基于单片机的语音交通灯设计.doc
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1、河北大学工商学院2015届本科生毕业论文(设计)河北大学工商学院装订线 本科生毕业论文(设计) 题目: 基于单片机的语音交通灯设计 学 部 信息科学与工程学部 学科门类 工学 专 业 电子科学与技术 学 号 2011481061 姓 名 裴芳 指导教师 孙雪 2015年5月10日4基于单片机的语音交通灯设计摘要本文介绍了一个基于SPCE061A单片机的语音交通灯控制系统,包含硬件设计和软件设计。本设计以SPCE061A单片机作为整个系统的控制中心,利用其强大的语音处理性能配合音频放大电路实现语音播放。本设计硬件电路主要包括电源电路、单片机最小系统电路、数码管驱动电路、独立按键电路、音频放大电路
2、软件部分主要包括主程序、语音编解码程序、数码管显示程序、红绿灯切换程序、按键检测程序。软硬件有机组合,实现了一套完善的交通灯控制系统。本设计利用数码管进行倒计时显示,采用双色发光二极管作为红绿灯,当信号灯切换时可以进行语音提示,基于SPCE061A单片机语音交通灯控制系统具有成本低、稳定性强、电路简单等特点。装订线关键字:SPCE061A;交通灯;语音提示;数码管Design of Voice Traffic Lights Based on MCUABSTRACTIn this paper, based on a SPCE061A the voice-traffic light contro
3、l system, including hardware and software design and focus on the design process. This design to SPCE06EA as the systems control center, using its powerful voice processing performance combined with voice playback audio amplifier circuit. The design of hardware circuit as long as including a power s
4、upply circuit, a microcontroller system circuit, digitron tube driver circuits, independent press circuit, audio amplifier circuit. Speech codec software consists of a main program, programs, digitron tube display, traffic lights switching programs, key monitoring programs. Organic combination of ha
5、rdware and software, implemented a complete set of traffic light control system.This design uses a digital countdown display, dual-color LED as traffic lights, traffic lights can make voice prompts when switching, voice traffic light control system based on SPCE061A single-chip has the advantages of
6、 low cost, stability, simple circuits, which can be widely applied in practice.Key words:SPCE061A;Traffic light;Voice prompt;Digitron目录 1绪论52语音交通灯总体方案设计62.1总体方案的论证与选择62.2主要功能模块论证与选择62.3语音交通灯工作过程73语音交通灯的硬件电路设计83.1电源电路83.2复位电路93.3时钟和锁相环电路103.4独立按键电路103.5音频放大电路113.6数码管显示电路和红绿灯显示电路113.7总体硬件电路原理134语音交通灯的
7、软件设计144.1主程序144.2硬件初始化程序154.3数码管和红绿灯程序164.4独立按键检测程序184.5 语音播放程序195开发及调试过程215.1硬件开发及调试215.2软件开发及调试226总结236.1特点236.2不足与改进23参考文献24致谢24附录25附录251绪论随着国民生产总值的提高,人民的生活质量也稳步提升,城市化步伐逐渐加快,道路上的车辆越来越多,城市的交通安全引起越来越多的关注。而交通安全与十字路口的行车状况息息相关,所以在这种情况下,各大十字路口的交通灯控制起着极其重要的作用。而十字路口的行车状态得到合理、多元化的管理,除了要对十字路口实际路况进行一下数据采集并进
8、行详细分析之外,还需要有一套完善的交通灯控制系统。因此如何研究设计出一套功能完善的十字路口交通灯控制系统显得极为重要,它将对我国的城市交通发挥很大的作用。早在19世纪,红绿灯就是用来在十字路口疏导交通状况的工具。当时英国的首都伦敦相关政府为了有效管理马路上的马车,就在主要十字路口安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯,用这个信号灯来指示街道上的马车通行1。这就是最早的交通信号灯了。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,其中蓝色表示通行,红色表示停止。随着这种交通工具的出现,使得交通得到了合理的管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有了明显效果。采用凌阳公司16位SPC
9、E061A单片机设计了一个基于单片机的带语音提示的交通灯控制系统。在此设计中红黄绿灯会交替倒计时显示,并且在红灯和绿灯切换时会有语音提示,另外本设计还可以通过板子上的十二个按键来实时模拟交通路况。设计的亮点就是带语音提示功能,交通灯共分为四个状态,分别为Normal状态、Emergency状态、Setup状态、以及Polling状态。各状态相互配合使系统更加完善,使用更便捷。 2语音交通灯总体方案设计本课题的目标是设计一个基于单片机的语音交通灯。该设计主要分为控制部分、显示部分和语音输出部分。控制部分采用凌阳SPCE061A单片机最小系统板,显现部分采用传统的LED灯和七段八位数码管。语音输出
10、部分通过SPCE061A单片机片内ADC输出经音频电路放大,再通过扬声器播放。2.1总体方案的论证与选择方案一:控制器采用凌阳公司的SPCE061A单片机,利用其强大的语音处理性能配合音频放大电路实现语音播放。方案二:控制部分采用TI公司的TMS320系列的 DSP。显示部分采用LED灯加数码管显示。语音采用DSP配合外置音频译码电路实现语音的播放。方案一优点是软件和硬件实现简单,且成本低,缺点是语音质量略差。方案二优点是语音失真度小,质量好,但是硬件部分比较复杂,软件算法也很复杂,而且成本很高。由于本设计对语音质量要求不是很高,所以最终采用方案一。2.2主要功能模块论证与选择(1)电源采用3
11、节1.5V干电池串联,总电压为4.5V。单片机电源采用三端LDO(SPY0029)供电,输入电压为4.5V,输出电压为3.3V。(2)本设计选用凌阳公司的SPCE061A单片机作为主控芯片,SPCE061A与传统的51单片机相比具有更强的数据处理能力。(3)音频电路采用SPCE061A单片机片内部的DAC通道,音频放大器采用凌阳公司的SPY0030,该放大器具有供电电压低、输出功率大的特点2。除上述主要功能模块外还包括键盘电路、车辆行人流量模拟电路、时钟电路、锁相环电路以及数码管倒计时电路。系统设计框图如图2-1所示。图2-1 系统设计框图2.3语音交通灯工作过程 语音交通灯的控制中心为单片机
12、单片机上电后开始逐条执行ROM当中的程序,通过程序可以控制单片机I/O口高低电平的状态,这样I/O口就可以输出一个开关量,从而实现控制外围器件的功能3。本设计倒计时显示采用的是数码管,数码管内部有8个发光二极管按八字形顺序排列,共分为七个段外加一个小数点,可以通过单片机输出的开关量来控制8个发光二极管中具体哪一个亮、哪一个灭,这样就可以组合成0-9内的任意数字。如果采用二位数码管就可以显示0-99内任意的数字。经单片机解码出的音频信号从DAC输出,对语音信号进行放大,经放大后的语音信号就可以驱动扬声器发声,这就是整个系统的工作原理。语音交通灯上电后开始执行主程序,主程序主要完成了对硬件的初始
13、化,接着数码管开始倒计时,当数码管减到零时进行一次红绿灯的切换,同时进行语音提示,程序依次循环。主程序里一直检测是否按下设置键,如果按下进入设置状态,设置状态下可以修改数码管倒计时的最大值,这样可以根据不同的路况来设置倒计时时间,方便适用于不同路口,也可以在不同时间段设置不同值;如果按下紧急键,程序跳转到紧急状态子程序,在紧急状态下所有路口均为红灯,该功能用于处理一些突发情况。3语音交通灯的硬件电路设计语音交通灯硬件采用模块化的设计思想,将不同功能的电路分开设计,然后组合在一起完成特定功能。本设计主要分为两个模块,即单片机最小系统模块和交通灯控制模块,整体硬件框图由主板、数码管、红绿灯、扬声器
14、独立按键、电源六部分构成,如图3-1所示。 图3-1整体硬件框图3.1电源电路在电子设计中电源设计是系统设计中最重要的步骤之一,电源的稳定性直接影响到系统的稳定性。常用的电源方案有两种,一种是采用DC-DC(开关电源),另一种是采用LDO(低压差线性稳压电源)4。开关电源的主要优点在于电源效率高,但是开关电源的外围器件比较多从而导致系统成本上升。本设计采用的是低压差线性稳压电源(SPY0029),低压差线性稳压电源具有成本低、纹波小等优势。SPY0029需要的最小压差仅为1V,本设计中输入电压为4.5V输出电压为3.3V,输出电流能够达到1A,完全满足本次设计的需要。图中电容(C33、C34
15、C35、C36)主要起滤波的作用。D3、D4是稳压二极管,主要起稳压和保护作用。系统电源电路如图3-2所示。图3-2电源电路3.2复位电路SPCE061A单片机为低电平复位。复位电路包括上电复位和手动复位。刚上电时,电容视为短路,RST脚相当于接地,然后电容开始充电,随着电容电压不断升高,电阻电压不断下降,即RST引脚电压不断上升至变为高电平,复位结束;当按下按键时,RST直接与GND相连,同时电解电容被短路放电,按键松开时,VDD对电容充电,充电电流在电阻上,RST依然为低电平,仍然是复位,充电完成后,电容相当于开路,RST为高电平,正常工作。系统复位电路如图3-3所示。图3-3复位电路3
16、3时钟和锁相环电路SPCE061A单片机的时钟输入为32.768KHZ,通过锁相环电路SPCE061A,单片机可以倍频到40MHZ。C14和C15为晶振的负载电容。系统复位电路如图3-4所示。图3-4时钟电路3.4独立按键电路独立按键电路用于程序状态的切换。当独立按键按下时对应的I/O口为高电平,单片机通过读取I/O口的高低电平状态实现程序状态的切换。语音交通灯共分为四个状态,分别为Normal状态、Emergency状态、Setup状态、以及Polling状态。在Normal状态下如果按下KEY1则会进入Emergency状态,该状态用于突发情况下封锁路口,即所以路口全部为红灯,不允许任何
17、车辆和行人通过。在Normal状态下如果按下KEY2则进入Setup状态,该状态用于设置各个路口的通行时间,设置完成后通过KEY3保存本次设置并返回到Normal状态。在Normal状态下如果按下KEY3则进入Polling状态,Polling状态用于统计车流量,此时通过KEY1和KEY2选择播报各个路口的车流量。独立按键电路电路如图3-5所示。图3-5独立按键电路3.5音频放大电路SPCE061A单片机片内集成2路10位电流型DAC,本设计中采用DAC1作为音频输出端口。DAC输出的电流范围为0-3mA无法直接驱动扬声器发声,所以需要放大器对其进行放大。放大器选用凌阳公司的SPY0030集成
18、运放,SPY0030是一款专门用于对音频信号进行放大的芯片,该芯片有供电电压低输出功率大的特点5,而且输出功率可以通过外部电阻调节。音频放电路电路如图3-6所示。图3-6语音播放电路3.6数码管显示电路和红绿灯显示电路语音交通灯采用四组两位七段数码管进行倒计时显示,分别分布在四个路口。红绿灯采用16个双色LED进行显示,其中在东西南北四个路口各放四个。数码管和红绿灯电路原理类似,所以一起介绍。数码管分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管,共阳数码管在使用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字
19、段就点亮,当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮6。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管,共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮,当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。本设计中采用的是共阳数码管。数码管结构图如图3-7所示。图3-7数码管结构图由于数码管内部二极管数量较多,而且I/O口的输出电流比较小无法直接驱动数码管,本设计中采用三极管驱动数码管,如图3-8所示,当CS-0为低电平时三极管处于饱和状态,三极管输出电流最大,起到驱动的作用。同理,双色LED的工作电流也比较大也需要三
20、级管扩流才能正常工作。数码管红绿灯电路如图3-8所示。图3-8数码管和红绿灯电路3.7总体硬件电路原理语音交通灯硬件主要分为两个模块,分别是最小系统模块和交通灯控制模块。最小系统模块是整个控制的核心,主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、锁相环电路、I/O界面电路以及音频播放电路。交通灯控制板是整个系统的功能电路,主要包括LED显示电路、数码管显示电路、数码管驱动电路、以及流量监测电路,各电路之间相互配合。系统电源采用的3节5号电池,总电压为4.5V经LDO稳压到3.3V为单片机供电。上电后最小系统板上的电源指示灯亮,单片机完成上电复位后开始工作。单片机通过I/O口控制数码管显示倒计时和LED
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