车载语音提示系统

word摘 要随着社会经济的开展和交通运输业日益兴旺，汽车数量在大幅攀升，交通拥挤状况也日趋严重，加上超速驾驶，错误估计车距等主观的原因 ,交通事故频频发生，造成了不可防止的人身伤亡和经济损失。针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车预警系统势在必行。当今电子技术的开展日新月异，汽车传感技术是随着汽车电子的开展而开展起来的一种技术。汽车传感器是汽车电子控制系统的输入装置，汽车传感器可对温度、压力、位置、转速、加速度、流量、湿度、电磁、光电、气体、振动等信息，进展实时、有效而准确的测量和控制。为了增强系统的辅助驾驶功能,一种具有语音功能的智能车载语音系统技术快速开展起来, 该系统采用单片机为控制核心, 配以传感器单元、 显示、 扬声器等几个局部，实时对汽车状态进展监控，并在出现告警情况时语音提示驾驶员。本文首先对车载语音提示系统的现状与开展进展了简要描述，然后对传感器电路设计与信号采集原理等进展了分析，在理论分析以与ISD语音芯片分析的根底上，设计了基于AT89S52的单片机，通过传感器采集汽车状态参数，控制ISD4002语音芯片提示报警的车载语音提示系统。由于汽车传感器还要经受来自发动机部的各种干扰，以与行驶过程中的路况引起的振动，因此我们对传感器的设计要求极为苛刻，传感器必须具有稳定性和精度高、响应快、可靠性好、抗干扰和抗震能力强、使用寿命长等特点。 硬件设计局部主要包括ISD语音芯片外围电路、单片机外围控制电路，信号采集电路传感器；软件设计局部主要是语音回放的软件编程。其号采集电路的设计和ISD语音器件语音提示报警程序的实现是本次软件设计局部的重难点。 本次设计出的基于ISD语音芯片的语音提示系统具有本钱低、音质好、开发周期短，在车载安全系统可以很好的应用。仿真结果明确,该系统设计方案合理可行, 参数实时性好,具有语音清晰、本钱低廉、抗干扰性强等特点,可以广泛应用于各种车辆仪表中。关键词：单片机；传感器；语音报警；红外传输；车载目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 引言11.2 国外开展现状21.3 本文研究的容41.4 论文结构安排4第2章 系统组成与工作原理4车载语音提示系统组成5车载语音提示系统原理6语音分解和合成6汽车用传感器8第3章系统硬件电路设计思想103.1 信号采集模块设计12油量(水位)信号采集电路与工作原理133.1.2 车速信号采集电路与工作原理143.1.3 安全带信号采集电路与工作原理153.1.4 倒车安全提示电路与工作原理16语音模块电路设计183.2.1 ISD4002芯片介绍183.2.2 ISD4002外围控制电路的设计223.2.3 ISD4002与单片机接口电路设计23单片机外围电路的设计243.3.1 AT89S52芯片介绍24单片机复位电路27时钟振荡器283.4 系统电源电路的设计29第4章系统软件设计30程序设计思路30各模块程序流程图30主程序流程设计304.2.2 ISD4002语音芯片操作模式314.2.3 报警子程序设计33第5章系统制作与调试345.1 硬件电路的调试345.1.1 总体特点345.1.2 电路划分345.1.3 焊接355.2 调试35第6章结论37参考文献38致谢40附录141附录24248 / 51第1章绪论1.1 引言汽车是现代社会开展中的一种重要的交通工具，虽然汽车给现代的生产生活带来了众多的便捷，但与之同时汽车驾驶安全问题日益凸显，其中倒车、超速就是典型。交通事故的发生必然会带来一定程度的经济损失和人身伤害。针对这种现象，开发一套车载语音提示系统显得尤为重要的作用1。本系统可以辅助汽车驾驶者对影响汽车行驶安全的物理状态进展实时监控，在危急情况下提醒驾驶员注意安全, 防止汽车意外事故的发生。如何实时有效监控汽车状态和与时提供语音报警成为我们首要解决问题。汽车传感器技术是汽车电子技术的核心之一。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心容之一，传感器的技术水平决定了汽车控制系统的性能。由于本系统车载使用，要经受来自发动机部的各种干扰，以与行驶过程中的路况引起的振动，必须要求系统必须具有稳定性和精度高、响应快、可靠性好、抗干扰和抗震能力强等特点。论文中系统模型为车辆安全预警提示系统提供了一套可行的解决方案，系统运用单片机技术与语音芯片与传感器应用技术交叉融合进展优化设计，利用传感器检测汽车在各种运行状态下器件的工作参数，经过数模转换将电信号后送SCM，进而发出指令,控制语音模块实现实时安全语音提示2。其号采集模块集信号采集和AD转换为一体，简化了硬件外围电路设计，而且降低了本钱，更加经济化。随着系统功能完善，基于安全技术的车载监测系统必将得到更多应用和肯定。1.2 国外开展现状在车载语音提示系统出现以前，汽车行驶安全问题都得靠驾驶员自己判断。而当今电子技术的开展日新月异，电子技术在车载安全系统被广泛应用并已取代了传统机械提示系统。近30年来,汽车产品开展和技术进步所取得的重大成就几乎每一项都和汽车电子技术的应用相关。可以说，汽车电子化程度的上下已成为衡量汽车综合性能和现代化技术水平的重要标志。自50年代，电子技术开始进人了汽车领域。1958年，已有人研制成功燃油喷射装置，随后又开始研制汽车发动机上的各种电子控制系统。当时主要是电子管产品，因体积大，本钱高而未能进人实用阶段。60年代，半导体器件在汽车电子产品中获得应用1960年，美国克莱斯勒公司和摩托罗拉公司共同开发的交越发电机整二极管，选到了大量生产的水平，完全取代了直流发电机，至今仍在采用。不过，近几年已出现雪崩型整流二极管，可防止二极管大电流击穿失效，可靠性得到提高，不久将有可能替代目前用的整流二极管。1964年，美国通用汽车公司和福特汽车公司首先采用晶体管点火装置，1987年实现集成化，但由于本钱高，可靠性差，使其推广应用受到阻碍。70年代，微处理器使汽车工业产生划时代的变革。微处理器的出现，才使汽车发动帆的电子控制得到了长足开展。特别是1976年，美国通用汽车公司将微处理器成功地应用在汽车发动机的系统控制上，使传统的机械式结构汽车发生了巨大变化。1973年美国通用汽车公司第一次在汽车上采用电子点火装置以来, 从此，汽车电子技术的开展十分迅速 ,已由少数零部件扩大到许多总成与整车，微处理器在汽车上的应用迅速地开展并普与起来。微处理器的应用围已由发动机控制系统开展到安全系统、速度控制系统、自动故障诊断系统等。并在向更广泛的应用平台开展。80年代，汽车电子技术迅速开展，微处理器使汽车性能改善、功能增加，引起汽车行业采用电子技术的兴趣，大大推动了汽车电子产品的开展。汽车音响系统 、车载信息系统，电子化仪表显示系统等方面相继开发出一系列新产品。如今,汽车电子产品已广泛应用于发动机、传动、悬架、制动、仪表等系统。今后汽车电子技术开展的重点将是系统模型、电源系统、多通道信息处理系统、汽车电子软件与故障自诊断、智能化技术等3。展望汽车电子技术的开展，现代汽车电子从所应用的电子元器件到车电子系统的架构均已进入一个有本质性提高的新阶段，其中最有代表性的核心器件就是传感器。随着汽车半导体技术的开展，汽车会变得越来越人性化，甚至会实现全部功能的电气化，操作更加舒适、方便、环保，汽车的安全、环保、娱乐等需求推动着汽车传感器市场快速开展。目前,随着国际汽车电子产品市场的成熟 ,带动了还处于开展不成熟阶段的我国汽车电子产业的开展。中国汽车电子产业正快速成长起来,并将成为我国又一个新的独立的支柱产业。我国汽车电子企业现正处于起步开展阶段 ,应用层次落后,与国外差距明显与国外汽车电子产品相比,我国汽车电子产品的应用层次十分落后。虽然我国企业也能自主开发出一些产品，但总体水平与国外相比差异很大,与国际先进水平相比,要落后10 15年。主要差距是在电子控制单元的软硬件、系统的可靠性和控制精度方面 ,企业的技术主要来源于国外 ,而且虽然某些产品已形成一定的生产能力，但是规模化大生产还未形成4。我国汽车工业起始于50年代，已有近40年历史，以载重汽车为主，国产车型汽车上电子产品的应用比例很小。据悉，1988年每辆日产汽车的电子产品产值为109元， 1984年为130元 ，1985年为169元。无论是电子产品在汽车上的占有率 还是增长率，都远低于美国、日本、欧洲等兴旺国家。国产车上应用较多曲电子产品限于交流技电机用整流二极管、倒车报警器 、晶体管闪光器、间歇刮水继电器与电压调节器等简单产品。目前此类产品的生产厂家有四、五十家，这些厂家的规模和生产 能力没有一家能形成规模经济，而且产品技术档次 、质量和可靠性与国外同类产品都不可比。尽管目前开发的产品技术水平还不高，真正能提高汽车性能和动力性能的产品还不多，真正达到汽车装车实用要求的产品也不多，但可看出我国汽车电子产品已在悄俏地起步开展了。展望我国汽车电子产品的开展。到2000年我国将要 形成年产170万辆汽车的规模 ，其中轿车的年产量为90万辆。无论是引进车型的国产化还是国产车的电子化都需要大量可靠的、价廉质优的电子产品。可见，我国汽车电于产品具有广阔的市场前景。1.3 本文研究的容本课题以数字化语音技术的实际应用为背景，阐述了使用单片机控制ISD4002实现语音提示报警，所做的工作主要有以下几方面：(1)概括车载语音提示系统的原理与组成。(2)设计ISD4002语音芯片外围电路、单片机控制电路电路等根本组成局部。(3)设计合理的信号采集电路，红外传输模块。(4)使用C语言编写相应的程序，制作硬件实物，进展调试。基于以上几个方面的容来研究设计一种基于AT89s52单片机与ISD4002语音芯片的车载语音提示系统。系统硬件设计系统硬件设计主要是完成汽车数据的实时采集、数据传输、语音提示等功能。我们要解决的问题主要包括如何设计合理的传感器电路来采集汽车油量、液位、车速与测距系统的信号；最终将信号采集模块，SCM控制模块，语音报警模块三局部整合为一个整体，使之能正确有效的进展语音报警提示6。1.4 论文结构安排本文将从硬件和软件两个局部进展论述。论文第2章对研究容作整体性原理阐述，从总体上给该系统所需的理论支持,论述系统组成结构与设计原理。第3章硬件局部重点是信号采集电路的设计和语音芯片与外围电路的设计。信号采集电路设计集信号采集和数模转换为一体，简化系统外围电路。这一章主要论述4个汽车不同部位工作状态参数相对应适宜的信号采集电路设计。第4章软件局部重点是ISD4002语音芯片的调试程序。第5章主要是硬件电路焊接与软硬件程序调试。第2章 系统组成与原理车载语音提示系统框如图2-1：图2-1 车载语音提示系统总体结构框图车载语音提示系统关键设计包括硬件和软件两局部的设计。硬件设计又包括：信号采集系统，c51单片机控制，报警电路三局部：1信号采集模块：对于汽车不同部位的状态参数，设计了不同电路采集信号，并将信号通过红外模块传输给SCM。2单片机控制中心：对接收到的信号进展分析，满足一定预定值后，产生一个处理信号，触发报警电路报警。 3报警电路:当车速超过一定数值或油量不足时，单片机发出一个信号，触发报警电路语音提示和警示灯亮。数字式智能车载仪表的控制核心要求具有强大的数据采集能力，复杂的计算能力与快速音频处理能力，同时为了适应车辆的恶劣路况环境，还应具有稳定性好、抗干扰性要强等点。因此，该系统选用AT89S52单片机作为整个系统的控制核心。AT89S52单片机是将控制功能、数据处理功能以与数字信号处理(DSP)功能集与一身的一种新型单片机，温度传感器与油量传感器所采集的信号可以直接通过单片机的P四个口引脚输入单片机部进展处理，从而简化了系统的硬件电路，增强了系统抗干扰性能，提高了系统稳定性7。系统传感器单元主要分为安全带传感器、测速传感器、油位和水位传感器、倒车传感器四类。单片机通过这四类传感器来确定车辆的当前车速、油是否用完、倒车安全。车载语音系统原理语音分解与合成理论简介语音信号是随时间变化的连续波形，在数学上表达如此为连续时间变量的连续函数。语音信号的处理技术分为模拟信号处理和数字信号处理两大类。模拟信号处理是人们所熟悉的，例如广泛使用的磁带录音机对语音信号的贮存和重放。语音的模拟信号处理技术已相当成熟，但存在灵活性差和不便于计算机控制的缺点。而语音的数字化处理刚好可以克制上述缺点。计算机语音分析是语音分解和合成的根底。语音分析有时域分析、频域分析和语谱分析三种，其中时域分析应用最广，时域波形图的横坐标是时间参数，纵坐标是幅度参数。时域分析比拟直观且数字化处理比拟容易实现。因此，语音的分解与合成多采用时域分析方法8。1语音的编码与译码图2-2 语音编码和译码程2采样语音信号的连续波形xa(t)经低通滤波并以适当速率进展采样，得到一个时间上离散而幅度为连续的采样序列x(n)。信号中的最高频谱分量称为奈奎斯特频率。当采样频率至少是两倍奈奎斯特频率时，采样序列是信号的唯一表示。因此，采样器设计的一个重要问题就是确定信号带宽。准确表征语音的采样频率大于20kHz，但仅表征语音的主要特征，采用4kHz的奈奎斯特频率已达到要求。因此，输入信号的低通滤波器的上限频率常定为4kHz。3量化为使采样序列x(n)数字化，必须进展量化处理，以得到时间和幅度均为离散的数字序列x.(n)。量化器常用其输出电平数目M来表征。当M使用二进制编码时，有M=2B为量化比特数。评价量化效应时用量化误差，定义为:e(n)=x.(n)-x(n)，其中e(n)为量化误差或噪声，x.(n)为量化后的离散采样序列，x(n)为量化前的采样序列。4码化码化是指把经量化的离散采样序列，经代码变换为M个码字，一般常用B位二进制码字。码字用符号c(n)表示。码化器是B位二进制码字，可以表示M=2B个不同的量化电平。它决定了数字信号传送和贮存所需的信息容量。信息容量I=BF，单位为比特/S或称为比特率。F为采样频率。B为比特/采样。采样、量化和码化的过程就构成了语音信号的分解过程，也可以认为是A/D转换和编码。5译码译码是码化的逆过程。把一个码字序列c.(n)经译码后变换为量化后的采样序列分x.(n)，如数字信号在传送和贮存过程中未引入误码，就应有c.(n)=c(n)，x.(n)=x(n)，如此这个理想的译码器的输出恒等于在语音分解过程中量化后得到的离散采样序列。经D/A转换后就得到了根本特征与原语音信号一样的模拟语音信号。因此，译码和D/A转换的过程就是语音合成过程，把数字量复原为语音信号。语音合成方法主要有三种：波形合成法、参数合成法、音素合成法。对于一样时间段长度的语音信号，波形合成法所需的数据量最大，参数合成法次之，因素合成法所需数据量最小。因此，采用适当的语音合成方法可以大大减少数据量。但应该考虑到，波形合成法所获得的音质是最好的，参数合成法次之，因素合成法所获得的音质最差。编码压缩和变换压缩都属于直接压缩技术，这些方法广泛应用于波形合成法当中。与直接压缩技术相对的是通过建模来压缩。求出表征语音信号的特征参数，如声源、振幅、频率、共振峰频率、频谱等。对语音信源建立模型，将特征参数输入此模型，即可复原为语音信号。此方法应用于参数合成法当中。车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最优工作状态。车用传感器很多，判断传感器出现的故障时，不应只考虑传感器本身，而应考虑出现故障的整个电路。因此，在查找故障时，除了检查传感器之外，还要检查线束、插接件以与传感器与电控单元之间的有关电路。(1)传感器特性 传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三局部组成：1)、敏感元件是指能直接感受或响应被测量的局部，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。 2、转换元件如此将上述非电量转换成电参量。 3、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进展显示、记录、控制和处理的局部。(2)传感器的静态特性参数指标1灵敏度 灵敏度是指稳态时传感器输出量和输入量之比，或输出量的增量和输入量的增量之比，用表示为k=dY/dX2分辨力 传感器在规定的测量围能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。 3测量围和量程 在允许误差限，被测量值的下限到上限之间的围称为测量围。 4线性度非线性误差 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。 5迟滞 迟滞是指在一样的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。 6重复性 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量围连续变化屡次所得特性曲线的不一致性。 7零漂和温漂 传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂9 。第3章 系统硬件电路设计思想车载语音提示系统主要应用于汽车行车安全预警提示，系统可利用车载电瓶供电。在汽车发动机点火后，控制局部得电工作，同时报警器打开，汽车安全带语音提示装置的回路导通，控制器驱动喇叭发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，此时控制器开始不停地检测车速信号、安全带信号和油量信号。如果此时只是打开发动机或开启空调系统而未行车即车速低于某一预定初值，假定10km/h，提示声音持续9 s后停止。当车进入行驶状态且驾驶员未按提示系上安全带，控制器得到车速传感器的车速信号后，车速达到10km/h时持续发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，系上安全带后，安全带插扣插进安全带锁扣，阻断置开关电路，安全带提示系统电源被断开，从而提示声音停止。此时控制器仍在检测油量、车速信号，当出现告警情况时，控制器重新启动语音告警10。基于此原理，我选择了AT89S52单片机和ISD4002语音芯片来完成此课题。本系统语音局部就是语音存储与回放的应用。语音模拟信号经过采集、离散化、量化、编码变成二进制数据存储。这些数据即语音合成时所需数据的来源。单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样值经D/ A接口处理,便可使原音重现。然而，上述方法有其的一些不好的地方，比如录放时间短，音质差，人机控制不理想等。所以我采用单片机和ISD语音芯片来完成数字化语音存储与回放系统的制作，从而能够很好的实现语音报警。数字化语音存储与回放系统的根本原理是对语音的录音与放音的数字控制。主要包括为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进展压缩后再存储，而在回放时再进展解压缩；同时，对输入语音信号进展数字滤波以抑制杂音和干扰，从而确保了语音回放的可靠质量。ISD4002语音芯片是基于串行SPI接口单片语音芯片，电路采用多电平模拟量直接存储技术，音质比14/25系列更出色，单片录放时间可达216分钟，多芯片级联录放，可延长录放时间，适用于手机录音，公交车报站，与校园广播自动播放，消防与空防报警等场合。ISD公司的专利技术成功实现了模拟数据在半导体存储器的储存。这种突破性的EEPROM存储方法可以将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需要经过A /D或D/A转换。这种技术产生了两个效果：其一，比同等的数字方式具有更大的集成度；其二，存储的模拟数据不挥发。单片机语音生成过程可看作是语音采集过程的逆过程，但不是像磁带录音机那样原封不动地恢复原来的语音，而是对原来的语音语汇进展可控制、可重组的实时恢复。我们选用的 ISD1400语音芯片简单实用，采用直接模拟量存贮技术，音质好，信息存放在芯片部FLASHRAM中，抗断电，无需专用语音开发工具，能随意更改容和耗电省，既提高了存储密度，又使模拟数据可以得到永久保存。本系统中芯片采用边缘触发方式放音，ISD4002语音芯片是基于串行SPI接口单片语音芯片，音质比14/25系列更出色，适用于手机录音，车载语音预警等场合11。本文设计车载语音提示系统硬件电路主要包括：(1) 信号采集电路和传输模块电路，(2) ISD4002外围电路的设计，(3) ISD4002与单片机接口电路的设计，(4)单片机外围电路的设计等。下面将对以上容进展详细论述。系统设计原理图，见附录1。3.1 信号采集模块设计目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光学式、半导体磁性晶体管式等。车速传感器种类繁多，有敏感车轮旋转的、也有敏感动力传动轴转动的，还有敏感差速从动轴转动的9。当车速高于100km/ h时，一般测量方法误差较大，且费用昂贵，为此我们开发一些廉价实用的信号传感器。我设计的信号采集模块电路主要通过LM339比拟器实现。图3-1 LM339管脚排列图LM339电压比拟器的特点和一些参数：1电压失调小，一般是2mv；2共模围非常大，为0v到电源电压减；3他比照拟信号源的阻限制很宽；4LM339 vcc电压围宽，单电源为2-36v，双电源电压为1V-18v；5输出端电位可灵活方便地选用。6差动输入电压围很大，甚至能等于vcc；LM339集成块部装有四个独立的电压比拟器。LM339集成块采用C-14型封值装，图3-1为外型与管脚排列图。LM339使用灵活，应用广泛。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比拟器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+表示，另一个称为反相输入端，用“-表示。用作比拟两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压也称为门限电平，它可选择LM339输入共模围的任何一点，另一端加一个待比拟的信号电压。当“+端电压高于“-端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-端电压高于“+端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差异大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比拟理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻称为上拉电阻，选3-15K。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压根本上取决于上拉电阻与负载的值12。油量(水位)信号采集电路与工作原理油量水位，安全带信号采集电路设计，如图：图3-2 油量水位信号传感器电路行车过程中单片机控制器一直监测油量传感器信号。油位改变时，会使滑动变阻器阻值发生变化，从而改变比拟器输入端电压。当油位低于我们事先设好的预定值，比拟器输出管输出一个低电平，通过红外传给单片口，由单片机控制发出处理指令，触发报警电路，指示灯亮，并语音提示驾驶员油量已到达警告位置。比拟器输入端参考电压U=R22/(R22+R23)*Vcc，调节 R22的值来改变比拟器门限电压，既设定我们所需要的预警值。主控芯片实时检测油量信号，每6个脉冲计数一次，假如油量持续低于预警值，如此产生出发报警电路。这样可以防止因车子倾斜而造成系统油量预警误报13。这种油量传感器简单实用，改变了传统油量传感器靠摆臂的弧线运动为浮子的直线运动，很好的适应了的不规如此形状，并且油量传感器和液位报警传感器合在一起。3.1.2 车速信号采集电路与工作原理如下图是本人设计的车速信号采集电路设计，主要是采用红外计数的方法来实现。红外对管主要包括红外发射二极管和红外承受二极管组成，它们之间传输为点对点传输，当它们之间没有障碍物时，红外计承受二极管导通，否如此为截止，就由这个特性就可以通过单片机控制，从而达到计脉冲周期的功能。设计电路图如下所示：图3-3车速信号传感器电路图3-3中send端为红外发射二极管，正端串联一个小电阻接5V电源，另一端接地。通电后，send端如此一直在发射信号。Receive端为承受二极管，它负端接5V电源，正端接2K电阻到地，运放LM339在这里起到比拟器的作用。RK为电位器，调节运功反向输入端的基准电压，即比拟电压，承受二极管的电压信号从同相输入端进来，运放由单电源供电，10K为上拉电阻用来提升输出高电平。工作原理是：当没有障碍物时，receive承受二极管输出为高电平，通过比拟器，在LM339的2端输出为高电平，反之如此低电平，把这个信号输入到单片机中,单片机完成计数处理14。待汽车启动1分钟后接通此模块电源，模块开始工作，电源由车载电瓶提供。单片机采用速度脉冲周期测量法,车速信号读入过程采用终端方式读每个脉冲周期，然后根据车速脉冲数和车轮直径算出车速。此电路测速局部与A/D转换结合在一起，这样设计减少了外部硬件电路，具有低本钱和易使用的特点。3.1.3 安全带信号采集电路与工作原理图3-4 安全带信号采集电路图3-4中，K6为分别安装在安全带锁扣。汽车点火时，电路通电开始工作，A、B导通，比拟器输出低电平传至单片机P2.3口，单片机控制ISD4002输出语音“请系上安全带提醒驾驶员；系上安全带时，锁扣断开开关处时，比拟器的一个输入端电压变低，比拟器LM339输出低电平给单片机，关闭安全带提示装置的控制器，停止声音15。当驾驶员进入驾驶室并打开点火钥匙，控制器开始工作，汽车安全带声音提示装置的回路导通，控制器驱动喇叭发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带，此时控制器在不停地检测车速。当车进入行驶状态且驾驶员未按提示系上安全带，控制器得到车速传感器的车速信号后，音箱在达到预定初值的车速时发出提示声音，同时提示灯亮，提示驾驶员系上安全带16。3.1.4 倒车安全提示电路与工作原理现代测距方式有4种:超声波测距、毫米波雷达测距、激光测距、红外线测距. 超声波测距采用回波测距法,超声波发生器不断地发射出 40千赫兹超声波脉冲串,该超声波脉冲遇到障碍物后即反射回反射波,超声波接收器接收到反射波信号后,根据超声波脉冲来回所用的时间与超声波在空气中的传播速度,经运算处理电路处理,从而自动测出车与障碍物之间的距离。超声波的特点是对雨、雾、雪的穿透力强、衰减小 , 因此超声波测距系统可以在雨雪、大雾等恶劣天气下工作。超声波测距的原理简单、制作方便、本钱低。目前超声测距技术一般应用在汽车倒车避撞方面。在倒车过程当中,可实现对汽车尾部数米以障碍物和突然闯入危险区域行人的自动探测 , 并警告、提示司机采取措施17。图3-5 超声波测距系统框图毫米波测距系统工作在毫米波段。毫米波雷达与其他系统(如超声波、激光)相比,具有显著的优点。它不但可以探测目标的距离 , 而且还可以测定相对速度和方位。尤其在雨、雪、雾天气恶劣环境下优点更为突出。但毫米波测距系统电路复杂、价格相对较高。考虑到我国的实际国情 , 本系统没有采用毫米波测距方法。激光测距系统是一种光学雷达 , 它具有测量时间短,测距远,误差小、分辨力高等优点,且价格适中,考虑到多方面的因素,我们在研制汽车防碰撞报警系统时,选择了激光测距法来与时连续准确地测量行驶中的车辆前方障碍物的距离。因为倒车时速度较慢等因素，对传感器的探测距离要求较低，距离分辨率为 3 m ，以上测距技术均能够满足倒车碰撞报警系统的测程要求。通过比拟，本系统使用红外测距。如果后方障碍物的距离太近,系统发出报警声,提醒驾驶员采取措施进一步的开发还可以完成自动减速刹车的作用。而且红外线测距是效果好、无污染、本钱低的测距方式。图3-6 倒车安全提示系统组成示意图红外测距系统工作时，红外线发射器不断发射出频率为40 kHz的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差 t ,即可求出距离 s :s = ct/2 (3-1)式中 , c 为光速度 ,一般取3 108m/s 。本文采用“计数方式，通过单片机处理进展测量，其根本原理是:红外线发射器始终处于发射红外线的状态，当红外接收器第一次接收到障碍物反射回的红外线时，经电路处理单片机给出一个计数启动信号，单片机的计数器开始以一定频率计数；当红外线接收器第二次接收到反射回的红外线时，经电路处理单片机给出一个停止计数脉冲，计数器停止计数。通过编程，单片机自动处理 ,用脉冲的周期 T 乘以脉冲数 n 就得到发射红外线到接收红外线的时间差t ,即:t = nT (3-2)代入(3-1)式就可以测得距离16。当物体距离少于1.2m时，系统报警。本系统研究的是车载语音提示系统，是司机安全行车过程中的语音报警系统，关乎驾驶员的人生安全，为保证系统稳定可靠，我们在对元器件选择上必须要求灵敏度高，能适应较恶劣环境。经过分析考虑，本系统使用ISD4002语音芯片。3.2.1 ISD4002芯片介绍图3-7 ISD4002芯片图3-7为ISD4002的管脚图。电路采用多电平模拟量直接存储技术，音质比14/25系列更出色，单片录放时间可达2-16分钟，多芯片级联录放，可延长录放时间，适用于手机录音、公交车报站、车载语音报警、等场合18。工作电压3V,单片录放时间2至6分钟,音质好,适用于移动与其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪与高密度多电平闪烁存贮列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或MicrowirekHz,频率越低,录放时间越长,而音质有所下降,片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19。 1引脚描述 电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量造近器件。 地线:(VSSA,VSSD) 芯片部的模拟和数字电路也使用不同的地线。几个VSSA尽量在引脚焊盘上相连,并用低阻通路连至电源上,VSSD也用低阻通路连至电源上。这些接地通路要足以使VSSA与VSSD之间的阻值小于3。串行输出(MISO)：ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端口呈高阻态。串行时钟(SCLK) ISD的时钟输入端,由主控制器产生,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) 本端口为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端口变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时去除。中断状态也可用RINT指令读取。 OVF标志-指示ISD的录、放操作已到达存储器的末尾。 EOM标志-只在放音中检测到部的EOM标志时,此状态位才置1。 行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进展了一行。该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC的s是高电平,s为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟XCLK：本端口部有下拉元件。芯片部的采样时 钟在出厂前已调校,误差在+1%。 2SPI(串行外设接口)ISD4002工作于SPI串行接口。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移位存放器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4002而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。协议的具体容为：1.所有串行数据传输开始于SS下降沿。2.SS在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间如此保持为高电平。3.数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。4.SS变低,输入指令和地址后,ISD才能开始录放操作。 5.指令格式是(5位控制码)加(11位地址码)。6.ISD的任何操作(含快进)如果遇到EOM或OVF,如此产生一个中断,该中断状态在下一个SPI周期开始时被去除。7.使用读指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时,控制与地址数据也应同步从MOSI端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进展的操作兼容。当然,也允许在一个SPI周期里,同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。位(RUN)置1时开始,置0时完毕。SS端上升沿开始执行18。3信息快进 用户不必知道信息确实切地址,就能快进跳过一条信息。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,然后部地址计数器加1,指向下条信息的开始处。 4上电顺序器件延时TPUD(8kHz采样时,约为25毫秒)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从处发音,应遵循如下时序:POWER Up命令;TPUD(上电延时);00的SETPLAY命令;4.发PLAY命令。器件会从此00地址开始放音,当出现EOM时,立即中断,停止放音。如果从00从处发音,如此按以下时序:1. 发POWER UP命令;TPUD(上电延时);POWER UP命令TPUD;5发地址值为00的SETREC命令;6.发REC命令。器件便从00地址开始录音,一直到出现OVF(存贮器末尾)时,录音停止7。表3-1ISD33000系列操作一览表指令 控制(5位),地址(10位)操作说明POWERUP00100(XXXXXXXXXXX)器件上电，TPUD(约25ms)后进入待命状态RECPWR10100(XA9A0)上电后从一个地址开始录音STOPPWRD0X0XX(XXXXXXXXXXX)停止本次操作并进入省电状态STOP0X1XX(XXXXXXXXXXX)停止录音或放音操作PLAYPWR11100(XA9A0)上电后从一个地址开始放音RECD10110(XXXXXXXXXXX)从下一个地址开始录音PLAYMC11101(XA9A0)从指定A9A0地址开始放音和信息快速检索PLAYMCD+11111(XXXXXXXXXXX)在下一个地址开始放音和信息检索PIAYDD11110(XXXXXXXXXXX)在下一个地址放音(忽略地址位RINT0X100(XXXXXXXXXXX)读出中断状态：OVF(溢出)或EOM3.2.2 ISD4002外围控制电路的设计图3-8 ISD4002语音提示局部电路图3-8为ISD4002语音芯片与外围电路，包括ISD4002语音芯片，LM386放大器，喇叭。ISD芯片SCLK管脚接单片机口，由主控制器AT89S52产生时钟信号,用于同步MOSI和MISO的数据传输。电路中元器件主要包括：麦克风、扬声器喇叭、少数电阻、电容，再加上电源， 这样就构成了一个语音播放系统。其他的功能块包括部时钟、前置放大器、滤波器、自动增益控制器(AGC)、功率放大器、控制逻辑和模拟存储器全部都做在芯片上19。3.2.3 ISD4002与单片机接口电路设计ISD4002与SCM接口电路是系统控制信号的传输接口，如图3-9所示图3-9 ISD4002与SCM接口电路ISD4002与单片机以串口方式相连，控制ISD4002的片选端，串口控制时钟，P1.2串口输入端，P1.3为串口输出端，P3.2与ISD4002中断标志位相接。当ISD4002的第一脚SS为低电平时，选中该芯片工作，SS在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间如此保持为高电平。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,INT变低并保持。该信号输入到单片机中用来控制放音，中断状态在下一个SPI周期开始时去除20。行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进展了一行(ISD4003系列中的存贮器其1200行)。该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC的是高电平,s为低电平。该端可用于存储管理技术外围电路的设计.1 AT89S52芯片介绍 图3-10 芯片实物图AT89S52单片机是整个系统的控制中心。AT89S52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AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案21。主要性能参数： 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，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，片晶振与时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式22。图3-11 AT89S51引脚图(1)信号引脚介绍输入/输出口线P0.0P0.7 P0口8位双向口线；P1.0P1.7 P1口8位双向口线；P2.0P2.7 P2口8位双向口线；P3.0P3.7 P3口8位双向口线；P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3-2所示：表3-2 单片机P3口第二功能表口线第二功能信号名称串行数据接收串行数据发送外部中断0申请外部中断1申请定时器/计数器0计数输入定时器/计数器1计数输入WR外部RAM写选通外部RAM读选通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。特殊存放器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/PROG：地址锁存控制信号ALE是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚PROG也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用作外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的位置 “1，ALE操作将无效。这一位置 “1，ALE 仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否如此，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位地址为8EH的SFR的第0位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效23。PSEN:外部程序存储器选通信号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，PSEN将不被激活10。EA/VPP: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。为了执行部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端24。.2单片机复位电路单片机如果要正常工作，其复位电路是少不了的。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键手动复位有电平方式和脉冲方式。其中按键电平复位是通过使复位端经电阻于VCC电源接通而实现。本课题采用按键电平复位方式。复位电路如图3-12：图3-12 单片机的复位电路.3时钟振荡器单片机中没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，单片机就不能执行指令，所以它就不能工作。AT89S52 中有一个用于构成部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反应元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体或陶瓷谐振器与电容C1、C2接在放大器的反应回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序与温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器如此选择40pF10F25。图3-14 单片机振荡电路用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即部时钟发生器的输入端，XTAL2如此悬空。单片机工作时,是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步执行的。单片机访问一次存储器的时间，称为一个机器周期，这是一个时间基准。一个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了一个12MHz晶振，它的时钟周期是1/12微秒，它的机器周期是12*1/12=1微秒26。3.4 系统电源电路的设计 因为电源的供电质量直接影响ISD4002的工作，因此应该尽量减少电源中的纹波，在系统的电源接口处设计了电平转换稳压电路，设计中采用了LM78XX系列器件进展线性电压转换。LM7805实现12V到5V的转换和稳压，电路图如图3-11所示。其中C为滤波电容。图3-15 系统电源设计电路图单片机系统供电线路是干扰的主要来源，因为本系统电源由车载电瓶提供，汽车点火系统、音响设备等都可能对本系统产生干扰，为此，需将车载电瓶12V电源经过磁珠和电容组成形滤波电路后，再经过UA7805C稳压、滤波得到本系统电源。另外给每个集成电路芯片都安置一个的陶瓷电容器，来消除大局部高频干扰。同时，良好接地是系统稳定工作的重要条件，由于本系统既有模拟电路又有数字电路，因此设计时将数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连27。第4章 系统软件设计软件在设计中是非常重要的，有硬件与软件的配合才能使作品更完善。软件主要完成信号的处理与控制功能。这章主要讲了系统软件局部的设计。该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与A/D转换子程序、告警子程序等六大模块组成。这一节介绍系统的软件设计。AT89s52单片机可以采用C语言和汇编语言编写程序，因为C语言相较于汇编语言编写程序简单，修改方便，易于实现模块化，生成的机器代码质量高、可读性强、移植好，因此这里采用C语言编写程序28。编译器采用Keil C51。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。控制芯片处理模块主要是将各个模块进展协调处理和实现数据交互。主控模块首先完成初始化工作，初始化后进入循环处理，在循环过程中获得/数据，并将数据进展处理，根据处理后的结果来进展语音预警。主程序流程设计主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能，主控模块将各个模块进展协调处理和实现数据交互。主处理模块首先完成初始化工作，初始化后进入循环处理，在循环过程中获得传感器采集到的数据，进展数据处理。语音系统在使用之前必须先录制好音频，系统主程序见附录2.本系统软件主程序流程图如图4-1图4-1主程序流程4.2.2 ISD4002语音芯片操作模式ISD4002工作于SPI串行接口。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移位存放器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4002而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。协议的具体容为：1所有串行数据传输开始于SS下降沿。2SS在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间如此保持为高电平。3数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。4SS变低,输入指令和地址后,ISD才能开始录放操作。 5使用读指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时,控制与地址数据也应同步从MOSI端移入。6所有操作在运行位(RUN)置1时开始,置0时完毕。7所有指令都在SS端上升沿开始执行。图4-2 语音播放流程图程序：/发送setplay指令/*void isd_setplay(unsigned char adl,unsigned char adh)spi_send(adl); /发送放音起始地址低位adh=adh|0xe0;spi_send(adh); /发送放音起始地址高位SS=1;/发送play指令/*void isd_play(void) LED=0; spi_send(0xf0);SS=1;4.2.3 报警子程序设计程序框图如下：图4-3报警子程序流程第5章 系统制作与调试5.1 硬件电路的调试5.1.1 总体特点 该系统所涉与的各局部硬件电路，总体的特点是：电路原理简单，所用的器件均为常用器件，主要有红外线接收头、AT89S52单片机、光耦、ISD4002语音芯片、喇叭等。5.1.2 电路划分为方便焊接与调试，把电路划分为局部：1ISD4002语音芯片外围电路。2ISD4002与单片机的接口电路。3AT89S52与外围电路局部。4红外信号传输模块局部。设计PCB电路板时各模块排放要紧凑有序：电路PCB板如如下图：图5-1 单片机系统PCB图5-2 ISD4002电路PCB