公交车自动报站中语音存储回放电路的设计.docx
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公交车自动报站中语音存储回放电路的设计
常州工程职业技术学院
毕业综合课题(设计、论文)
(2010届)
题目:
公交车自动报站中语音存储回放电路的设计
学生:
蒋芸
系:
自动化技术系专业班级:
电子0713
指导教师:
李玮专业技术职务:
副教授
摘要:
传统的磁带语音录放系统因体积大、使用不便、放音不清晰而受到了巨大挑战。
本课题组提出的体积小巧,功耗低的数字化语音存储与回放系统,可以有效的解决传统的语音录放系统在电子与信息处理的使用中受到的限制。
本文提出了以8052单片机为核心,用它来实现整个数字化语音存储与回放系统的控制。
单片机将通过A/D转换的数字信号送入外部存储器中,在回放时,单片机再从存储器中读出,送到D/A转换成模拟信号输出。
系统采用了键盘选择压缩方式,在字符型显示器上显示,并可实现实时语音存储与回放,性能稳定。
关键词:
公交车报站单片机A/D转换
目录
0前言1
1总体方案设计1
1.1要求1
1.2总体方案1
1.3语音总体方案1
1.3.1语音芯片ISD40001
1.3.2语音的存储与回放利用单片机系统2
2单元电路设计3
2.1MIC电路的设计3
2.2音频前置放大器的设计4
2.3带通滤波电路的设计5
2.4采样保持电路的设计7
2.5A/D转换电路的设计8
2.6数据存储器的设计9
2.7控制电路的设计10
2.8电源电路设计11
2.8.178XX系列正电压输出稳压器11
2.8.2LM317可调正电压输出稳压器11
2.9大屏幕LED显示控制模块的设计12
3总结16
致谢17
参考文献18
附录A单片机最小系统PCB图19
附录BADC采样电路PCB图19
附录C电源电路PCB图20
附录D液晶显示PCB图20
附录E语音输入PCB图21
附录F数据存储PCB图21
附录G总原理图22
0前言
公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务,而公共汽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,在很多大城市已经被淘汰。
近年来,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。
在声学领域,微机技术与各种语音芯片相结合,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,设计了一种由单片机控制的公交车自动报站系统。
这种公交车报站系统的设计主要是为了弥补人工报站必须有售票员才能播报站点的落后方式,使进站、出站自动播报站名及服务用语,为市民提供更人性化,更完善的服务。
1总体方案设计
1.1要求
采用单片机来控制语音播报,达到来播报语音进行报站等功能,同时单片机采样数字温度传感器上传的环境温度值,通过LED点阵显示站名、环境温度、日期时间以及文明宣传语等,同时外部使用键盘来调整日期时间、上下行报站、播放文明宣传语以及调整上下行状态。
1.2总体方案
图1电路总体框图
如图1公交车自动报站系统主要可分为单片机控制部分、语音部分、显示部分、键盘输入部分和温度传感部分,采用51单片机作为主控制芯片,利用语音模块进行存储与回放,进行报站,显示采用16*16型LED点阵,同时利用DS18B20实现温度传感。
1.3语音总体方案
1.3.1语音芯片ISD4000
ISD系列语音录放电路是采用直接模拟量存贮,不需要数字信号处理,也不需要专业开发系统,用麦克风即可实现语音录入,它比同等的数码录放语音电路具有更大的集成度,同时,也使得ISD语音电路具有音质自然、使用方便。
所以,在设计中,只需要将外部元件中加入麦克风、扬声器、开关和少数电阻、电容以及电源,就可构成一个完整的语音录放系统。
其语音芯片的引脚图如图2所示。
图2ISD4000引脚图
通过对这类语音芯片的认识,了解了ISD单片语音器件的独特之处是采用直接模拟存储技术,它除了模拟数据存储部分外,其他功能块内部时钟、前置放大器、滤波器、自动增益控制器、功率放大器、控制逻辑等都在同一个芯片上,使用起来很方便,所用到的元器件也不多。
1.3.2语音的存储与回放利用单片机系统
模拟语音信号输入到系统,首先被放大,然后对信号进行滤波,再进行采样保持,A/D之后由单片机读取数字量并进行存储,回放时,由单片机控制将数字量从存储器中读出并送出进行D/A转换,然后进行后级功放及信号输出,整个系统在单片机控制下协调工作。
这种方案使用到的就是采用单片机系统,它与语音芯片相比较,就更为复杂,在设计中还需要考虑到很多部分。
因此,设计了一个以单片机为核心的系统框图,用它来实现语音的存储与回放控制。
其框图如图3所示。
图3电路系统框图
鉴于本人对单片机的认识,所以选用第二套方案。
单片机的小巧灵活、成本低、易于产品化等特点使其能够方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表,而且它的可靠性好,适应温度范围宽,单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,能适应各种恶劣的环境。
另外,它易扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制功能强,其逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能用指令,可以很方便的实现多机和分布式控制。
确定使用单片机来实现整个电路的应用后,接下来要做的工作就是完成每个单元电路的设计。
在本次设计中,本人主要承担语音存储电路和大屏幕LED显示控制模块的设计。
根据本次设计的要求,本人考虑了单元电路设计的多种独立方案,也通过综合比较得出了一个满意的方案。
2单元电路设计
2.1MIC电路的设计
在这部分中,考虑了以下三套方案,这三套方案在生活中也会经常用到。
方案一:
采用动圈式话筒,动圈话筒使用较简单,无需极化电压,牢固可靠,性能稳定,但体积大。
方案二:
采用电容式话筒,电容话筒灵敏度高,指向性高,频带宽,瞬态响应好但需外加极化电压,应用较复杂。
方案三:
采用驻极体式话筒,该话筒体积小,价格便宜,灵敏度高,便于在电路中安装。
结论:
通过比较,选用方案三。
用方案三的理由是:
语音采集原理是人耳能听到的声音是一种频率范围为20Hz~20kHz,而一般语音频率最高为3.4kHz。
语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。
采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍,由于语音信号频率为300~3.4kHz,所以把语音采集的采样频率定为8kHz。
如果语音的采集用的是驻极体式话筒,不管在特点上,还是在使用上都是有其优点的,而且方便,故采用。
2.2音频前置放大器的设计
声音通过MIC转换成微弱的电信号(mv级),必须进行放大才能经A/D转换送入单片机。
所以设计的思路是:
电路的输入一般都是低频信号,因为放大器本身有共模抑制特性,及其输入漂移和噪声等因素,所以设计过程中不考虑采用分离元件构成的放大器,而是选用集成运算放大器。
音频前置放大器是一种低噪声、低失真、高增益、宽频带的运算放大器,有较高的输入阻抗和良好的线性。
以下的是本人在设计音频输入部分的几套方案。
方案一:
考虑到音频信号的频宽较大(300~3.4kHz),选有宽频带,低输出阻抗的双运放NE5532。
放大倍数为1+(R3+VR1)/R2,设计中放大倍数定为46dB,故取R3=560kΩ,R2=3kΩ,为了整体调整方便,使R3与一电位器VR1=50kΩ串联形成反馈电阻。
NE5532由±15V电源供电,同时用10uF的电解电容与0.1uF的小电容去耦。
电路如图4所示。
图4NE5532电路图
方案二:
本方案采用通用集成运算放大器TL084。
其引脚图如图5所示。
图5TL084引脚图
TL084集成运算放大器包含有良好匹配的高压J-FET及双极性三极管,它具有宽共模及差模电压范围、低输入偏置及偏移电流、输出短路保护、高输入阻抗J-FET输入级、内部频率补偿、锁定自由操作、高循环率等特性。
方案三:
采用内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器LM358,此放大器适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358引脚如图6所示。
图6LM358引脚图
结论:
通过比较和对电路的认识,最后选用了LM358作为电路的音频输入放大器。
电路如图7所示。
MIC输入放大电路由R3、C0、R4、R5以及U1A组成,其中R3给MIC提供直流偏置,由MIC拾到的语音信号经过C0送到U1A进行语音放大,C0在此处起到隔直流及通交流的作用,保证了加在U1A放大器上的信号是交流语音信号。
R4和R5组成了对交流语音信号的放大作用,放大的倍数Au=R5/R4来决定。
图7MIC输入放大电路
2.3带通滤波电路的设计
在这部分的设计中,本人所希望使用的是一种能在要求的频带(通带)内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外,则具有无穷大的衰减的滤波器,而事实上,这样的滤波器是一种理想化的滤波器,通常滤波器都是一种能使一定频率的信号通过,而阻止和衰减其他频率信号的电路。
在通信、测量和控制系统中有着广泛的应用。
所以,在设计过程中,把以下几种滤波电路列在方案的考虑中。
方案一:
阻容滤波电路
它是一种滤波效能较高,能兼降压限流作用的电路,但也有它的不足之处:
带负载能力差,有直流电压损失,这种电路使用负载电阻较大,电流较小及要求纹波系数很小的情况。
方案二:
集成运算放大器LM358
有源滤波有很多优点,如体积小,重量轻,它的集成运放可加电压串联深度负反馈,电路的输入阻抗高,输出阻抗低,输入和输出之间具有良好的隔离,不仅可以放大信号,而且调节电压放大倍数的同时不会影响滤波的效果。
方案三:
D2912A滤波器
芯片D2912A是PCM发送/接收滤波器,它具有两个通道,即发送滤波器和接收滤波器。
与PCM编解码器2911配套使用时,2911中的发送滤波器用于对语音信号进行PCM编码前的滤波(滤除4kHz以外的信号,以避免频谱混叠),接收滤波器用于PCM解码后的平滑滤波。
采用了开关电容滤波技术。
D2912A引脚分布如图8所示。
图8D2912A引脚排列图
结论:
在带通滤波电路的设计中,最终通过比较筛选,选择第二套方案,使用集成运算放大器LM358。
本设计实现的语音信号的输入及输出通道都需要使用低通滤波器,由于人的语音信号的频率范围是300~3.4kHz,所以低通滤波器的截止频率选择3.4kHz。
常用的无限增益多路反馈滤波电路具有性能调节比较方便,输出电阻小,不会因通带电压放大倍数过大而产生自激振荡,性能稳定。
理想低通滤波器的通带衰减为0dB,过渡带宽为0Hz,阻带衰减为∞。
但是,实际使用的低通滤波器不可能达到这样的技术指标,在截止频率附近的幅频特性离理想状况相距甚远。
在实际工作中,所使用的低通滤波器的阶数越高,其幅、相频特性与理想的低通滤波器的逼近程度就越好。
由此,本系统中的输入通道的低通滤波器选择二阶低通滤波器即可满足要求。
如图9所示。
图9二阶低通滤波器
由图9所示电路可知,输出电压与M点点位关系是:
(1)
根据结点(M点)电流法可得:
(2)
由式
(1)和式
(2)可得传递函数如下:
(3)
得出该低通滤波器的通带放大倍数
,截止频率
,通带滤波器的品质因素
。
选择R1=47kΩ,R2=47KΩ,C1=0.01uF,C2=100pF,其截止频率为fo=3.4kHz。
2.4采样保持电路的设计
在A/D转换器中,因为输入的模拟信号在时间和幅度上都是连续的,而输出的数字信号则是离散的,所以转换只能在宜系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样,然后再将这些取样值转换成数字量。
A/D转换要有一定的转换时间,因此取样值还需要保持一段时间,这就用到采用保持电路。
这部分设计中,本人只考虑使用LF398放大器,因为它是一种反馈型采样/保持放大器,也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。
与LF398结构相同的还有LF198、LF298等,都是由场效应管构成,具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。
LF398的引脚图如图10所示。
图10LF398管脚分布图
LF398在应用中的电路如图11所示。
图中,AIN为模拟信号输入端;0809IN为采样保持器的输出,接至ADC0809的任意模拟通道输入端;C9为保持电容;0809EOC接至ADC0809的EOC端,ADC0809的转换结束信号EOC作为LF398的控制逻辑输入信号,每次A/D转换结束后,EOC变高,LOGIC输入端变高,进行下一次采样,等再一次启动A/D转换,EOC变低,LOGIC输入端变低,进入保持状态。
R16、R17构成LF398的调零电路,通过调整电位器R16,使输入IN为0时,输出OUT也为0。
R8、R9的作用是给LF398的输出叠加一直流电压,使输出始终保持为正,因为ADC0809的模拟信号输入必须为正。
调节R9,可以调节叠加的直流电压的大小。
图11LF398的应用电路
2.5A/D转换电路的设计
模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,相当于是一个编码的过程。
模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器,使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码,输出一个与模拟量大小成一定比例关系的数字量。
A/D转换过程通常包括采样、保持、量化和编码四个步骤。
为了保证数据处理结果的准确性,A/D转换器必须有足够的转换精度,其转换的位数越多,得到的数字量越精确,比如用8位和16位表示同一个模拟量,16位的精确度就高了很多。
这和系统本身的精确度要求有关。
同时,为了适应快速过程的控制和检测的需要,A/D转换器还必须有足够快的转换速度。
转换精度和速度是衡量A/D转换性能优劣的主要标志。
A/D转换器选择包括并行比较型、逐次逼近型、双积分型等等。
并行比较式A/D转换器是一种转换速度快、转换原理最直观的A/D转换技术。
逐次逼近式ADC是一种转换速度较快、转换精度较高的ADC。
它们被广泛地应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域。
双积分型ADC属于是间接转换法,其基本工作原理是将输入的模拟信号转换成与之成正比的时间间隔,然后再利用基准时间脉冲通过计数器将此时间间隔变换成数字量。
这种方法的特点是工作速度没快,但精度可以做得很高。
常用的集成ADC有:
8位8输入逐次逼近式ADC0808/0809和8位16输入逐次逼近式ADC0816/0817。
通过比较,在设计中,采用8位8输入逐次逼近式ADC0809。
ADC0809是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片,28引脚双列直插式封装,片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关。
它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。
相对而言,本人对ADC0809转换器比较熟悉,而且它也被广泛应用。
其引脚图如图12所示。
图12ADC0809管脚图
2.6数据存储器的设计
由于本设计为长时间的数字语音录放,所以在这部分的设计中,只考虑了使用NAND数据存储器K9F1G08U。
由三星公司生产的K9F1G08U的数据存储容量达到(128M+32M)×8B。
在海量数据存储市场中提供了最有性价比的解决方案。
它执行以2112B为一页的编程操作只需要300us,擦除以64页即128KB为一个数据块时也只需要2ms,按字节读取数据只需要50ns,所有操作过程都是通过命令/数据/地址端口来完成,擦写的寿命达到100000以上,在U盘、MP3、电子硬件等得到广泛应用。
引脚功能图如图13所示,主要特性如下:
供电电压范围为2.7~3.6V。
存储单位阵列可按字节组织为(128M+32M)×8bit,每页为(2048+64)B,每块为(128+4096)B,每块含64页。
数据寄存器为(2048+64)×8bit。
拥有8个控制引脚和8位命令/数据/地址端口。
拥有8位的状态寄存器,具有ECC校验功能。
支持按页编程操作、按页读操作和按块擦除操作。
图13K9F1GO8U引脚图
2.7控制电路的设计
方案一:
采用AT89S52单片机
MCS-51系列单片机为40引脚芯片,如图14所示。
40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
图148052单片机引脚图
方案二:
采用AT89C2051单片机
AT89C2051是一枚8051兼容的单片机微控器,有8051大部分的功能,有20根脚,其引脚图如图15所示。
图15AT89C2051引脚图
方案选择:
经过对比两种方案,决定在本设计中采用AT89S52单片机,而且本人对此单片机的了解比较熟悉。
本系统设计也将会以8052芯片为核心的单片机小系统,用它来实现整个数字化语音存储与回放系统的逻辑控制。
单片机将通过模数转换器A/D转换的数字信号送入外部存储器中,在回放时,单片机再从存储器中读出,送到数模转换器D/A转换成模拟信号输出,经放大在扬声器或耳机上输出语音信号。
单片机最小系统原理图如图16所示。
图16单片机最小系统图
由于外部扩展较多,所以单片机接了两片地址存储器,接于P1.0~P1.7和P0.0~P0.7。
其余管脚接于A/D,D/A转换。
2.8电源电路设计
基准电压的稳定性将直接影响稳压电源输出电压的稳定性和精度,因为基准电压的漂移会被放大而成为输出电压的温度漂移,所以一个良好的基准电压电路不仅要求它所提供的电压不随输入电压和输出电流而变化,同时还要求它的温度特性好。
因此,基准电源对模数、数模转换器来说是很重要的。
2.8.178XX系列正电压输出稳压器
三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器,它将全部电路集成在单块硅片上,整个集成稳压电路只有输入、输出和公共3个引出脚,使用方便,其输出电压值取决于内部取样电阻的数值,最大输出电压为40V。
2.8.2LM317可调正电压输出稳压器
三端可调输出稳压器的输出电压可调,稳压精度高,输出纹波小,LM317稳压器的一般输出电压为1.25~37V连续可调。
通过比较,并根据电路所需电压,本人选用LM317可调正电压输出稳压器。
电路如图17所示。
图17LM317应用电路
稳压电源的输出电压可用下式计算,Vo=1.25(1+R1/R2)。
仅仅从公式本身看,R1、R2的电阻值可以随意设定。
然而作为稳压电源的输出电压计算公式,R1和R2的阻值是不能随意设定的。
首先317稳压块的输出电压变化范围Vo为1.25V~37V,所以R1/R2的比值范围只能是0~28.6。
V1和V2的作用是:
当输出短路时,C2上的电压被V2泄放掉,从而达到反偏保护的目的。
此外,当输入短路时,C3等元件上储存的电压通过V1泄放,用于防止内部调整管反偏。
C2用以提高IC的纹波抑制能力。
C3用以改善IC的瞬态响应。
C1用于输入整流滤波。
在大电流输出时,IC会因温度过高而截止,必须加适当面积的散热片。
R2应选用线性的电位器。
2.9大屏幕LED显示控制模块的设计
方案一:
采用数字电路、模拟电路来实现电路的控制。
其中采用可显示16个汉字的16*16型LED点阵,整个显示屏共16路行线和256路列线,采用单片机的P0口以及P2.0~P2.3共12个口控制LED点阵的显示。
行信号控制:
P2.0~P2.3通过一片4-16译码器74LS154芯片译码,再通过两片74LS240芯片,逐一扫描点阵的16路行信号。
列信号控制:
点阵的256路列信号,可以分成32页,每页8路信号,单片机的P0.5~P0.7通过一片74LS138译码,可以进行8路列信号的扫描。
为了分别扫描32页中每一列信号,需要对32页中的每一页逐一选通,可设计一个5-32位的译码器,并且每页的8路列信号加一个74LS244芯片,32页共需加入32个74LS244芯片。
5-32位的译码器可以由两片74LS154组成,其5路输入信号由单片机的P0.0~P0.4提供。
电路如图18所示。
图18大屏幕LED显示模块原理图
电路逻辑分析:
P2.0~P2.3通过4-16译码器后,再通过74LS240后,16路输出信号中,只有1路是高电平,15路是低电平,再通过NPN三极管,可以实现某一路选通,同时其他15路截止。
通过单片机的P0.0~P0.4控制5-32译码器,可以唯一选通32个74LS244芯片中的某一片,即仅选通一页,其他各页中是各路列信号表现为高阻态,同时,单片机通过P0.5~P0.7控制74LS138译码器,唯一选通某一页中8路列信号的某一路,并表现为低电平,其它7路表现为高电平。
从电平逻辑上看,由此可实现16*256点阵中,唯一选通某一个发光二极管,通过循环,可实现16*256点阵中每一个发光二极管的选通。
方案二:
采用SMC1602A标准字符点阵型液晶显示模块(LCM),采用点阵型液晶显示器(LCD),可显示16个字符×2行西文字符,字符尺寸为2.95×4.35(WXH)mm,内置HD44780接口型液晶显示控制器,可与MCU单片机直接连接。
在本设计中,由于采用SMC1602A后,大大减少了电路结构,可以提高成功率,而且系统在统一时钟下工作,精确度高,所以采用方案二。
SMC1602A基本介绍。
概述:
SMC1602A标准字符点阵型液晶显示模块(LCM),采用点阵型液晶显示器(LCD),可显示16个字符×2行西文字符,字符尺寸为2.95×4.35(WXH)mm,内置HD44780接口型液晶显示控制器,可与MCU单片机直接连接,广泛用于各类仪器仪表及电子设备。
主要技术参数:
产品型号
显示类型
显示模式
工作温度
存储温度
工作电压
工作电流
背光颜色
背光电流
SMC1602A
STN
黄绿模
常温-0~+50℃
-20~+70℃
4.8~5.2V
2.0mA,5.0V
黄绿
70mA
SMC1602A-2
STN
黄绿模
宽温-20~+70℃
-30~+80℃
4.8~5.2V
2.0Ma,5.0V
无
无
接口信号说明:
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
V0
LCD偏压输入
11
D4
DataI/O
4
RS
数据、命令选择端(H/L)
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写控制信号(H/L)
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLK
背光源负极
8
D1
DataI/O
16
BLA
背光源正极
外形尺寸:
参数连接:
8051系列总线方式,如图19。
图198051系列总线方式
8051系列模拟口线方式,如图20。
图208051系列模拟口线方式
大屏幕LED显示控制模块电路如图21所示。
图21显示电路
电路分析:
采用单片机P0.0~P0.7端口,通过一片74LS373锁存器,后输入SMC1602A中的输入端口,进行驱动。
单片机P2.7端口接入74LS373中OE端口。
其中,当三态允许控制端OE为低电平时,Q0~Q7
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- 公交车 自动 报站 语音 存储 回放 电路 设计