(xiàn)了 激光錄音法，提高了錄音的音質 [12]。 記錄聲音的方式常用的不外乎兩種，一種是模擬，一種是數(shù)字 。 模擬方式，就是將聲音 在 空氣 中產生的 震動，變成大小強弱 相對應的連續(xù)的電信號，然后轉變 為連續(xù)的磁信號，記錄在能被磁化的 某些 介質上，如鋼絲錄音機（ 這是 很早的設備） ， 磁帶錄音機就是 一用 這個原理 制作成的 。被磁化的介質以 特 定的速度通過線圈（磁頭） 的 時 候 ，變化的磁場感生出變化的電場， 然后 形成對應變化的電流， 最后 將這種電流通過 某種方式 放大，即 可 還原出原來 記錄的聲音 。 還有一種 模擬方式是 不 用磁介質的， 那 就是黑膠唱片，它的原理前面 和磁介質 方法的原理 是一樣的，也 就 是將空氣 的 震動信號變成 相應 電信號，但后面 不同， 是將電信號 重新 再轉換成一種機械振動， 通過 帶動一根記錄針，將振動的規(guī)律 完整的記錄在黑膠母碟上， 就是在母碟 的表面 上刻出一圈一圈的凹槽， 這樣 就制作出黑膠唱片的母版， 再 然后通過一定的技術手段 進行 翻版 ，就能做 出能實用的黑膠唱片。還原聲音 的時候 ，則正好是上述記錄過程的 逆向 ，將唱針放 在 凹槽里，轉動唱片， 這時 唱針就會根據凹槽的深淺、彎曲 而 產生對應的機械振動，這種機械振 動再 轉變 為電信號，通過檢波和放大，就可以 還原出記錄的聲音。 數(shù)字方式，也就是 先將 聲音的空氣振動轉變?yōu)檫B續(xù)變化的電信號，然后對這種連續(xù)變化的信號進行 周期 采樣（每隔一個時間段， 采集 得到電信號的第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設計 13 一個值， 中間 間隔的時間越短， 所 得到的的電信號 的 值 就 越接近連續(xù)的波形值），將采樣得到的一 系列 數(shù)據通過一定的算法進行 變換 、壓縮，最后得到代表原 聲音信號的 一組 數(shù)據，然后以文件的形式記錄下來。 放音 則是 錄音過程 的逆向運算， 經過一系列的電路轉化， 最后得到一個變化的電信號，驅動揚聲器，將這種變化的電信號轉換為空氣振動， 最終 形成我們聽到的聲音。 對于本課題來說， 由于用元件搭建語音錄放電路比較復雜， 可以采用集成的語音 模塊來實現(xiàn)語音提示的功能。 語音模塊是一種集成的語音錄放電路， 通常內含話筒前置放大、 振蕩器、防混淆濾波器、 自動增益控制、揚聲器驅動以及 FLASH 陣列等?？梢苑奖愕剡M行語音的錄制與播放。 顯示功能的選擇 為了更加清楚直觀的表示當前車載乘客數(shù)量，本設計在整個系統(tǒng)中加入了顯示功能。這就要用到顯示器。 顯示器是屬于 計算機 的 I/O 設備，即輸入輸出設備。它可以分為 CRT、LCD、 LED 等多種。它是一種將一定的電子文件通過特定的傳輸設備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具。 LED 顯示屏（ LED panel）： LED 就是 light emitting diode， 即 發(fā)光二極管的英文縮寫，簡稱 LED。它是一種通過半導體發(fā)光二極管的顯示 的屏幕 ，可以 顯示文字、圖形、動畫、視頻信號等各種信息的顯示屏幕 [13]。隨著大規(guī)模集成電路 與 計算機技術的不斷 發(fā)展 ， LED 顯示器正在迅速崛起 。 LED 結構： 基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片排列而成的?？蓪崿F(xiàn)0～ 9 的顯示。其具體結構有 “條形七段式” 、 “反射罩式” 以及“單片集成多位數(shù)字式”等。 反射罩式數(shù)碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個LED 貼在與反射罩的七個反射腔 互相對位的印刷電路板上，每個反射腔底部的中心位置就是 LED 芯片。反射罩式數(shù)碼管有空封和實封兩種 封裝方式 。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 實封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件?？辗夥绞绞窃谏戏缴w上濾波片和勻光膜，在芯片和底板上涂以透明絕緣膠， 可以器件的可靠性， 還可以提高光效率。這種方式一般用于四位 及 以上的數(shù)字顯示（或符號顯示） [14]。 條形七段式數(shù)碼管 與其他數(shù)碼管不同，它是 屬于混合封裝形式。它 先 把用于 管芯的磷化鎵或磷化鎵 的 圓片，劃成內含一只或數(shù)只 LED 的 發(fā)光條，然后把 一模一樣 的七條 發(fā)光條 粘在日字形框上，用壓焊工藝連 好內引線， 然后 再用環(huán)氧樹脂包封起來。 單片集成多位數(shù)字顯示器是在發(fā)光材料 的 基片上（大圓片），利用集成電路 的 工藝制作出大量七段數(shù)字顯示圖形， 再 通過劃片把合格芯片選出， 然后 對位貼在印刷電路板上， 最后 用壓焊工藝引出引線，在上面蓋上“魚眼透鏡”外殼。它們適用于小型數(shù)字儀表中。 符號管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。 矩陣管（發(fā)光二極管點陣）也可 以采用類似單片集成 多位數(shù)字顯示器 的工藝方法制作。 LED 分類： 按字高分：筆畫顯示器字高最小有 1mm（單片集成式多位數(shù)碼管字高一般在 2～ 3mm）。其他類型筆畫顯示器最高可達 （ 英寸）甚至達數(shù)百 mm； 按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種； 按結構分，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]。 目前，市面上的 顯示屏各式各樣，種類繁多，可滿足不同特殊的的功能需求。本課題所要求實現(xiàn)的顯示內容簡潔明了，只需實時顯示當前的車載乘客數(shù)量以及是否超載的狀態(tài)標志即可，故可采用簡單的 LED 顯