基于STC89C52单片机的公交车站名显示与语音提示系统的设计（已处理）

基于STC89C52单片机的公交车站名显示与语音提示系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （已处理） 基于STC89C52单片机的公交车站名显示与语音提示系 统的设计 公交车站名显示与语音提示系统的设计 摘要 随着科学技术的发展,单片机技术和电子语音技术已经在许多领域得到了广泛的应用。在现代生活中,公交车报站也由传统的人工报站,逐渐改变为使用微电脑控制的语音报站。从以前售票员的大声报站变成现在的自动语音报站以及汉字提示等新型的报站系统,加快了现代化建设的进程,是国家自动化交通的标志。 文章介绍了一种新型的公交车自动报站汉字显示系统的设计原理,同时提供了一种以STC89C52单片机为核心,控制LED点阵汉字显示以及ISD4004语音芯片的新方案。利用89C52单片机作为CPU来进行总体控制,利用LED点阵电路进行站名显示,同时通过语音控制电路进行各种提示语音的播放,实现了公交车汉字提示与语音自动报站的功能,实现了图文、语音一体化协调工作,减轻了工作人员的劳动强度,提高了车辆的服务质量,是一种科技、方面的新产品。其成本低、结构简单、工作稳定的特点使其更加市场化,具有良好的前景。 关键字:单片机,LED点阵显示,语音芯片 THE DESIGN OF DISPLAY AND VOICE PROMPT SYSTEM FOR THE NAME OF BUS STATION Abstract With the development of science and technology,the microcontroll and electronic voice technology rapidly used in many areas.At present,in the bus stops,also from the traditional artificial stops,gradually changing into using the microcomputer control syetem of bus stop announcement.From before the loud voice stops of the conductor to be the new characters suggest and stops system,accelerating the process of modernization. It is the national symbol of automation transportation development. The paper introduces the design principle of a new kind of bus automic stops display system and provides a new plan to control ISD 4004 pronunciation chip and LED dot matrix to display Chinese characters by STC89C52 MCU.Using 89C52 as CPU to overallcontrol and through the speech control circuit to play various kind speech hint.Realizing the bus stops and characters of the voice of function,the text,voice integration are realized coordinationly too.Reduce the labor intensity of sales personnel department ,improving the quality of bus service.It is a kind of new products of technology and convenience. At the same time,the system has the feature of low system cost, simpleness of structure, and stability of working.The characteristics is praised highly by advertising.There are a majority of the application Key words: MCU, LED dot matrix display, pronunciation chip 第1章 绪论 1 1.1 课题的研究背景 1 1.2课题的目地和意义 1 第2章 整体方案设计 3 2.1 方案论证 3 2.2 语音电路方案论证 3 2.3 设计系统方案论证 4 2.4 系统原理的总体设计 4 第3章 系统硬件设计 6 3.1 STC89C52单片机 6 3.1.1 单片机结构图 6 3.1.2 STC89C52主要性能 7 3.1.3 主要引脚功能介绍 7 3.2 串行通信 8 3.2.1波特率的设计 9 3.2.2 定时器T1的设置 10 3.2.3 串行口方式1的发送和接收 10 3.3 存储器 10 3.3.1 程序存储器 11 3.3.2 内部数据存储器 11 3.3.3 AT24C04与I2C总线 11 3.4 LED点阵显示电路 12 3.4.1相关芯片介绍 13 3.4.2 行列驱动 14 3.4.3 汉字字模提取原理 15 3.4.4 LED扫描方式 16 3.4.5 LED驱动方式 17 3.5 ISD4004语音电路 18 3.5.1 ISD4004芯片 18 3.5.2 ISD4004的串行外部接口(SPI) 19 3.6 系统电源电路 21 3.7 按键电路 22 第4章 系统软件设计 24 4.1 主程序的设计 24 4.2 LED点阵显示程序模块 25 4.3 录/放音子程序 26 4.3.1 录音子程序 26 4.3.2 放音子程序 28 4.4 中断程序模块 29 第5章 系统可靠性设计 31 5.1 系统出错的现象和原因 31 5.1.1 主要现象和内因 31 5.1.2 主要外部原因 31 5.2 硬件抗干扰技术 32 5.2.1 单片机的选择 32 5.2.2 抑制电源干扰 32 5.2.3显示屏抖动现象的解决方法 33 5.3 软件设计原则 33 5.4 软件抗干扰措施 34 5.4.1 指令冗余 34 5.4.2 软件“看门狗” 34 5.4.3 软件陷阱 34 结论与展望 36 致谢 38 参考文献 39 前言 随着科学技术的日益发展和进步,微型计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。而LED显示屏又是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。因此,由单片机控制,利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕,集二者之大成,以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点,在短短的十来年中,迅速成长为显示的主流产品。 目前在公交车报站方面,传统的人工报站,已经逐渐被单片机控制的语音报站所代替。但是这种语音报站系统依然无法满足大家对其的要求。主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为:(1)存在报站时间短、声音含糊不清(2)在嘈杂的公交车上,乘客听不清而易错过报站信息,使得不熟悉路线的乘客带来不便。本着能够快速、正确、有效的传 达站点信息,利用这次毕业设计的机会,研究设计一种由单片机控制的,既可以滚动汉字显示,又可以进行语音提示的控制系统,来实现公交车报站功能。 文章主要介绍了站名显示和语音提示控制系统的有关软硬件的内容。全文分别从目前技术现状、原理的实现、硬件设计、软件设计、安全性能和结论等方面进行了阐述。 由于本人的水平有限,短短几个月时间内不能将系统的做的没有瑕疵,文中出现的不足、疏漏和错误之处,殷切希望各位老师和专家批评指正。 第1章 绪论 1.1 课题的研究背景 新世纪中,电子产业飞速发展,信息显示技术得到了各界的重视,计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。而LED显示屏是新型信息显示的媒体。 在大型商场、车站、码头、地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用LED点阵显示图形和汉字。LED行业已成为一个快速发展的新兴产业,市场空间巨大,前景广阔。随着信息产业的高速发展,LED显示作为信息传播的一种重要手段,已广泛应用于室内外进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所,例如户内外公共场所广告宣传、机场车站旅客引导信息、公交车辆报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息显示、高速公路可变情报板、体育场馆比赛转播、楼宇灯饰、交通信号灯、景观照明等。LED显示已成为城市亮化、现代化和信息化社会的一个重要标志。 随着城市的快速发展,作为公共设施之一的公交车仍然是绝大多数人出行者的首选交通方式,它不仅可以低消费的到达目的地,同时也能方便的减少自 驾带来的麻烦。为了使人们特别是外来旅游、出差、就医、求职等急需了解公交路线的人提供高效、方便、快捷的公交系统,让他们能够有效地得到所需的相关信息,以减少各种可能产生不必要的交通流量,来提高公交的运作效率,公交车站名显示和语言提示系统也应运而生。 1.2课题的目地和意义 首先设计出一种方便使用的公交车报站系统。单片机智能控制技术广泛的应用到工业控制、智能语言等方面,ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他携式电子产品中。芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然的再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0KHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。而本系统则基本完成了设计的任务要求,通过AT89S52单片机语音录放控制系统,主要是通过单片机组成的应用系统来完成对语音的采集、语音的存储处理、提示汉字的显示以及语音播放的控制,从而实现了单片机对公交车到站的语音汉字显示功能。 其次,为了理论联系实际,利用大学所学的理论来进行实际工作,将知识转变为生产力。通过大学本科四年的学习,已经初步具有了一定的分析和设计能力,通过本次设计将大学所学的知识进行系统地梳理,概括和总结,并综合运用这些所学的知识。 公交汽车为外出的人们提供了方面的服务,而公交车的报站直接影响服务的质量。传统由乘务人员人工报站,该方式因其效果太差和工作强度太大,在大 城市已被淘汰。随着科学的日益发展,微机计算机技术已经在很多领域得到了广泛的应用。在声学领域,微机技术与各种语言芯片相结合,即可完成语音的合成技术,使得汽车报站器的实现成为可能,从而为市民提供了更加人性化的服务。鉴于传统公交车报站系统的不足之处,结合公交车辆的使用特点及实际营运环境,设计了一种有单片机控制的公交车站名显示与语音提示系统。 公交车站名显示与语音提示系统的设计主要为了弥补人工报站的辛苦以及误报的落后方式,进站、出站播报站名及相关服务用语,为市民提供更人性化,更完善的服务。 第2章 整体方案设计 2.1 方案论证 本设计主要通过单片机组成的应用系统来完成对汉字显示的控制、语音的录制、语音的存储处理以及语音的播放,从而实现了单片机对语音报站汉字显示的控制。语音录放电路有共同的特点:语音录制播放环境复杂、现场性强等。若采用一般语音芯片采集语音信号,则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路,才能把语音芯片输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样,由于各种因素会造成语音录放系统较大的偏差,会使得语音系统的稳定性和可靠性下降。所以选择合适的方案,才能使得设计得到最大的优化。 2.2 语音电路方案论证 方案一: 采用普通的语音芯片,可以满足达到报站信息录制以及播放,但普通的语音芯片录制语音效果不好,重复性差、可靠性较差,对于高频率使用以及方便录放时不适用。对一些语音内容不固定并要求现场录音和放音的系统,采用一般语音 芯片实现,录放音的质量难以控制。而且在语音录放系统中,采用一般语音芯片,比如华邦的W90P710系列、HELIOS公司的HZ24QP系列等。但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过进行A/D转换和压缩处理等才能送给单片机。另外,在语音录放系统中,采用普通语音芯片外围电路会比较复杂,而且在软件实现时也需要用到复杂的算法,一定程度上也增加了软件实现的难度。 方案二: 在语音录放系统中,传统的语音芯片是将模拟信号远距离采样进行A/D 转换,而为了获得较高的语音录放质量,就必须采用措施解决由长线传输及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题,采用语音芯片ISD4004进行语音的录放,直接对模拟信号进行存储。便于单片机处理及控制,省去传统的语音录放的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,此元件线较好。对一些语音内容不固定并要求现场录音和放音的系统,采用一般语音芯片实现,录放音的质量难以控制。美国ISD(Information Storage Devices)公司的ISD系列芯片采用直接模拟存储专利技术,把语音信号以原始的模拟形式直接存储在片内EEPROM存储器中,无需进行A/D转换和压缩处理等,从而减少了失真、大大提高了录放音质量,并且具有抗断电、音质好、使用方便、能反复录放、无需专用的语音开发工具、能随意修改内容和耗电省等优点,所以该芯片很适合于现场录放音系统。而且语音录放系统中,采用普通语音芯片外围电路会比较复杂,而是用ISD4004芯片直接使用简单的外围电路即可。 采用语音芯片ISD4004系列,可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路更快。集成块的使用,有效的避免外界的干扰,提高语音录放电路的质量以及实用性。所以集成芯片的使用将成为电路发 展的一种趋势。本方案应用这一语音芯片。 2.3 设计系统方案论证 该系统主要由汉字显示与语音提示两部分组成。 方案一: 语音录放可以使用一般的语音芯片,汉字显示部分则使用比较美观的而且内含相当多的字模的液晶显示模块。考虑到一般语音芯片存储的是数字信号,所以还要设计相应的模块转换电路。而模拟信号转数字信号过程中可能会造成信号失真。此方案由于使用液晶显示模块,需要进行其驱动的撰写,并且硬件负责,如果信号产生失真,将会导致误差,难以完全清除,而且成本会有较大增长幅度。 方案二: 使用ISD4004语音芯片和LED点阵模块构成。其具有下列特点:1、具有高的语音录放质量及实用性,可重复使用;2、抗干扰能力强,稳定性好;3、信号易于处理、传送和自动控制;4、便于现场录制播放,播放语音显示效果好;5、安装方便,维护简单,工作可靠性高。ISD语音芯片可以采用美国ISD公司的ISD4004系列芯片,这类芯片采用直接模拟存储专利技术,把语音信号以原始的模拟形式直接存储在片内EEPROM存储器中,无需进行A/D转换和压缩处理等,从而减少了失真、大大提高了录放音质量。 比较两个方案后可以发现,方案二更适合于用作本系统的实施方案。尽管方案二不需要A/D转换,考虑到系统扩充等因素,单片机选用STC89C52 。 2.4 系统原理的总体设计 本系统硬件部分是由单片机(STC89C52)、上位机、232串口电路、驱动电路、存储体、LED点阵显示电路、按键控制电路和语音控制电路构成。系统总 框图如图1-1所示: 图2-1 系统总体框图 上位机可选择普通个人计算机,下位机主控芯片采用STC89C52 单片机。显示屏由控制电路和驱动显示电路组成。PC机与单片机的串行通信采用RS-232接口的3脚(TXD)和5脚(GND),通过232串口电路完成。由PC通过串口发送汉字的点阵码,单片机接收点阵码存放在EEPROM中。通过两片74HC573输出汉字的字模数据,列扫描采用两级九片74HC138译码,由程序控制分时选通64列,从而实现滚动动态显示存储在E2PROM中的内容,同时通过语音芯片发出报站的提示。 第3章 系统硬件设计 3.1 STC89C52单片机 3.1.1 单片机结构图 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。 STC89C52具有以下 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 功能:8K字节Flash存储器,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。 STC89C52单片机的引脚结构如图3-1所示: 图3-1 AT89S52的引脚结构框图 3.1.2 STC89C52主要性能 ?时钟频率(HZ):0~80M; ?8Kash程序存储器; ?512内程序存储器(RAM); ?2个数据指针; ?3个16位定时器/计数器T0/T1; ?4个8位输入接口(P0~P3),共32根I/O口线; ?8个中断源; ?4个优先级; ?看门狗电路。 3.1.3 主要引脚功能介绍 P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动8个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,讲输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作为定时器/计数器2的外技术输入(P1.0/T2)和触发输入(P1.1/T2EX)。 P2口和P3口:P2口和P3口都是具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口, 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电 阻的原因,将输出电流IIL。P3口作为AT89S52特殊功能(第二功能)。 RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR地址8EH上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。 ALE:址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8 位地址输出脉冲。 PSEN:是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,SEN将不被激活。 EA:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令?EA必须接GND。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 3.2 串行通信 串行通信是指数据一位一位地按顺序传送,串行通信通过串行口来实现。在全双工的串行通信中,仅需一根发送线一根接收线,串行通信可大大节省传输线路的成本。 RS232是串行通信中最广泛的接口标准之一。采用标准接口后,能很方便地把各种计算机、外部设备、单片机等有机地连接起来,进行串行通信。 RS232总线标准规定了24个信号和25个引脚,包括一个主通道和一个辅助通道,在多数情况下主要使用主通道。对于一般双工通信,仅需3条信号线即可, 包括一条发送线、一条接收线和一条地线。 RS232接口属单端信号传输,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此,通信距离较短,最大传输距离约15m。 PC机串口输出的是RS232电平,而STC89C52采用的是TTL电平,因此必须有电平转换电路。本系统中采用的是232。 232芯片是美信(IM)公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。 232主232要特性: ?符合所以的RS-232C技术标准; ?只需要单一+5V电源供电; ?片载电荷泵有升压、电压极性反转能力,,能够产生+10V和-10V电压V+、V- ; ?内部集成2个RS-232C驱动器 ?功耗低,典型供电电流5mA; ?高集成度,片外最低只需4个电容即可工作。 MXA232功能引脚图如图3-2所示: 图3-2 MXA232功能引脚图 使用232芯片的11,12,13,14,四个引脚。其中,13,14引脚接PC机串口的TXD和RXD;11,12引脚和AT89S52的P3.0(RXD),P3.1(TXD)连接。这样,可实现PC机与单片机的通信。 串行通信线路图如图3-3: 图3-3 PC机与单片机的串行通信线路图 3.2.1波特率的设计 本系统采用的是异步通信,由STC89C52的定时器T1提供波特率。 在串行通信中,首先应该设定串行口波特率。 本系统的串行通信的工作方式为方式1(以10位为一帧传输,设有1个起始位、8个数据位和1个停止位),其帧格式如图3-4所示: 起始 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 停止 图3-4 方式1的帧格式 工作在方式1时,波特率由定时器T1的溢出率与SMOD值同时决定。其计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为: (3.1) 式2.1中,T1溢出率取决于T1的计数速率和T1预置的初值。由于T1工作在模式2(自动再装入8位计数器)下,则其溢出率为: (3.2) 其中f为机器频率,又由于 (3.3) 其中fosc为振荡频率。综上,即可得出波特率与初值之间的关系:(3.4) 又因为SMOD为0,fosc为24MHz,波特率为250kb/s,由此可以求出T1的初值为253即FDH。 3.2.2 定时器T1的设置 定时器共有两个控制字,由软件写入TMOD和TCON两个8位寄存器,用来设置T0或T1的操作模式和控制功能。当系统复位时,两个寄存器所有位都被清0。 TMOD用于控制T0和T1的工作模式,其各位的定义格式如图3-5所示: 图3-5 工作模式寄存器TMOD的位定义 其中,低4位用于T0,高4位用于T1。M1和M0是操作模式控制位。两位 可形成4种编码,对应于4种操作模式,见表2-1。是定时器/计数器方式选择位。当0时,为定时方式。定时器计数单片机片内脉冲,亦即对机器周期计数;当1时,为计数方式,计数器的输入是来自T0或T1端的外部脉冲。GATE是门控位。当GATE0时,只要用软件使TR0(或TR1)置1,就可以启动定时器;当GATE1时,只有(或)引脚为高电平且由软件使使TR0(或TR1)置1时,才能启动定时器工作。 表3-1 M1和M0控制的4种工作模式 M1 M0 工作模式 功能描述 0 0 模式0 13位计数器 0 1 模式1 16位计数器 1 0 模式2 自动再装入8位计数器 1 1 模式3 定时器0:分成二个8位计数器 定时器1:停止计数 由此可知,T1的模式字应设为0010 XXXX,即20H。 在TCON控制寄存器中,只要设置TR1为1,则定时器T1便开始工作;设为0,则停止工作。 3.2.3 串行口方式1的发送和接收 实际上,收、发操作主要是在串行接口进行,单片机只是把数据从接收缓冲器读出和把数据写入发送缓冲器。数据传送用中断方式进行,响应中断以后,通过检测是RI置位还是TI置位来决定单片机是进行发送操作还是接受操作。由于定时器T1采用工作模式2,所以可以避免计数溢出后用软件重装定时初值的工作。 3.3 存储器 存储器可分为程序存储器和数据存储器两大类。程序存储器是用于存放程序、一些原始数据和表格的;数据存储器主要用于存放汉字字模点阵信息。 3.3.1 程序存储器 当EA引脚接地,程序读取只从外部存储器开始。当EA接Vcc,程序读写先从内部存储器(地址为0000H~1FFFH)开始,接着从外部寻址,寻址地址为:2000H~FFFFH。本系统的程序存储器由单片机提供。 3.3.2 内部数据存储器 系统中的数据存储器由以下几方面提供:单片机内部的RAM和外部的汉字字模点阵信息存储器。内部数据存储器主要是存放程序中的一些临时变量。 内部数据存储器的大小为256字节。高128字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址,而物理地址是分开的。 当一条指令访问高于7FH的地址时,寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器(SFR)。 例如,下面的直接寻址指令访问0A0H(P2口)存储单元 MOV 0A0H,#data 使用间接寻址方式访问高128字节RAM。例如,下面的间接寻址方式中,R0内容为0A0H,访问的是地址0A0H的寄存器,而不是P2口(它的地址也是0A0H)。 MOV @R0,#data 堆栈操作也是间接寻址方式。因此,高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。 3.3.3 AT24C04与I2C总线 1.AT24C04 AT24C04是ATMEL公司生产的4Kbit512BytesE2PROM芯片,该芯片采用I2C总线设计,主要性能: ?4K位串行CMOS E2PROM,分为两部分存储空间,每部分256 Bytes; ?有2个器件地址选择脚,一个I2C总线最多能够挂接4个AT24C04器件: ?32页,每页16字节,每节可连续写入16字节数据; ?WP引脚为高电平时,AT24C04的0~255地址空间的数据被写保护; ?需要9位的地址进行数据寻址。 AT24C04的功能引脚图如图3-6所示: 图3-6 AT24C04功能引脚图 2.I2C总线 I2C总线(Inter Integrated Circuit BUS)是Philips公司推出的二线制同步串行总线,它只需要数据线SDA和时钟线SCL即可在连接于总线上的器件之间传送信息。且具有自动寻址、高低速设备同步和仲裁等功能,能够实现完善的全双工数据传输,是各种总线中使用信号线数量最少的。I2C总线只有两根信号线:数据线SDA和时钟线SCL。SDA、SCL总线上挂接单片机、外围器件(如I/O口、ADC、DAC、存储器等)和外设接口(如键盘、显示器、打印机等)。所有挂接在I2C总线上的器件和接口电路都应具备I2C总线接口,而且所有的SDA、SCL同名端相连。 I2C总线接口电路均为漏极开路,故总线必须有上拉电阻RP。所有挂接到总线上的器件及接口都通过总线寻址,故I2C总线具有简单的电路扩展方式。 I2C总线的寻址采用纯软件的寻址方法,无需片选线的连接,这样就减少了总线数量。主机在发送完启动信号后,立即发送寻址字节来寻址被控器件,并规 定数据传送方向。寻址字节由7位从机地址(D7~D1)和1位方向位(D0,0/1,读/写)组成。当主机发送寻址字节时,总线上所有期间都将该寻址字节中的高7位地址与自己器件的地址比较,若两者相同,则该期间认为被主机寻址,并根据读/写位确定是从发送器还是从接收器。 虚拟I2C总线通信的原理图如图3-7所示: 图3-7 虚拟I2C总线通信的原理图 3.4 LED点阵显示电路 LED点阵显示屏是由8*8独立LED发光二极管封装而成,每行的8只发光二极管的阴极相连,每列的8只发光二极管的所有阳极相连,共64只发光管像素。点阵屏在同一时间只能点亮一列,按同一列是阴极还是阳极相连分为共阴、共阳。要让第一列点亮,只要将对应的列线置为高电平,行线输出为00H。要使一个字符在显示器整屏显示,就必须通过译码器快速地点亮点阵LED各列,而且是周而复始的循环点亮,利用人眼的暂留视觉效应形成一个全屏文字。而系统总的点阵屏,是采用4块上述8*8单色LED点阵块拼接构成16*16点阵的条形显示屏。 3.4.1相关芯片介绍 1.74HC138芯片 74HC138是一款高速CMOS器件,74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入(A0, A1和A3),并当使能时,提供8个互斥的低有效输出(Y0至Y7)。74HC138特有3个使能输入端:两个低有效(E1和E2)和一个高有效(E3)。除非E1和E2置低且E3置高,否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性,仅需4片74HC138芯片 和1个反相器,即可轻松实现并行扩展,组合成为一个1-32(5线到32线)译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入,而把其余的使能输入端作为选通端,则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器,未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。 74HC138主要性能: 多路分配功能; 复合使能输入,轻松实现扩展 ; 兼容JEDEC标准no.7A; 存储器芯片译码选择的理想选择; 低有效互斥输出; ESD保护 HBM EIA/JESD22-A114-C超过2000 V 及MMEIA/JESD22-A115-A 超过200 V 温度范围-40~+85 ? 及-40~+125 ? 74HC138的功能引脚如图3-8所示: 图3-8 74HC138的功能引脚 2.74HC573芯片 74HC573是八进制3非反转透明锁存器。态74HC573的输入是和标准CMOS输出兼容的;加上拉电阻,他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时,这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)。当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。输出能直接接到CMOS,NMOS和TTL接口上;操作电压范围:2.0V~6.0V;低输入电流:1.0uA;CMOS器件的高噪声抵抗特性。 74HC573功能引脚图如3-10所示: 图3-10 74HC573的功能引脚 3.74HC540芯片 74HC540是高速硅栅CMOS器件和引脚兼容低功耗肖特基TTL。74HC540是八进制反相缓冲器/线路驱动器三态输出。三态输出控制输出使能输入OE1和OE2。一个OEN高导致产出承担高阻抗关闭状态。74HC540和74HC541是相同的,但有反相输出。 74HC540功能引脚图如3-11所示: 图3-11 74HC540的功能引脚 3.4.2 行列驱动 单片机STC89C52的P1.0~P1.3通过两个译码器74HC138输出用于列选通信号,列驱动图如图3-12所示: 图3-12 列驱动图 行驱动部分用两个数据锁存器(74HC573)和两个行驱动器(74HC540)。将单片机STC89C52的P0口作为数据输出线,P2.6和P2.7两个引脚用来选择上八行或下八行。驱动接线如图3-13: 图3-13 行驱动图 3.4.3 汉字字模提取原理 以中文宋字体字库为例,每个字由16列16行的点阵组成。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。下面以“学”字为例,说明汉字点阵的取点方法。 将汉字放在16*16方格内,在画笔下落处的小方格填上“1”,无笔画处填上“0”,以横向或者纵向的8个点为一个字节选取点阵码,就形成了一个汉字字模,一个16*16汉字字模占32B,汉字字模“学”的16*16的点阵如图3-14所示,按这种方式取得的“学”字的字模数据: 0x40,0x30,0x10,0x12,0x5C,0x54,0x50,0x51, 0x5E,0xD4,0x50,0x18,0x57,0x32,0x10,0x00;左半部分 0x00,0x02,0x02,0x02,0x02,0x02,0x42,0x82, 0x7F,0x02,0x02,0x02,0x02,0x02,0x02,0x00.右半部分 图3-14 “学”的汉字点阵图 国家标准规定:汉字库分94个区,每个区有94个汉字以位作区别,每个汉字在汉字库中有确定区位码。汉字内码第一位为区码,第二位为每区内的编码,每位数据1为要显示点,0为不显示点,对应在屏幕上显示出来,就是相应的汉字。由于在中文环境下,输入的是汉字的内码,要想从字库中找到对应的汉字,将其字模显示出来就必须将其转换成区位码,算出偏移量。在16*16字模中:设其内码为ABCDAB是区码,CD是位码,则偏移地址ADDRESS[区号*94十进制+位号]*32十进制。 英文字符的显示比汉字简单,因为一个英文字符通常为汉字的一半大小,即若汉字为16*16的点阵,则英文字符为8*16点阵,占16个字节,其它显示原理则与汉字显示方式相同。 3.4.4 LED扫描方式 LED显示屏通常采用动态显示方式。动态显示是利用人眼的视觉暂留效应,为了得到稳定的显示图像,要求扫描周期T20ms。 点阵LED动态扫描可分为三种方式:点扫描、行扫描、列扫描。对于本系统要求显示每个汉字为16*16点阵,共1024个点。若使用第一种方式,设刷新频率为50Hz,其扫描频率必须大于16*16*5012800Hz。这么高的频率用STC89C52单片机很难实现。使用第二和第三种方式,则频率大于16*8*506400Hz,周期小于0.15ms即可符合视觉暂留要求。为方便实现从左到右的滚屏显示,本系统采用列扫描方式。 对LED显示屏的控制电路作了归纳和比较。汉字显示控制电路是按列扫描方式,一般分为两大类:一类是用74LS377之类的芯片作为列驱动电路的锁存器,单片机通过并行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据;另一类是用移位寄存器74LS595之类的芯片作为列驱动电路的锁存器,单片机通过串行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据。 无论是并行总线的控制方式还是串行总线的控制方式,其工作过程都是先给数据指针DPTR赋值,接着累加器A按数据指针DPTR的指向,从外部数据存储器RAM中读得字模数据。然后,并行总线时,再给数据指针DPTR赋值,接着单片机将累加器A中的字模数据,按数据指针DPTR的指向,写给LED点阵列驱动电路的锁存器;串行总线时,单片机将累加器A中的字模数据,通过串行口写给LED点阵列驱动电路的锁存器。 一般显示控制中,单片机MCS-51系列的晶振频率是12 MHz,机器周期是1μs,上述两种控制方式完成1片LED点阵片的显示控制都得十几微秒。本系统扫描方式,完成1片LED点阵片的显示控制大约需要4μs。 3.4.5 LED驱动方式 LED的驱动方法可分为恒压驱动、恒流驱动和脉冲驱动和扫描驱动等。 各种驱动方式各有其优缺点,因系统采用的是扫描驱动,这里主要介绍一下: 扫描驱动,是指利用人眼的视觉惰性,采用向LED器件重复通断供电的方法使之点燃的驱动方式。采用扫描驱动方式时应该注意两个问题:扫描电流幅值的确定和驱动脉冲频率的选择。 为了获得与直流驱动方式相当的发光强度,扫描驱动电流的平均值应该与直流驱动时的电流值相同。如图3-15所示: 图3-15 扫描驱动电流值比 其中ton/T称为扫描电流的占空比,我们可通过调节占空比来调节平均驱动电流Iavg,从而改变LED的亮度。 其次,就是扫描频率的问题。我们知道扫描频率必须高于24Hz,否则就会产生屏幕闪烁的现象。在实际应用当中,往往采用更高的频率以确保屏幕显示的稳定,例如60Hz,120Hz等。 3.5 ISD4004语音电路 3.5.1 ISD4004芯片 ISD4004语音芯片是由美国ISD公司推出不久的新产品,在目前市场上流通的语音报站器,大多采用的不是ISD4004系列的芯片。与普通的录音重放芯片相比,具有如下特点:首先,记录声音没有段长度限制,并且声音记录不需要A/D转换和压缩;其次,将快速闪存作为存储介质,无需电源可保存数据长达100年,重复记录10000次以上;此外,ISD4004具有记录时间长可达16分钟,本系统采用的为8分钟的语音芯片和所需外围电路简单的优点。 ISD4004芯片引脚图如图3-16所示: 图3-16 ISD4004引脚图 同相模拟输入(ANA IN+):这是录音信号的同相输入端,输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3kΩ输入阻抗决定了芯片频率的低端截止频率。在差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV。 反相模拟输入(ANA IN-):差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV,本端的标称输入阻抗为56kΩ,单端驱动时,本端通过电容接地。两种方式下,ANA IN+和ANA IN-端的耦合电容值应用相同。 音频输出(AUD OUT):提供音频输出,可驱动5kΩ的负载。 片选(SS):此端为低,即选中ISD4004系列。 输入(MOSI):此为单行输入端,主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。 输出(MISO):ISD串行输出端,ISD未选中时,本端呈高阻态。 串行时钟(SCLK):ISD的时钟输入端,由于控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。 中断(INT):本端为漏极开路输出,ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持,中断状态在下一个SPI周期开始清除,中断状态也可用RITN指令读取。 行地址时钟(RAC):漏极开路输出。RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存储器有2400行)。8kHz采样频率的器件,RAC周期为 200ms,其中175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC为218.75μs高电平,31.25μs为低电平,该端可用于存储管理技术。 外部时钟(XCLK):本端有内部下拉元件,芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在+1%内,在不外接时钟时,此端必须接地。 自动静噪(AM CAP):1μF电容构成内部峰值检测电路的一部分,检测出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪电路的工作与否。大信号时自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。同时,1μF电容也影响自动静噪电路时信号幅度的响应速度,本端接VCCA则禁止自动静噪。 3.5.2 ISD4004的串行外部接口(SPI) ISD4004工作于SPI串行接口。该接口一般使用3根公共的信号线:串行时钟线SCK、主机输出/从机输入数据线MOSI(简写SI)、主机输入/从机输出数据线MISO(简写SO)和若干根独立的从机选择线,可扩展具有SPI接口各种I/O器件,与并行总线扩展方法相比,大大地简化电路设计,节约系统成本、提高了设计的可靠性。 SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作。因此,对ISD4004而言,在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。协议具体内容如下: ?所有串行数据传输开始于SS下降沿。 ?SS在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间保持为高电平。 ?数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。 ?SS变低,输入指令和地址后,ISD行才开始录放保持。 ?指令格式是8位控制码加16位地址码。 ?ISD的任何操作(含快进)如果遇到EOM或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。 ?使用“读”指令会使中断状态位移出ISD的MISO引脚时,控制及地址数据也同步从MOSI端移入。 ?所有操作在运行位(RUN)置1时开始,置0时结束。 ?所有指令都在SS端上升沿开始执行。 OVF标志指示ISD录放操作已到达存储器的末尾。EOM标志只有放音过程中检测到内部的EOM标志时,此状态位置1,如图3-17所示。 图3-17 SPI接口和控制位 以下列举了几种对ISD器件进行操作的执行次序: 信息快进。用户不必知道确切的地址,就能快地跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍,遇到EOM后停止,内部地址计数器加1,并接下条信息开始处。 上电顺序。器件延时TPUD(8kHz)采样时,约25ms后才能开始操作。因此,用户发完上电指令后,必须等待TPUD,才能发出一条操作指令。例如从00处放音,应遵循如下时序:发power?up命令;等待TPUD(上电延时);发地址值为00的SETPLAY命令;发PLAY命令。器件会从00地址开始放音,当出现EOM时,立即中断,停止放音。如果从00处录音,则按以下时序:发power?up命令;等待TPUD(上电延时);发power?up命令;等待2倍TPUD;发地址值为00的SETREC命令;发REC命令。器件便从00地址开始录音,一直到出现OVF(存储器末尾),录音停止。 表3-2 SPI的接口指令 指 令 8位控制码16位地址 操 作 摘 要 POWERUP 00100XXX 上电:等待TPUD后操作可以工作 SET PLAY 11100XXXA15~A0 从指定地址开始放音。必须后跟PLAY指令使放音继续 PLAY 11110XXX 从当前地址开始录音(直至EOM或OVF) SET REC 10100XXXA15~A0 从指定地址开始录音。必须后跟REC指令录音继续 REC 10110XXX 从当前址开始录音(直至OVF或停止) SET MC 11101XXXA15~A0 从指定地址开始快进,必须后跟MC指令快进继续 MC 11111XXX 快进操作指令 STOP WRDN 0X01XXXX 停止当前操作并掉电 RINT 0X110XXX 读状态:OVF和EOM 本系统中ISD4004片选引脚SS接单片机的P1.6,控制ISD4004的选通与否,P1.7接ISD4004的串行输入引脚MOSI,从该引脚读入放音的地址;P3.2和P3.3分别接ISD4004的串行时钟引脚SCLK和中断引脚/INT。芯片的引脚连接图如图3-18: 图3-18 语音控制芯片连接图 从图中可以看出STC89C52和ISD4004之间的连接较少,ISD400