基于單片機(jī)的語音式轉(zhuǎn)速表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙華峰

摘要：針對傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)速里程表需要用眼睛去看的弊端，設(shè)計(jì)出以STC89C52為主控芯片的語音式電子轉(zhuǎn)速里程表系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用SPI串行總線方式通信，霍爾傳感器采集車輛在行駛過程中所得到的信號(hào)，液晶屏顯示汽車行駛的速度和總里程數(shù)，并用ISD4004語音播報(bào)速度，用蜂鳴器和LED燈構(gòu)成超速聲光報(bào)警器。具有精確度高、顯示清楚醒目、語音報(bào)數(shù)清晰、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電子轉(zhuǎn)速表；語音播報(bào)；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0253-02

汽車轉(zhuǎn)速里程表是用來標(biāo)示汽車運(yùn)行過程中的瞬時(shí)速度和記載汽車行駛的總里程。傳統(tǒng)的汽車?yán)锍瘫硎怯娩摻z軟軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置來標(biāo)示速度和記錄里程，行駛過程中車速的不斷提高或者道路環(huán)境的影響，鋼絲軟軸在高速旋轉(zhuǎn)過程中受到鋼絲交變應(yīng)力的影響易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象[1]，鋼絲軟軸能否正常工作對于傳統(tǒng)的汽車?yán)锍瘫硎且粋€(gè)不小的挑戰(zhàn)。另一方面易產(chǎn)生形變過大和遲滯現(xiàn)象。對于不同車型，軟軸長度和彎曲程度也影響裝置的安裝位置。對比于單片機(jī)作為主控芯片的電子式轉(zhuǎn)速里程表，傳統(tǒng)汽車?yán)锍瘫頉]有優(yōu)勢可言；另一方面，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速里程表沒有語音提示功能，需要眼睛去看才能知道當(dāng)前行駛的速度和離限制速度的區(qū)間大小，有了語音提示，可以一鍵播報(bào)當(dāng)前速度，并且?guī)в谐偬嵝选?/p>

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，LCD1602作為顯示器，ISD4004語音模塊播報(bào)的電子式轉(zhuǎn)速里程表裝置，并且還有掉電信息不丟失，數(shù)據(jù)信息能夠擦除重寫。單片機(jī)采用的是STC公司生產(chǎn)的型號(hào)STC89C52的單片機(jī)，目前為止最實(shí)用和最實(shí)惠的單片機(jī)芯片。STC89C52的工作頻率是0～40MHz，本裝置用的是單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器和石英晶體作為振蕩源，振蕩頻率設(shè)定為12MHz。通過單片機(jī)編程液晶顯示模塊LCD1602顯示累計(jì)里程和本次里程[2]。系統(tǒng)組成框圖見圖1。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分是由測速系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、語音系統(tǒng)三大部分組成。測速系統(tǒng)主要是霍爾傳感器的應(yīng)用，顯示系統(tǒng)主要是LCD1602液晶顯示屏的應(yīng)用，語音系統(tǒng)主要是ISD4004語音模塊的應(yīng)用。以下是關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)和原理說明。

2.1 霍爾傳感器的應(yīng)用

應(yīng)用霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速有多種實(shí)現(xiàn)方式，最主要的還是應(yīng)用脈沖計(jì)數(shù)（一種是脈沖的頻率，一種是脈沖的周期，還有一種是脈沖的頻率和周期的聯(lián)合）來測量器械的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。本設(shè)計(jì)中是應(yīng)用霍爾傳感器計(jì)量兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔來計(jì)算得到裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。把一塊永久磁鐵用膠水貼在裝置轉(zhuǎn)軸上固定的圓盤的邊角，當(dāng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)圓盤隨著裝置的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)然磁鐵也跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器就在轉(zhuǎn)盤的邊上，磁鐵產(chǎn)生的磁場就是霍爾元件垂直面受到的磁場，于是能夠產(chǎn)生脈沖信號(hào)，裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快一個(gè)計(jì)時(shí)單位內(nèi)產(chǎn)生的脈沖的數(shù)量大小就越多。下面給出脈沖信號(hào)的周期和電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

方程式（1）中：電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是n；電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈的所得到的脈沖數(shù)是p；輸出的方波信號(hào)周期是t。應(yīng)用方程式（1）帶入n和p的相對應(yīng)參數(shù)就可以計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。如圖2所示霍爾傳感器的1號(hào)引腳接在電源正極，也就是單片機(jī)的VCC端口，并且接了一個(gè)10kΩ的電阻，它的作用是構(gòu)成測量電路的內(nèi)阻，保護(hù)電路正常工作；2號(hào)引腳接地，和裝置的GND口接在一起，形成公共端接地；3號(hào)接口連接單片機(jī)的P3^2口，用來接收測量器件發(fā)來的脈沖（霍爾傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)盤上的永久磁鐵的作用下產(chǎn)生霍爾電勢形成脈沖信號(hào)），再由單片機(jī)處理，從而得到系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)。

2.2 液晶顯示器LCD1602的應(yīng)用

目前液晶顯示器用途非常廣泛。在本電子式轉(zhuǎn)速里程表裝置中采LCD1602液晶作為裝置的信息顯示模塊，它是能夠同步呈現(xiàn)32個(gè)字符的工業(yè)字符型液晶，也就是本設(shè)計(jì)所應(yīng)用到的LCD1602液晶顯示屏，并且這個(gè)顯示屏是分為上下兩部分，上半部分顯示16個(gè)字符，下半部分顯示16個(gè)字符[3]。LCD1602液晶顯示屏的上半部分用來顯示當(dāng)前的行駛速度和程序中設(shè)定的速度上限值（速度上限值可調(diào)節(jié)）；下半部分用來顯示現(xiàn)行駛的總里程。

2.3 語音播報(bào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)播報(bào)電路采用ISD4004語音模塊。模塊電路板上有一枚LM386音頻放大器和一枚STC15F104E單片機(jī)[4]。ISD4004語音模塊它的通信方式是串行外設(shè)接口通信方式，其特點(diǎn)是通信速度快、全雙工、同步；使用時(shí)電壓接的是5V，并且這個(gè)模塊可以應(yīng)用在手機(jī)電話以及別的通信設(shè)備或者電子產(chǎn)品[5]。

在裝置實(shí)物中單片機(jī)引腳到語音模塊的接線是：后者的RECORD端口接前者的P3^0口、后者的PLAY端口接前者的P3^1口、后者的SS端口接前者的P3^6口、后者的SCLK端口接前者的P3^0口、后者的MOSI端口接前者的P3^5口、后者的INT端口接前者的P2^0口、后者的MISO端口接前者的P2^1口、后者的RAC接前者的P2^2口[6]。語音模塊上有一枚STC15F104E單片機(jī)，可以很容易的把ISD4004語音錄放模塊和單片機(jī)系統(tǒng)連接起來，達(dá)到預(yù)期功能的實(shí)現(xiàn)。模塊使用前確定好語音存放地址，提前錄好語音，需要播放時(shí)只要給板載單片機(jī)發(fā)送語音播放控制信號(hào)就能夠?qū)崿F(xiàn)語音的播放。應(yīng)用它不是很難，和單片機(jī)結(jié)合起來就可以達(dá)到預(yù)期的功能[7]。

語音錄放模塊使用遵從上述錄放音原理以及接口使用規(guī)則，并且在裝置硬件電路中添加了一個(gè)藍(lán)色LED燈作為錄放音提示信號(hào)，用此藍(lán)色LED燈的亮滅標(biāo)示ISD4004語音錄放模塊在錄放音時(shí)的工作狀態(tài)，也可用它來判斷ISD4004語音錄放模塊是否工作異常。

裝置使用過程中，當(dāng)錄音鍵按下系統(tǒng)開始錄音，啟動(dòng)模塊，把前期預(yù)定的語音存放地址發(fā)出交給程序，開始錄制所需要錄得語音，當(dāng)程序刷到OVF出現(xiàn)時(shí)，馬上進(jìn)入中斷狀態(tài)，ISD4004語音錄音系統(tǒng)掉電停止，也代表著錄音部分完成。

裝置使用過程中，當(dāng)系統(tǒng)檢測到放音按鍵按下時(shí)，經(jīng)由程序比對調(diào)用出所需要播放的語音地址，當(dāng)程序刷到EOM出現(xiàn)時(shí)，馬上進(jìn)入中斷狀態(tài)，ISD4004語音模塊掉電停止工作，也代表著放音結(jié)束。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測速系統(tǒng)總共由三部分構(gòu)成，霍爾傳感器的測量部分、聲光報(bào)警電路部分、模擬車輪轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)部分。按下電源開關(guān)啟動(dòng)裝置，程序開始運(yùn)行初始化，總里程計(jì)數(shù)清除歸零，LCD1602液晶顯示屏的速度顯示是零，總里程為零，等待電機(jī)啟動(dòng)準(zhǔn)備測速。按下電機(jī)啟動(dòng)開關(guān)后，霍爾傳感器測量電路開始測速，測得的脈沖信號(hào)傳遞給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的程序運(yùn)算將測得的脈沖信號(hào)周期按照公式（1）轉(zhuǎn)換成速度數(shù)據(jù)和里程數(shù)據(jù)，再將這兩個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD1602液晶顯示屏顯示出來，使用者可以直觀的查看出此時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和行駛里程。

語音模塊的工作流程是根據(jù)芯片的使用說明先確定好語音存放的地址，接下來將數(shù)字語音錄進(jìn)芯片，按下一次錄音鍵錄音一次，直到錄音完成，語音模塊停止工作；當(dāng)檢測到播放按鍵按下時(shí)，語音模塊上電開始工作，接著再根據(jù)所需調(diào)出語音存放地址，讓模塊播出語音，語音播放完畢后關(guān)閉語音模塊。

4 結(jié)束語

硬件平臺(tái)搭建成功后，用Keil μVision4 IDE開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)C51程序的編寫和調(diào)試，對單片機(jī)進(jìn)行編程，經(jīng)過對系統(tǒng)的調(diào)試與檢測，將各功能模塊功能很好的實(shí)現(xiàn)出來，從而實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)的電子式轉(zhuǎn)速里程表系統(tǒng)功能，達(dá)到預(yù)期的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

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