【文章內(nèi)容簡介】 人類必不可少的室內(nèi)垂直運輸交通工具。電梯的發(fā)展也勢必將更加高端化、智能化、人性化。 2 1 課題研究的背景 電梯自動語音提示系統(tǒng)研究的背景與意義 社會在進步，科技在發(fā)展，單片機技術(shù)的問世無疑推動了電梯行業(yè)進入新一波的發(fā)展潮流。單片機技術(shù)與各種語言芯 片以及顯示器的相結(jié)合使用，可以實現(xiàn)電梯的自動顯示化、智能語言化。自動顯示樓并播報上下行狀態(tài)、關(guān)門信號、當前樓層。電梯的設(shè)計也因此而加人性化，人們的生活因此而更加多姿多彩。 電梯是室內(nèi)交通必不可少的設(shè)備，隨著電梯使用的普及，電梯已經(jīng)不單單將運載作為唯一的目的了。人們對電梯的智能語言化提出了要求，擁有自動語音提升的功能，能夠播報上下行狀態(tài)、樓層、關(guān)門信號，甚至還能插播廣告宣傳語或者對某層進行特色說明。如“歡迎您光臨某某商場、某某公司”、“請不要倚靠電梯門”等等。目前大部分電梯廠家生產(chǎn)的電梯都只是以運載為目的，并 沒有配置相應(yīng)的自動語音提示功能。因此，開發(fā)一種適用于各大建筑中，擁有自動語言提示功能的電梯是十分有必要的，它勢必將占據(jù)未來的電梯市場。 電梯自動語音提示系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 電梯作為室內(nèi)的交通工具，已經(jīng)成為重要的建筑設(shè)備而不可或缺。隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電梯語音報站系統(tǒng)逐漸走向機電一體化。針對人們普遍對電梯自動語言提示系統(tǒng)高端化、智能化的要求，目前國內(nèi)的電梯公司自己制造和安裝的電梯系統(tǒng)還不能完全實現(xiàn)這一目的。高端化、智能化電梯自動語言提示系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫。 近些年來，關(guān)稅的降低推動了 國外電梯自動語音提示系統(tǒng)產(chǎn)品的進口，但同時也給國產(chǎn)電梯以及我國自主研發(fā)的一些高性能的、高質(zhì)量的電梯零部件的出口提供了機會。在國內(nèi)，具有自動語言提示功能的電梯勢必將會很有前景，不論是在國內(nèi)還是在世界范圍內(nèi)也都將會有著很強的市場競爭力。 電梯自動語音提示系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容 本課題需要研究的內(nèi)容有： （ 1） 根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，進行系統(tǒng)硬件的總體方案設(shè)計； （ 2） 學(xué)習(xí)單片機的相關(guān)知識，并且加以運用； 3 （ 3） 選擇適當?shù)男酒ζ鋬?nèi)部協(xié)議有所掌握，便于應(yīng)用； （ 4） 進一步熟悉 單片機 C 語言編程相應(yīng)知識，并制定電梯自動語音提示系統(tǒng)的軟件框圖，最后用 C 語言編程加以實現(xiàn)； （ 5） 對軟件和硬件進行調(diào)試，讓其協(xié)調(diào)工作，完成指定任務(wù)。 本次設(shè)計的電梯自動語言提示系統(tǒng) 可分為單片機模塊 、矩陣鍵盤模塊、語音播報模塊、 LED 模塊四大主要模塊。 矩陣鍵盤通過按下按鍵引起電平的變化實現(xiàn)工作參數(shù)的輸入。語音模塊主要是播報電梯上下行狀態(tài)和到達的樓層信息， LED 數(shù)碼管顯示器用于顯示樓層的變化和最終到達的樓層數(shù)。 系統(tǒng)通電初始化，當鍵入觸發(fā)命令后，系統(tǒng)會按照相應(yīng)程序運行執(zhí)行，完成對應(yīng)功能，設(shè)定相應(yīng)按鍵代 表相應(yīng)樓層，當代表相應(yīng)樓層的按鍵按下引起電平的變化，電平信號輸入到 AT89C52， AT89C52經(jīng)過處理后向語音模塊發(fā)送當前語音段地址，進而調(diào)用語音播報子程序進行相應(yīng)的樓層播報，同時調(diào)用 LED 的顯示子程序顯示相應(yīng)的樓層變化以及最終到達的樓層。 本設(shè)計預(yù)想結(jié)果是接通電源后，系統(tǒng)進行重置復(fù)位：采用矩陣鍵盤鍵入輸入信號到 AT89C52， AT89C52通過信號采集，進行信號處理對 LED 模塊和語音模塊同時分別輸出信號，實現(xiàn)自動語音提示的功能。本次設(shè)計采用單片機（ AT89C52）作為核心元件，利用 VS1003 語音模 塊和 LED 顯示來模擬電梯自動語音提示系統(tǒng)，實現(xiàn)電梯的自動語音提示功能。 具體內(nèi)容如下： （ 1） 接通電源，系統(tǒng)復(fù)位。 （ 2） 將矩陣鍵盤按鍵按下與否引起的電平變化信號輸入到 AT89C52， AT89C52 通過信號采集，進行信號處理。 （ 3） AT89C52 對 LED 模塊和語音模塊同時分別輸出信號。 （ 4） 協(xié)調(diào)器能夠接收控制平臺發(fā)送的指令信息，并進行數(shù)據(jù)處理，判斷需要完成的各種動作。 （ 5） 采用 AT89C52 單片機處理信號向語音芯片發(fā)送當前語音段地址，采用語音模塊的 SPI 串行接口進行串行通信，利用軟件部分找出樓層的信號和電梯上 /下行狀 態(tài)并進行語音播報。 4 2 系統(tǒng) 總體設(shè)計 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 圖 21 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 結(jié)構(gòu)功能圖說明：通過接通電源后，進行重置復(fù)位；通過將矩陣鍵盤按鍵按下與否引起的電平變化信號輸入到 89C52 單片機，單片機通過信號采集，進行信號處理，然后輸出信號到 LED 模塊和語音模塊，實現(xiàn)相應(yīng)功能。 本次設(shè)計的電梯自動語言提示系統(tǒng)是通過按鍵按下控制實現(xiàn)電梯的上下行和指定的目標樓層。 LED 顯示模塊是顯示當代表目標樓層的按鍵按下時，從當前樓層到指定樓層的樓層數(shù)變化并最終顯示 指定到達的樓層數(shù)。 系統(tǒng)上電后， LED 顯示器初始顯示 1。這里，我們將分別代表 l 樓到 8 樓的 8只按鍵開關(guān) K1～ K8 依次接到本次所要用到的單片機 Pl 口的 8 只引腳上。當按下代表某一樓層數(shù)的按鍵時，例如按下按鍵‘ 8’， LED 數(shù)碼管顯示屏將從當前位置‘ 1’向上的變動顯示到指定樓層的位置‘ 8’。并且語音模塊也會相應(yīng)的播報從一樓到八樓的上行的狀態(tài)和最終到達的樓層八樓。音頻設(shè)備的音頻輸出為“電梯上行，電梯已到八樓”。如果再次按下按鍵‘ 3’，同理，音頻設(shè)備的音頻輸出則為“電梯下行，電梯已到 3樓”。 用 P2口做 8*8 點陣的行選通 ， Pl口完成按鍵的讀取及確認。 89C52 信號采集 LED 顯示模塊 鍵盤 語音播報板塊 電源 復(fù)位 5 總體設(shè)計思路 單片機系統(tǒng)具有集成度高、體積小、控制能力強、成本低、高可靠性、靈活的結(jié)構(gòu)、超強的抗干擾能力等顯著的特點，同時在結(jié)構(gòu)和指令的設(shè)置上均有獨特之處，異于產(chǎn)品化； VS1003 語音芯片是一個高質(zhì)量的、完全集成、單片多消息語音記錄和重放裝置，能單獨的模擬、數(shù)字和 IO 供電電源；串行的數(shù)據(jù)和控制接口（ SPI），使用于各種電子系統(tǒng)。 目前世界上單片機產(chǎn)品多達 50 個系列， 300 多種型號。有 Intel 公司的 MSC51系列， PIC 系列等八位的單片機，還有 Intel公司的 MCS96 系列的 16 單片機系統(tǒng)。作為學(xué)習(xí)階段的設(shè)計者在選取 MCS51 系列單片機芯時，應(yīng)當不僅要考慮成本，還應(yīng)當考慮到單片機的集成度問題，應(yīng)選用集成度較高的微型處理器。 89C52 是一款低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)含有 4KB的反復(fù)擦寫程序，還含有一個大小約為 128B 隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM)。 由于本次設(shè)計的電梯自動語音提示系統(tǒng)的軟件部分主要是實現(xiàn)控制操作和過程提示，并沒有很大的數(shù)字計算職能，所以本設(shè)計的電梯系統(tǒng)軟件部分編程采用 C 語言，單片機 89C52 擁有 8K 的程序存儲區(qū)間，可以滿足軟件存儲空間需求。 本設(shè) 計最終選取 89C52 作為核心中央控制模塊， VS1003 MP3 語言芯片作為語言模塊， LED數(shù)碼管顯示器作為顯示模塊，通過以上三大模塊協(xié)調(diào)作用來模擬電子自動語言提示系統(tǒng)，實現(xiàn)電梯上 /下狀態(tài)播報、樓層播報、樓層數(shù)變動顯示和指定樓層數(shù)顯示的最終結(jié)果。 6 3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件的設(shè)計主要圍繞電梯的自動語音提示功能實現(xiàn)，在保證整個系統(tǒng)在運行過程中的穩(wěn)定性、安全性的基礎(chǔ)上考慮一下生產(chǎn)的經(jīng)濟性。系統(tǒng)硬件組成包括操作部分（獨立鍵盤、復(fù)位電路）；執(zhí)行部分（ LED 顯示電路、語音播報電路）組成。 （ 1） 顯示電路：主要顯示所要到的樓層和樓層變化，用來模擬電梯運行情況。 （ 2） 按鍵鍵入：八個樓層按鍵操作控制整個電梯自動語言提示系統(tǒng)并作為系統(tǒng)的信號輸入。 （ 3） 語音播報：用來負責播報所到達的樓層號及相關(guān)提示信息。 （ 4） 復(fù)位電路：上電自動復(fù)位。 單片機系統(tǒng) 單片機簡稱微型計算機，現(xiàn)代生活中，從通信設(shè)備、家用電梯、辦公應(yīng)用到工業(yè)控制、儀器儀表、汽車電子、航空航天，單片機的應(yīng)用幾乎涵蓋于整個電子電工行業(yè)，自單片機問世以來，單片機的用量在短短幾十年間逐漸呈現(xiàn)天文數(shù)字的增長。現(xiàn)如今， 單片機技術(shù)仍在不斷發(fā)展，現(xiàn)在單片機市場上擁有種類繁多、功能各異的各種單片機。 Intel 公司的 MCS51 系列 8位單片機結(jié)構(gòu)完善、功能豐富、體系開發(fā)，因而一直被人們所看好。眾多半導(dǎo)體廠商（如 Atmel、 Dallas、 Semi、 Infineon、Philips/Sigics 等）獲得 Intel 公司的授權(quán)后，在保持代碼兼容性的前提下，融合各自先進技術(shù)，針對不同市場需求，在時鐘、存儲器、定時器 /計數(shù)器、 I/O 接口、串行總線控制等方面進行了改進、裁剪；使其可以被應(yīng)用于任何實際產(chǎn)品中，而不受其外形的限制。 本設(shè)計采 用 AT89C52 單片機作為系統(tǒng)的主控制芯片，它擁有 4K 字節(jié)閃爍存儲器， 128 字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器， 32個 I/O 口， 2 個 16 位定時 /計數(shù)器， 1個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)， 1個串行通信口、片內(nèi)震蕩器、時鐘電路。 AT89C52 引腳圖如圖 31所示： 7 圖 31 AT89C52 引腳圖 VCC：電源電壓； GND：接地； RST：復(fù)位輸入； ALE/ ： ALE 的主要功能是輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)； EA/VPP：外部訪問允許； P0口： P0 口為地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口； P1口： 8 位雙向 I/O 口， 內(nèi)部包含一個上拉電阻； P2口： P2 口接收高位地址和其它控制信號； P3口：為一個 I/O 口，更重要的用途是它的第二功能； XTAL1：既可以作為 反相放大器 的輸入端也可以作為 時鐘發(fā)生線路的輸入端 ； XTAL2：可以作為 反相放大器的輸出端 ； 本次設(shè)計用到的單片機模塊圖如圖 32 所示： 8 圖 32 單片機最小系統(tǒng)模塊圖 單片機系統(tǒng)由主芯片，復(fù)位電路和晶振脈沖電路三大部分組成。本次設(shè)計用到的單片機芯片（ AT89C52)擁有一個 64kb 的 外部數(shù)據(jù) 存儲器 尋址空間 、 雙列封裝 ，由3節(jié) 干電 池串聯(lián)組成的 +5V 電源 直接 供電 。 CPU： 中央處理器， 由運算 器、 控制 器、 中斷系統(tǒng) 和部分外部 特殊功能寄存器組成。 CPU 是單片機的核心，用于實現(xiàn)運算和控制功能。 內(nèi)部 RAM： 低 128個字節(jié)作為內(nèi)部數(shù)據(jù)儲器，用于存放運行期間的數(shù)據(jù)。高 128個字節(jié)為特殊功能寄存器。一般得計算機系統(tǒng)中，外部接口電路的寄存器是 分布在各電路本身，而在單片機系統(tǒng)中，由于把接口電路也在集成到一個芯片內(nèi)部，所以可采取統(tǒng)一編址、集中控制的方法。 內(nèi)部 ROM： MCS51系列中的 8051芯片有 4KB 的掩膜 ROM，可以存放程序、常數(shù)或表格，稱為程序存儲器。當前，常用的單片機內(nèi)部 ROM 的容量在 1到 64KB 之間，而且多為 Flash 存儲器。 I/O 口： 由 四個 8位 的 并行 I/O 口 組成 ，既可用作輸入，也可用 于 輸出； T/C： 由 兩個定時 /記數(shù)器 組成 ， 擁有定時和記數(shù)兩種工作模式 ； 9 本次設(shè)計的開關(guān)控制模塊如圖 33所示 ： 圖 33 開關(guān)控制模塊 本次設(shè)計的電 梯自動語言提示系統(tǒng)是模擬一個八層建筑中升降電梯，故采用八個按鍵依次用于代表顯示建筑中的 1 到 8 樓。系統(tǒng)上電后默認為電梯在 1 樓，也就LED 顯示初始值為 1，當按下代表某一樓層的按鍵，如按下按鍵 5， LED 顯示屏上的樓層數(shù)字會從 1變化到 8，并且最終停留在 8 樓。語言模塊播報電梯上行狀態(tài)，并播報電梯已經(jīng)到達 8 樓。 89C52 實物圖如圖 34所示： 圖 34 89C52 實物圖 10 LED 顯示模塊 顯示模塊主要顯示的是從當前樓層數(shù)到指定樓層數(shù)之間的變動過程以及最終到達的指定樓層數(shù)。 LED 顯示器是利用二極管的發(fā)光原理 來顯示所設(shè)定的內(nèi)容。 LED顯示屏顯示醒目、價格便宜、動態(tài)簡潔、重點突出，被人們廣泛應(yīng)用，幾十年來一直被人們所追捧和喜愛。 LED 點陣外觀圖如圖 35所示： 圖 35 LED 點陣外觀 本次設(shè)計用到的 LED 顯示屏是由 64個發(fā)光二極管嚴格排列按照 8*8的行列規(guī)則組成的點陣顯示屏體。如圖 36： h1h2h3h4h5h6h7h8L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8IO 圖 36 LED 點陣內(nèi)部結(jié)構(gòu) 11 如圖 36 所示的發(fā)光二極管， 64 個發(fā)光二極管都是放置在行和列相交的節(jié)點上， 行接高電平即 行置 0電平 ，列接低電平即 列置 1 電平 ，二極管導(dǎo)通發(fā)光。 語音模塊 本設(shè)計主要選用 VS1003 MP3 芯片作為語音模塊的核心。 VS1003 是一個多功能的從 MP3 和 WMA 解碼芯片，更換終止 VS1002。它可以記錄寬帶語音質(zhì)量的音并且播放 MIDI。它具有如下特點： （ 1） 解碼 MP3（ MPEG 1amp。2 音頻層 III）（ CBR + VBR + ABR）， WMA （ 5384kbit / s 的）， WAV（ PCM + IMA ADPCM） 。 MIDI / SPMIDI 文件。 （ 2） 對輸入的音頻信號進行 IMA ADPCM 編碼。 （ 3） 從麥克風或線路輸入編碼 IMA ADPCM。 （ 4） 流媒體支持。 （ 5） 低音和高音控制。 （ 6） 使用一個 12 13 MHz的時鐘。 （ 7） 內(nèi)部 PLL 時鐘倍頻器。 （ 8） 低功耗運行。 （ 9） 高性能。 （ 10） 獨立的工作電壓和獨立的 I/O 口。 （ 11） 自帶一個片 上 RAM、串行控制和數(shù)據(jù)接口 VS1003 性能良好、價格實惠，還帶有高品質(zhì)的片上立體聲 DAC，沒有通道之間的相位誤差?？梢杂脕碜鳛橐粋€從屬協(xié)處理器，針對特殊應(yīng)用的 SPI 閃存啟動，特殊應(yīng)用的 SPI Flash 引導(dǎo)， UART 用于調(diào)試目的，新的功能可被添加與軟件和 GPIO引腳。 VS1003 實物如圖 37所示：