【文章內(nèi)容簡介】 線式計(jì)算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。 單片機(jī) 不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。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。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)是 依 靠程序的，通過不同的程序?qū)崿F(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(jī)是指芯片本身，而單片機(jī)系 統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一個(gè)控制應(yīng)用需要 專門設(shè)計(jì)的，是一個(gè)圍繞單片機(jī)芯片而 建立 的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，這 就 是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)是指單片機(jī)開發(fā)調(diào)試的工具。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)。 綜合以上特性不難發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)非常適合成為本次設(shè)計(jì)的中心邏輯處理芯片。 本章小結(jié) 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(jī)，來達(dá) 到自動(dòng)化、智能化的功能要求。 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。 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(gè)部分的設(shè)計(jì)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由前面的分析容易知道， 課題 所要設(shè)計(jì)的客車防超載智能語音提示系統(tǒng)由把人產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的電路、電信號(hào) 通過單片機(jī)處理的電路以及經(jīng)過處理后的信號(hào)最后轉(zhuǎn)化成聲音、光線等信號(hào)的電路三部分構(gòu) 成。 圖 31 是其原理框圖： 圖 31 系統(tǒng)總體方案示意圖 基本設(shè)計(jì)思路為：乘客由于上下車的行為而產(chǎn)生信號(hào)， 信號(hào)被敏感器件捕獲然后經(jīng)由轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，處理過后的信號(hào)再轉(zhuǎn)化成電信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示模塊、語音模塊等外圍模塊，最終轉(zhuǎn)化為聲音、光線等易被人感知的信號(hào)，完成智能語音提示。 乘客上下車 轉(zhuǎn)化電路 單片機(jī)處理 轉(zhuǎn)化電路 顯示語音模塊 第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 計(jì)數(shù)方式的確定 綜合分析前述各種計(jì)數(shù)方法的特點(diǎn)，可知用 紅外線傳感器 來進(jìn)行計(jì)數(shù)非常合適，既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)，可實(shí)現(xiàn)性好。 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) 。當(dāng)上車部分的 紅外線傳感器 捕獲到信號(hào)時(shí)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部邏輯進(jìn)行加一計(jì)數(shù)，即車載乘客數(shù)加一； 當(dāng) 下 車 部分 的 紅外線傳感器 捕獲到信號(hào)時(shí)， 將信號(hào) 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給單片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部邏輯進(jìn)行 減 一計(jì)數(shù)，即車載乘客數(shù) 減 一 。 由當(dāng)前車載人數(shù)和上下車乘客數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車載乘客數(shù)量的計(jì)數(shù)。 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。 前面已經(jīng)說明要用 紅外線傳感器 來對(duì)上下車的 乘客進(jìn)行計(jì)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(yīng)區(qū)域時(shí)，擋住紅外線，使原來的狀態(tài)發(fā)生變化，相應(yīng)的傳感器電路中電信號(hào)也發(fā)生變化，電信號(hào)再傳遞給單片機(jī)進(jìn)行邏輯處理。 通常情況下， 大部分 客車 有兩個(gè)門或三個(gè)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(duì)上車人數(shù)與下車人數(shù)進(jìn)行計(jì)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(jìn)行計(jì)數(shù) ，則 將差生誤差，無法有效達(dá)成計(jì)數(shù)的目的。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。 并排雙傳感器作用過程 如下圖所示： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 32 并排雙傳感器 示意圖 假設(shè) 紅外線傳感器 未感應(yīng)到人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)為 0，感應(yīng)到人體通過時(shí)的狀態(tài)為 1，則上圖的乘客上車運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì) 11 控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理 在 客車防超載智能語音提示系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。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(hào)轉(zhuǎn)化為邏輯信號(hào) ， 并依靠其內(nèi)部所儲(chǔ)存的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，最終用處理好的信號(hào)驅(qū)動(dòng)外圍 的 模 塊（ 如 顯示 模塊、語音模塊等） 實(shí)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(jī) 。 單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)以及運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(gè)模塊傳遞來的信號(hào)，并將所有信號(hào)依據(jù)單片機(jī)所下載的程序進(jìn)行處理，最后返回給各個(gè)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)功能。 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。 目前，比較常見 常用 的單片機(jī)有 基于 8051 內(nèi)核 的 51 單片機(jī)、 PIC 系列單片機(jī)、 飛思卡爾單片機(jī) 、 意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn) 的 8/32 位單片機(jī)（ 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(jī) 等 。 以上所述的 單片機(jī)功能強(qiáng)大，技術(shù)成熟，對(duì)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(yùn)算控制單 元，都是完成課題非常不錯(cuò)的選擇。要完成課題，可在其中任意選擇一種。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 語音功能的選擇 本設(shè)計(jì)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(jìn)行提示，即當(dāng)滿足某一條件（客車超載）時(shí)播放相對(duì)應(yīng)的錄音，這就首先要對(duì)語音進(jìn)行收集和記錄。 將聲音信號(hào)記錄在媒質(zhì)上的過程 稱為錄音 。將媒質(zhì)上記錄的信號(hào)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(zhuǎn)換為電信號(hào)， 然后 用不同的材料和工藝記錄下來。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。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了 激光錄音法，提高了錄音的音質(zhì) [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(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 。被磁化的介質(zhì)以 特 定的速度通過線圈（磁頭） 的 時(shí) 候 ，變化的磁場感生出變化的電場， 然后 形成對(duì)應(yīng)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(zhì)的， 那 就是黑膠唱片，它的原理前面 和磁介質(zhì) 方法的原理 是一樣的，也 就 是將空氣 的 震動(dòng)信號(hào)變成 相應(yīng) 電信號(hào)，但后面 不同， 是將電信號(hào) 重新 再轉(zhuǎn)換成一種機(jī)械振動(dòng)， 通過 帶動(dòng)一根記錄針，將振動(dòng)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(shù)手段 進(jìn)行 翻版 ，就能做 出能實(shí)用的黑膠唱片。還原聲音 的時(shí)候 ，則正好是上述記錄過程的 逆向 ，將唱針放 在 凹槽里，轉(zhuǎn)動(dòng)唱片， 這時(shí) 唱針就會(huì)根據(jù)凹槽的深淺、彎曲 而 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振 動(dòng)再 轉(zhuǎn)變 為電信號(hào)，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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)變化的電信號(hào)，然后對(duì)這種連續(xù)變化的信號(hào)進(jìn)行 周期 采樣（每隔一個(gè)時(shí)間段， 采集 得到電信號(hào)的第 3 章 客車防超載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 一個(gè)值， 中間 間隔的時(shí)間越短， 所 得到的的電信號(hào) 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(jù)通過一定的算法進(jìn)行 變換 、壓縮，最后得到代表原 聲音信號(hào)的 一組 數(shù)據(jù)，然后以文件的形式記錄下來。 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。 對(duì)于本課題來說， 由于用元件搭建語音錄放電路比較復(fù)雜， 可以采用集成的語音 模塊來實(shí)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(nèi)含話筒前置放大、 振蕩器、防混淆濾波器、 自動(dòng)增益控制、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)以及 FLASH 陣列等?？梢苑奖愕剡M(jìn)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(dāng)前車載乘客數(shù)量，本設(shè)計(jì)在整個(gè)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(jì)算機(jī) 的 I/O 設(shè)備，即輸入輸出設(shè)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(shè)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(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示 的屏幕 ，可以 顯示文字、圖形、動(dòng)畫、視頻信號(hào)等各種信息的顯示屏幕 [13]。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 。 LED 結(jié)構(gòu)： 基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片排列而成的?？蓪?shí)現(xiàn)0～ 9 的顯示。其具體結(jié)構(gòu)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(gè)LED 貼在與反射罩的七個(gè)反射腔 互相對(duì)位的印刷電路板上，每個(gè)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(shí)封兩種 封裝方式 。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 實(shí)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(hào)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(nèi)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(nèi)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(duì)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(hào)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(diǎn)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(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]。 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(shí)現(xiàn)的顯示內(nèi)容簡潔明了，只需實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的車載乘客數(shù)量以及是否超載的狀態(tài)標(biāo)志即可，故可采用簡單的 LED 顯