【正文】 第 2 章 方案設(shè) 計 3 第 2 章 方案設(shè)計 原理 本系統(tǒng)使用八位單片機作為控制器件。同時，單片機通過程序讀取文字信息，送入液晶顯示模組來進行站數(shù)和站名的顯示。而且，系統(tǒng)具有根據(jù)公交車的行駛方向確定報站順序的功能（司機或乘務(wù)人員可以通過按鍵來控制）。 方案設(shè)計 圖 21 原理框圖 為了降低控制儀器成本并減小體積，系統(tǒng)采用了 Intel 生產(chǎn)的 AT89C51 單片機作為主控芯片。其中，音箱由音頻功率放大器 LM386 驅(qū)動。 鍵盤接口電路采用獨立按鍵設(shè)計，通過觸發(fā)器來消除按鍵抖動。 7805 是 集成穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優(yōu) 點 。各部分電路的設(shè)計在本章中做了詳細的說明 。它主要由下面幾個部分組成： 1 個8 位中央處理單元（ CPU）、片內(nèi) Flash 存儲器、片內(nèi) RAM、 4 個 8 位的雙向可尋址 I/O 口、 1 個全雙工 UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行接口、 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器、多個優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu)，以及一個 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 圖 31 AT89C 單片機的結(jié)構(gòu)框圖 主要性能 1. 與 MCS51 兼容 2. 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 次寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 3. 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 4. 三級程序存儲器鎖定 CPU 中斷控制 振蕩器 片內(nèi) Flash 存儲器 總線控制 片內(nèi) RAM 4I/O 端口 ETC 定時器 1 定時器 0 串行端口 外部 中斷 P0 P2 P1 P3 地址 /數(shù)據(jù) TXD RXD 計數(shù)器 輸入 第 3 章 硬件電路設(shè)計 5 5. 128*8 位內(nèi)部 RAM 6. 32 可編程 I/O 線 7. 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 8. 6 個中斷源 9. 可編程串行通道 10. 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 另外， AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，其工作頻率可下降到 0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式 ——空閑方式（ Idle Mode）和掉電方式（ Power Down Mode）。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被 “凍結(jié) ”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容，直到下一個硬件復(fù)位為止。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個 TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 Vcc：供電電壓。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個 TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收， 輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當吉林建筑工程學院電子信息科學與技術(shù)專業(yè)畢業(yè) 論文 6 對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器 的內(nèi)容。 圖 32 AT89C51 引腳圖 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址第 3 章 硬件電路設(shè)計 7 的地位字節(jié)。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。 /EA/VPP ：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。XTAL1 為反相器的輸入， XTAL2 為反相器的輸出。 另一種使用方法如圖 34 示，由外部時鐘源提供一個時鐘信號到 XTAL1 端輸入， 圖 33 AT89C51 單片機內(nèi)部振蕩器電路 XTAL2 XTAL1 內(nèi)部定時 /PD 400? D1 D2 Q1 Rf Q2 Vcc Q3 Q4 吉林建筑工程學院電子信息科學與技術(shù)專業(yè)畢業(yè) 論文 8 而 XTAL2 端浮空。 圖 34 外部時鐘接法 圖 35 片內(nèi)振蕩器等效電路 振蕩器的等效電路如圖 35 上部所示。 在本設(shè)計中，采用的是內(nèi)部方式，即如圖 35 所示，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接一個 12MHZ 的晶振及兩個 10pF 的電容組成。 89 系列單片機的 復(fù)位 信 號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。復(fù)位時序如圖 36 所示，因外部的復(fù)位信號是與內(nèi)部時鐘異步的，所以在每個機器周期的 S5P2 都對 RST 引腳上的狀態(tài)采樣。在 RST 端電壓變低后，經(jīng)過 12 個機器周期后退出復(fù)位狀態(tài)，重新啟動時鐘，并恢復(fù) ALE 和 /PSEN 的狀態(tài)。 XTAL2 XTAL1 GND NC CMOS 門 外部振蕩信號 XTAL1 XTAL2 89 系列單片機 GND 內(nèi)部定時 Vcc /PD Rf 石英晶體或 陶瓷振蕩器 C1 C2 第 3 章 硬件電路設(shè)計 9 圖 36 內(nèi)部復(fù)位定時時序 手動復(fù)位 手動復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平。當人為按下按鈕時，則 Vcc 的 +5V 電平就會直接加到 RST 端。手動復(fù)位的電路如圖 37 所示。對于 CMOS 型單片機，由于在 RST 端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1uF。 上電時， Vcc 的上升時間約為 10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時間則為 10ms。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全 “1”態(tài)。 圖 38 上電復(fù)位電路 復(fù)位后寄存器的狀態(tài) 當系統(tǒng)復(fù)位時，內(nèi)部寄存器的 狀態(tài)如表 31 所列，即在 SFRS 中，除了端口鎖存器、堆棧指針 SP 和串行口的 SBUF 外，其余的寄存器全部清 0，端口鎖存器的復(fù)位值為 0FFH，堆棧指針值為 07H， SBUF 內(nèi)為不定值。 在本設(shè)計中復(fù)位電路采用的是上電復(fù)位，即如圖 38 所示。設(shè)計中采用了三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器7805，來得到 +5V 穩(wěn)定電壓。 集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集成電路。常用的集成穩(wěn)壓器有：金屬圓形封裝、金屬菱形封裝、塑料封裝、帶散熱板塑封、扁平式封裝、雙列直插式封裝等。 78xx 系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，輸出電壓有 5V、 6V、 9V、 12V、 15V、 18V、 24V 等規(guī)格，最大輸出電流為 。根據(jù)輸出電流值的不同 ，選用不同系列的芯片，當電流小于 100mA 時，可以選用 78L00 系列；當電流在 以內(nèi)時，可選用 78M00 系列；當電流在 以內(nèi)，應(yīng)選用 7800 系列的芯片。 圖 39 電壓變換電路 語音輸出電路的設(shè)計 關(guān)于語音芯片 ISD— Winbond 語音芯片概述 美國 ISD（ Information Storsge Devices）公司是專業(yè)研制和生產(chǎn)先進的半導(dǎo)體語音芯片的著名廠家和領(lǐng)導(dǎo)者，其開發(fā)的高密度 “多級 ”存儲方法稱作“ChipCorder”的專業(yè)技術(shù)，可以在一個存儲單元存儲 256 級的不同電平，即存儲相同信息僅需要用傳統(tǒng)存儲技術(shù) 1/8 的存儲空間。 ISD 系列語音芯片有 ISD1100 系列、 ISD1200 系列、 ISD1400 系列、 ISD2500系列、 ISD4000 系列和 ISD5000 系列幾種。 ISD1200 系列中有 10s 和 12s 的單片聲音錄放器件 ISD1210 和 ISD1212。 ISD1800 系列中有 8s、 10s、 12s 和 16s 的單片單段聲音錄放器件 ISD1810。 ISD4000 系列中有 120s、 150s、 180s 和 240s 的單片聲音錄放器件 ISD400ISD400 ISD4003 和 ISD4004。 其中 ISD1100 系列、 ISD1200 系列和 ISD1400 系列都是獨立使用； ISD2500系列是手動切換或則與微控制器兼容，放音時可以用邊沿或電平進行觸發(fā)；ISD4000 系列、 ISD5000 系列都帶有微控制器 SPI 或 Microwire 串行接口。按錄放時間又分 ISD400 ISD4003 和 ISD4004 三個子系列。這個系列的新片要求用于微處理器或微控制器系列，通過串行外圍接口 SPI 或Microwire 串行接口進行尋址和控制。 1. ISD4004 的主要性能及其特點： （ 1） 單片實現(xiàn)聲音錄放功能 （ 2） 采用單一 3V 工作電壓 （ 3） 低功耗：典型的錄音工作電流為 25mA 典型的放音工作電流為 15mA 典型待機節(jié)能狀態(tài)電流為 1uA （ 4） 單片錄放時間為 8min、 10min、 12min 和 16min （ 5） 高質(zhì)量自然的聲音 /音頻回放 （ 6） 自動靜音電路可以在無聲狀態(tài)時消除背景噪音 第 3 章 硬件電路設(shè)計 13 （ 7） 不需要考慮實現(xiàn)算法 （ 8） 具有微控制器 SPI 或 Microwire 串行接口 （ 9） 可以對多段信息尋址控制 （ 10） 可以通過 SPI 或 Microwire 控制寄存器控制功耗 （ 11） 語音數(shù)據(jù)斷電不丟失，可以保存 100 年 （ 12） 允許反復(fù)錄音 10 萬次 （ 13） 片上帶有時鐘源 （ 14） 有 PDIP、 SOIC、 TSOP 和 CSP 多種封裝形式 （ 15） 使用溫度范圍有商業(yè)用擴展型和工業(yè)用兩種可供選擇： ——商業(yè)品擴展型： 20～ +70℃ ——工業(yè)品： 40～ +85℃ 2. 外部引腳及其說明 19 NCXCLK1NCNCISD4004ANA IN+SCKJVCCA17212520VSSD612NC18316NC14NCMISOVSSA2825VCCD157232410224RAC26NCNCAMCAP138/SSMOSIVSSAINT27VSSANCAUDOUT9 NC11NCANA IN 圖 310 ISD4004 引腳圖 電源 (VCCA,VCCD)：為使噪聲最小 ,芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線 ,并且分別引到外封裝的不同管腳上 ,模擬和數(shù)字電源端最好分別走線 ,盡可能在靠近供電端處相連 ,而去耦電容應(yīng)盡量靠近器件。同相模擬輸入 (ANA IN+)： 這是錄音信號的同相輸入端。單端輸入時 ,信號由耦合電容輸入 ,最大幅度為峰峰值 32mV,耦合電容和本端的 3KΩ 電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。 反相模擬輸入 (ANA IN)：差分驅(qū)動時 ,這是錄音信號的反相輸入端。 片選 (SS)：此 端為低 ,即向該 ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。 串行輸出 (MISO)： ISD 的串行輸出端。 串行時鐘 (SCLK)： ISD 的時鐘輸入端 ,由主控制器產(chǎn)生 ,用于同步 MOSI 和MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。