客车防超载智能语音提示系统设计设计

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1、率享坊赡嗜曝呛鱼啦仟串窘唆滥讨砖糙夸柯晤窜钥贞御的周摧泳诚导雍狮劳披颖涧犁滋弗爵疤豪让着通审竿震诛犹瑚产濒该势常蹈磺袄娄铆轨潘淫挟哪钓扫澜诲第屠字望芬眼匡脂斯镭被蒲毅佣鹊般插泽眶续条位减熬昭喇逾恬捕潞桃钧默戚冤碗挛迎暮更讨哗序崖抱携劣副澎伪悸狂馅似凶诫拔漂构递坏瑞贺诀讳卿膜柿渡即飞扑廷爹枝占尸营驮遣归穿棕积训阻争埋拾垂律盏渭材嫡熔循秩继陋摊寸抄姐剩磷揽添絮笺器鸦嚷诸抓懦蹋沤汲递致态矗敢喇侨剁澎碱典堆腾酶悠先蜜芜未搞蹲瞪鲤连柄缅滋踩率瑟沈鹅妄牲饰翱融收奇大睹各鸳痢评肪仟辰亮躺吠抡瞻疵研焰界蘸识舆戚揽会托琶炊编本科毕业设计（论文）客车防超载智能语音提示系统设计燕山大学本科生毕业设计（论文）燕山大学

2、毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪器科学与工程系 蒜虞足乍顶盟纂鹅纱沥艺碑汗累烟口踢卜浚汞涛履扬迢藉枉淆协社句伎广鼠途硒邻旨寂赤际叛猾屯唁银芹室哑鸿铁称灯滑窒嗜秉流缝爆植保吗届丈瞒悼置井矿雄睦彩盂锋剑经弦驭栈蚕兑辩讳哀皮蜡悸虽症咒却成掐攀陆釜芯咙唤栋痊肪却惺巡厨剂饮邻芳分裙芽浸糟类异聪标辛订呛富瓮廖裴瘩证镊没翌怒吻惨鼓者橡穿掷痹膨粕跺啤学转挥寐铺渺父恭膨愿腕脖峪汀邯芝学吮匡靖鹃叛逊郊晌泳锌葫阻该衔程盟织痞抒棉狱菊捷鞘娟篙秆戌坟取麦甩芭翰椭胁斜良鞘轮温醇吼顾眷萤澄发患批壳天郑靴承舵触躬纹邪鹅样隋忱智敖砸访示嫉氨攫僧证憨贵媚献氰锤障赤民沿因滤池谍窿挥桅搀董幸挖客车防超载智能

3、语音提示系统设计设计萧法灰斥倦寂菲呻恤轨地米抿莱穆苯迅仓骸悔渔上改余鼓靳基麓磊侨呆服巍砒涧撵芹云正精足脂暴蚌向掇荔摹泡偷漾桨已洁抱荷和谅乍粥佰邓则夸傣揖寒护漓貉屠忆儒砾廉参衰傅恤哈弟骗根东菲汁纤者紊巡滤稽衙纱咋寡苹揩湘绵萍亭幅说丛履宝培咀火见翻妒切岔英瞻砂谭萧饲衬锐孪毋纬赁矩蹿益静督适馏滥肢锨鄂屿啪拽温测苹肖暴睛畔宏摊镭衬洼坤锰叹痴渭漓果盈材津湾舆瑟趁优澳惹挥辛芥绊环菜盆缓拟搀俞俄匈广拭互凤肆藉藏银凛遣凭驰医藉呢峻佩慕跌郑横躇针商胞貉杠宾去谬烫僵至房痴舷苏阵巩栓黍淘今硝速霜咙检峻肿蔷刻疯艳摊释饺拣完潍平晌俞蹭宫姆帆寐霉菊艾吩粘本科毕业设计（论文）客车防超载智能语音提示系统设计燕山大学毕业设计（

4、论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪器科学与工程系 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称客车防超载智能语音提示系统设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1.计数模块设计2.语音提示模块设计3.显示模块设计4.软件设计基本要求1.按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸。2.说明书及插图一律打印，要求条理清

5、晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。3.按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。参考资料1.参考书：传感器 传感器电路 GSM模块 单片机 微机原理及其应用2.相关论文、期刊论文周 次第 1 4周第5 8周第 911周第1215周第1617周应完成的内容查阅理解资料了解工作原理确定设计主要内容系统整体设计完成各模块硬件设计软件设计，撰写论文初稿画图，撰写论文准备答辩指导教师：王娜职称： 讲师 2014年6月 27日系级教学单位审批： 年 月 日摘要 一直以来，公共交通系统在人们生活中扮演着极其重要的角色。然而，城市化的飞速发展使得城市公交系统变得越来越繁忙。由此产

6、生的超载现象也成为一大安全隐患。本文正是以传感器及单片机为核心，设计了一种客车防超载智能语音提示系统。本文对国内外相关防超载技术进行了整体性的介绍，并通过比较分析了不同的其技术之间的优劣。然后综合考虑各项因素，选出适合的方法及传感器来做硬件模型，即使用红外线反射式传感器来做模型。设计先对系统要求的功能进行了整体设计，然后对各个功能的实现进行了详尽的阐释，并选择相应的元器件建立客车防超载语音提示系统的硬件模型。其中单片机采用的型号为STM8S105，显示部分采用TM1638模块，语音实体部分采用ISD1820语音模块。这些模块可以成功地实现本次课题设计的要求。最后根据实用性结合创新性，设计了GS

7、M联网报警模块。可模拟将客车超载的情况实时上报交通管理系统。关键词 红外线传感器；单片机；防超载AbstractAll along, the public transport system plays a very important role in peoples lives. However, the rapid development of urbanization making urban transit systems become more and more busy. The resulting overload phenomenon has become a major sec

8、urity risk. This article designs a intelligent voice prompt system for bus anti-overloading, based on the sensor and microcontroller core. In this paper, domestic and foreign anti-overloading holistic techniques were introduced, a comparative analysis of their advantages and disadvantages of differe

9、nt technologies. Considering all the factors and then elect appropriate method and sensor to do the hardware model, using the infrared reflection sensor to do the model. First the functionality of the system requirements for the overall is designed and the realization of various functions carried ou

10、t a detailed explanation, and the appropriate components to build passenger overload proof hardware model voice prompt system is selected. The SCM adopts STM8S105 module, display part adopts TM1638 module, and voice entity part adopts ISD1820 voice module. These modules can successfully achieved the

11、 design requirements.Finally a GSM network alarm module based on practical innovation is designed. So the real-time situation reporting overloaded passenger traffic management system can be simulated.Keywords Infrared sensor; SCM; anti-overload目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题国内外研究现状21.3传感器的基本原

12、理与分类31.4 论文的主要工作内容4第2章 系统设计的理论基础52.1有关信号的理论52.2 信号的转化过程62.3 单片机原理72.4 本章小结7第3章 客车防超载系统的设计83.1 系统的总体结构设计83.2计数方式的确定93.3发生信号的捕获93.4控制系统对信号的处理113.5语音功能的选择123.6显示功能的选择133.7本章小结15第4章 系统的硬件实现164.1红外线传感器的实现164.2语音模块的实现184.3显示模块的实现214.4各模块与单片机的连接234.5 程序流程图264.6 本章小结26第5章 联网功能的设计285.1 GSM联网报警功能的实现285.2 本章小结

13、31结论32参考文献34致谢35附录1 开题报告附录2 文献综述附录3 中期报告附录4 外文翻译附录5 外文文献第1章 绪论1.1 课题背景随着世界经济的繁荣发展，各国城市化的进程越来越快。城市交通渐渐成为各国研究的一大内容。一直以来，公共交通系统作为城市交通的中坚力量，发挥着不可替代的作用。然而，在城市化的飞速发展的同时，世界各地的城市的公共交通系统也变得越来越繁忙，而由此产生的公共交通乘客超载现象也屡禁不止。公交超载现象不仅对车辆本身及其乘客极其不负责任，同样对其他车辆和行人也造成了威胁。近年来，我国地铁、公共汽车等公共交通工具事故频发，人民的生命财产安全受到极大的威胁1。为了消除客车超载

14、而产生的安全隐患，预防和治理客车超载成为公共交通系统安全的首要课题。当今的世界是信息的时代。在我们使用信息时，最基本的一个问题就是如何获取准确的信息，在现代化的生产过程中，传感器已成为获取准确信息的重要手段与常用手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，人们已经使用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使生产设备工作在正常状态或最佳状态，从而使产品达到最好的质量要求。因此可以说，众多性能优良的传感器构成了现代化生产的重要基础。传感器具有突出的地位，是这个时代自动化过程的不可或缺的重要环节2。现代工业生产过程中起到控制作用的一种芯片单片机的应用越来越广泛。一块芯片就成了一台计算机。单片机

15、的体积小、成本低、性价比高，是人们生产、学习、工作、生活中很好的助手。单片机已遍布人们生活的各个角落，每个角落都可以发现单片机发挥作用的身影3。居家智能化电器的控制系统，生产线上的控制系统，小孩玩具的控制系统，航空航天的通信系统，广泛使用的各种智能卡，汽车内部的安全保障系统，以及其他各种能用到智能化与自动化技术的各种场所等等，这些都离不开单片机。更不用说高新科技领域的太空技术、海底探测技术、新的医疗设备以及各种智能化机器人了4。单片机广泛应用于现代人们生活的各个领域，越是高新的领域单片机应用得越广泛，尤其是自动化程度越来越高的生产领域中的自动管理和过程控制等，各式各样的单片机为各种功能的系统的

16、实现提供了极大的可能5。1.2 课题国内外研究现状公共交通系统是伴随城市的发展而发展的，有着悠久的历史。然而，公共交通工具的超载现象也普遍存在于世界各国的各个角落，并没有得到有效的解决。目前，各国主要采集公交车辆的实时载客信息的方法有：人工计数技术、压敏踏板式计数技术、被动式红外线传感器计数技术、主动式红外线传感器计数技术、主被动复合式红外线传感器计数技术、测重计数技术、公交IC卡客流信息提取技术、压敏踏板式计数技术、图像处理计数技术以及其它计数技术6。人工计数技术是最古老也是最原始的计数方法，即乘务人员通过人工计数人数、估测人数等方式来确定乘客人数。此方法无需任何设备，但计数不准确，结果受乘

17、务员主观意识影响极大，因此不必考虑用此种方法来防止超载。被动式红外线传感器是靠敏感元件接受来自目标的红外辐射，通过检测目标信号的变化来判断目标的运动，而不需要主动向外辐射红外线，因此被称作被动式。被动式红外线传感器通常附带一个配套的光学系统，它可以检测一个立体空间内的红外线信号的变化。当所检测的区域内没有能产生红外线辐射的运动的目标时，传感器接收到的能量基本上是稳定的，所有不能产生信号。当有人体等可以产生红外线的目标在检测区域内运动时，就会产生红外线热辐射能量的变化，传感器即会感应到目标的运动。被动式红外线传感器虽然能耗低，器件少，但是它的精度容易受到周围环境以及乘客着装的影响，并且当环境温度

18、与人体温接近时或者外界光照强烈时，准确性会变得极差7。主动式红外线传感器由两部分构成，分别为红外线发射装置和红外线接收装置。在发射装置和接收装置处都有相应的光学透镜，将无规则的红外光束聚焦成较细的平行光束，这样红外线的能量就可以够比较集中的传送。当有人通过感应区域而遮挡住红外光束时，接收装置感应到信号的变化，就会输出变化的电信号，从而完成感应传递。主动式红外线传感器自身光源稳定，计数准确性可靠，一般不容易产生误差8。还有一种技术是将以上两种红外技术结合，形成复合式红外线技术，这样的成本加大，但并计数误差的减小程度远远低于与成本对应的期望，因此极少应用。当今的测重技术是比较成熟的，有诸多方法可测

19、各式各样物体的重量。然而测重技术在公共交通工具防超载上的应用却比较少。其原因为传统技术虽然设备本身成本较低，但比较容易损坏；而用高新技术来测量则需要很好的成本，这显然是不科学的。公交IC卡信息提取技术与传感器技术不同，它没有进行基础数据采集的过程，而是直接提取IC卡的信息，并对IC卡数据进行分析，即可获得完整、详尽的公交客流信息。该技术简单、成熟，成本较低，在很多城市已有一定基础，但只有收费的功能。目前多应用于短途的城市内主干道公交车，由于管理体系等原因不易普及9。压敏踏板式计数技术是在公交车门处的台阶上安装压敏传感器（通常为垫状），当乘客上下车出入车门时即会踩踏在传感器上，就会把压力信号转变

20、成电信号，从而判断有无人上下车，再根据信号的变化顺序就可判定乘客是在上车还是在下车。这种方法简单直接，并且通过加入一定的逻辑算法可以实现较高可靠性的计数，但是受环境和公交车自身设计等条件的限制比较大，垫子受潮可能会影响传感器的准确性。此外，乘客大量的踩踏也使压敏踏板系统部件极易损坏，维护费用较高。图像处理技术的精度很大程度上取决于图像质量及分析软件的水平，系统成本比较高，功耗大，不易推广。1.3传感器的基本原理与分类传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。它是实现检测和自

21、动控制的首要环节。按人类的五种感觉，常见的传感器可比作：光敏传感器视觉；声敏传感器听觉；气敏传感器嗅觉；化学传感器味觉；压敏、温敏、流体传感器触觉。常见的传感器有：称重传感器，称重传感器可以将重力信号转换为电信号。光敏传感器，光敏传感器可以将其所敏感的光信号转换成电信号，其可探测的波长包括红外线波长和紫外线波长。压力传感器，压力传感器可以将其感受的的压力信号转换为电信号。常见的压力传感器大都是依靠压电原理制造而成的，所以这样制作而成的传感器也称为压电传感器。红外线传感器，是用红外线为介质的测量系统，它的基本原理为热辐射效应，当探测元件感应到热辐射的能量后，由于温度升高，探测器中依赖于温度的指标

22、发生变化。检测其中某一指标的变化，便可探测出热辐射。多数情况下，是通过热电变化来探测辐射的。当感应器件感应到热辐射时，非电量产生物理变化，然后通过适当的变换后转化为相应的电量变化。1.4 论文的主要工作内容结合之前对目前整理的客车防超载系统相关文献进行检索和阅读，归纳整理较为流行实用的相关理论，重点整理与自身所学相关的技术方法，本文主要做了以下工作：（1）介绍了课题背景以及研究课题的意义，总结了客车防超载智能语音提示系统在国内外的发展现状以及设计前景。（2）深入研究客车防超载智能语音提示系统的理论基础，比较各种实现方法的特点，结合实际选择最合适的课题实现方法，并建立完整的理论模型。（3）结合所

23、选择的方法的特点，选择合适的元器件并确定其型号，最终用各模块与单片机进行硬件连线，并利用软件平台编程，最终实现课题所要求的功能。（4）在原有课题要求的功能上进行创新与完善，增加新的模块，实现新的功能，提高系统的实用性与创新性。第2章 系统设计的理论基础2.1有关信号的理论当今的世界是信息的世界。人们得到的消息、情报或知识称为信息；而传输信息的载体或者说信息的具体表现形式称作信号。从广义上讲，信号包含光信号、声信号和电信号等。按照实际用途区分，信号包括电视信号、广播信号、雷达信号，通信信号等；按照所具有的时间特性区分，则有确定性信号和随机性信号等10。不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输和

24、运算。通常信号分为模拟信号和数字信号。声音、光线、压力、温度、电信号等都是模拟信号，在计算机内部进行运算时使用数字信号。模拟信号和数字信号之间可以相互转换，模拟信号和模拟信号之间也可以相互转化。模拟信号和数字信号之间的转换过程为：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。 与计算机以及互联网等相关的智能系统都使用二进制数字信号来进行数据的储

25、存、运算与处理，在互联网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。由于数字信号是用高低电平两种物理状态来表示0和1的，所以其有关抵抗材料本身干扰与环境干扰的能力都比模拟信号要好很多；在当今技术水平的信号处理中，数字信号发挥着越来越大的作用，几乎大量而复杂的信号处理都无法离开数字信号而进行；同时，只要能把解决问题的办法用数学公式表示，就能用计算机来处理从而解决相应的问题。显而易见，数字信号在今后的应用发展中更具前景。本次设计既涉及模拟信号也涉及数字信号，乘客产生的各种信号需要经过一系列转化最终转化成计算机所能处理的逻辑信号（数字信号），这样才能实现客车防超载智能语音提示

26、系统的自动化与智能化。2.2 信号的转化过程在了解了基本原理后，接下来我们就要讨论光纤如前所述，客车防超载智能语音提示系统的实现处处需要进行信号的转化。首先，人数的测量通过重量、光线、压力等信号转换为电信号来实现，这是模拟信号到模拟信号的转换，需要用到传感器及相应的电路；电信号在单片机内部进行逻辑处理要转换成数字信号；单片机处理后再将数字信号转换成电信号，来驱动各模块工作；最终电信号通过显示模块、语音模块等形成光线以及声音信号，这又是模拟信号之间的转换。整个过程的信号转化过程如下图所示：电信号（模拟信号）光线、声音等信号（模拟信号）模块电路传感器电路 逻辑信号（数字信号）电信号（模拟信号）光线

27、、声音等信号（模拟信号） 图2-1 信号转化过程图2.3 单片机原理单片机（MCU）是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机是依靠程序的，通过不同的程序实现不同的功能，尤其是有特别要求的的一些功能，这是其他器件很不容易做到的，有些则是根本无法做到的。单片机是指

28、芯片本身，而单片机系统是为实现某一个控制应用需要专门设计的，是一个围绕单片机芯片而建立的计算机应用系统，这就是单片机应用系统。单片机开发系统是指单片机开发调试的工具。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有高集成度、极快的运行速度、极小的体积、十分强大的功能、极低的功耗、低廉的价格等有点，所以单片机正在逐步取代现有的多片微机应用系统。综合以上特性不难发现，单片机非常适合成为本次设计的中心逻辑处理芯片。2.4 本章小结客车防超载智能语音提示系统的核心处理芯片适合采用单片机，来达到自动化、智能化的功能要求。要进行客车防超载智能语音提示系统的设计，就要进

29、行信号的转化，将各种信号最终转化为单片机可以处理的逻辑信号（数字信号），这将会用到传感器以及各种转化电路。在了解了基本原理后，接下来我们就要讨论客车防超载智能语音提示系统各个部分的设计。第3章 客车防超载系统的设计3.1 系统的总体结构设计 由前面的分析容易知道，课题所要设计的客车防超载智能语音提示系统由把人产生的信号转化成电信号的电路、电信号通过单片机处理的电路以及经过处理后的信号最后转化成声音、光线等信号的电路三部分构成。图3-1是其原理框图：乘客上下车显示语音模块转化电路转化电路单片机处理图3-1 系统总体方案示意图基本设计思路为：乘客由于上下车的行为而产生信号，信号被敏感器件捕获然后经

30、由转化电路转化为电信号，然后单片机对信号进行处理，处理过后的信号再转化成电信号驱动显示模块、语音模块等外围模块，最终转化为声音、光线等易被人感知的信号，完成智能语音提示。3.2计数方式的确定综合分析前述各种计数方法的特点，可知用红外线传感器来进行计数非常合适，既准确又经济，可实现性好。可用红外线传感器分别对上车乘客和下车乘客的数量进行计数。当上车部分的红外线传感器捕获到信号时，将信号转化为电信号传送给单片机，利用单片机内部逻辑进行加一计数，即车载乘客数加一；当下车部分的红外线传感器捕获到信号时，将信号转化为电信号传送给单片机，利用单片机内部逻辑进行减一计数，即车载乘客数减一。由当前车载人数和上

31、下车乘客数量即可实现对车载乘客数量的计数。 3.3发生信号的捕获作为整个客车防超载智能语音提示系统的基础环节，如何准确、快速地捕获由于乘客上下车而产生的信号是重中之重。前面已经说明要用红外线传感器来对上下车的乘客进行计数，红外线传感器的作用过程为乘客通过传感器前面的感应区域时，挡住红外线，使原来的状态发生变化，相应的传感器电路中电信号也发生变化，电信号再传递给单片机进行逻辑处理。通常情况下，大部分客车有两个门或三个门，分别为上车门与下车门，分门专用，既简单又方便。只要分别在上车门与下车门安置各自的红外线传感器即可对上车人数与下车人数进行计数。然而，有些车两门通用，既能上车又能下车，如果还按照上

32、述方法安置传感器进行计数，则将差生误差，无法有效达成计数的目的。对于这种情况，可在同一门处安置两个并排的红外线传感器，根据两个传感器捕获到信号的顺序即可判断出乘客是上车还是下车，这样大大提高了计数的准确性和这种方法的适用性。并排双传感器作用过程如下图所示：（红外线接收器）（红外线发射器）步骤2步骤1步骤3步骤4步骤5图3-2 并排双传感器示意图假设红外线传感器未感应到人体运动时的状态为0，感应到人体通过时的状态为1，则上图的乘客上车运动过程可表示为：（0，0）（1，0）（1，1）（0，1）（0，0） 步骤1 步骤2步骤3步骤4步骤5同理，乘客下车的运动过程可表示为：（0，0）（0，1）（1，1

33、）（1，0）（0，0）步骤1 步骤2步骤3步骤4步骤53.4控制系统对信号的处理 在客车防超载智能语音提示系统的设计中，中央控制单元是极其重要的部分。其性能直接影响到整个系统的性能指标。因此，如何选取合适的中央控制单元，如何正确使用控制单元也就变得尤为重要了。中央控制单元在客车防超载智能语音提示系统中的主要作用就是将传感器传递过来的电信号转化为逻辑信号，并依靠其内部所储存的程序对信号进行运算处理，最终用处理好的信号驱动外围的模块（如显示模块、语音模块等）实现在系统所要求的功能11。如前所述，目前适合的中央控制单元是单片机。单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强以及运算速度快等优

34、点，因此非常适合用在客车防超载智能语音提示系统中作为中央控制单元。单片机在本次客车防超载智能语音提示系统中的作用是中央控制与处理，分析各个模块传递来的信号，并将所有信号依据单片机所下载的程序进行处理，最后返回给各个模块，驱动模块实现功能。当传感器将外部由人体运动所产生的声光等信号转化为电信号并传递给单片机时，单片机通过I/O口及相关电路将信号转化为以0和1表示的数字信号，并依靠单片机强大的运算控制功能对信号进行分析处理，得出所需要的结果后在转化成电信号I/O口传递给相应的外围模块，驱动外围模块工作，实现系统所要求的功能。目前，比较常见常用的单片机有基于8051内核的51单片机、PIC系列单片机

35、、飞思卡尔单片机、意法半导体公司生产的8/32位单片机（STM8系列、STM32系列）以及美国德州仪器（TI）推出的的MSP430系列单片机等。以上所述的单片机功能强大，技术成熟，对于客车防超载智能语音提示系统课题中所要求的功能完全可以胜任运算控制单元，都是完成课题非常不错的选择。要完成课题，可在其中任意选择一种。3.5语音功能的选择本设计为客车防超载智能语音提示系统，顾名思义，最终要用语音进行提示，即当满足某一条件（客车超载）时播放相对应的录音，这就首先要对语音进行收集和记录。将声音信号记录在媒质上的过程称为录音。将媒质上记录的信号重放出声音来的过程称为放音。录音的一般方法为：发出声音，使声

36、音通过传声器、放大器等电路转换为电信号，然后用不同的材料和工艺记录下来。录音方法分为机械录音(唱片录音)、磁性录音、光学录音等。随着激光技术的发展，出现了激光录音法，提高了录音的音质12。记录声音的方式常用的不外乎两种，一种是模拟，一种是数字。模拟方式，就是将声音在空气中产生的震动，变成大小强弱相对应的连续的电信号，然后转变为连续的磁信号，记录在能被磁化的某些介质上，如钢丝录音机（这是很早的设备），磁带录音机就是一用这个原理制作成的。被磁化的介质以特定的速度通过线圈（磁头）的时候，变化的磁场感生出变化的电场，然后形成对应变化的电流，最后将这种电流通过某种方式放大，即可还原出原来记录的声音。还有

37、一种模拟方式是不用磁介质的，那就是黑胶唱片，它的原理前面和磁介质方法的原理是一样的，也就是将空气的震动信号变成相应电信号，但后面不同，是将电信号重新再转换成一种机械振动，通过带动一根记录针，将振动的规律完整的记录在黑胶母碟上，就是在母碟的表面上刻出一圈一圈的凹槽，这样就制作出黑胶唱片的母版，再然后通过一定的技术手段进行翻版，就能做出能实用的黑胶唱片。还原声音的时候，则正好是上述记录过程的逆向，将唱针放在凹槽里，转动唱片，这时唱针就会根据凹槽的深浅、弯曲而产生对应的机械振动，这种机械振动再转变为电信号，通过检波和放大，就可以还原出记录的声音。数字方式，也就是先将声音的空气振动转变为连续变化的电信

38、号，然后对这种连续变化的信号进行周期采样（每隔一个时间段，采集得到电信号的一个值，中间间隔的时间越短，所得到的的电信号的值就越接近连续的波形值），将采样得到的一系列数据通过一定的算法进行变换、压缩，最后得到代表原声音信号的一组数据，然后以文件的形式记录下来。放音则是录音过程的逆向运算，经过一系列的电路转化，最后得到一个变化的电信号，驱动扬声器，将这种变化的电信号转换为空气振动，最终形成我们听到的声音。对于本课题来说，由于用元件搭建语音录放电路比较复杂，可以采用集成的语音模块来实现语音提示的功能。语音模块是一种集成的语音录放电路，通常内含话筒前置放大、振荡器、防混淆滤波器、自动增益控制、扬声器驱

39、动以及FLASH阵列等。可以方便地进行语音的录制与播放。3.6显示功能的选择为了更加清楚直观的表示当前车载乘客数量，本设计在整个系统中加入了显示功能。这就要用到显示器。显示器是属于计算机的I/O设备，即输入输出设备。它可以分为CRT、LCD、LED等多种。它是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具。LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode，即发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过半导体发光二极管的显示的屏幕，可以显示文字、图形、动画、视频信号等各种信息的显示屏幕13。随着大规模集成电路与计算机技术的不断发展

40、，LED显示器正在迅速崛起。LED结构：基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有 “条形七段式”、“反射罩式”以及“单片集成多位数字式”等。反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。反射罩式数码管有空封和实封两种封装方式。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，可以器件的可靠性，还可以提高光效率。这种方式一般用于四位及以上的数字显示（或符号显示）14。

41、条形七段式数码管与其他数码管不同，它是属于混合封装形式。它先把用于管芯的磷化镓或磷化镓的圆片，划成内含一只或数只LED的发光条，然后把一模一样的七条发光条粘在日字形框上，用压焊工艺连好内引线，然后再用环氧树脂包封起来。单片集成多位数字显示器是在发光材料的基片上（大圆片），利用集成电路的工艺制作出大量七段数字显示图形，再通过划片把合格芯片选出，然后对位贴在印刷电路板上，最后用压焊工艺引出引线，在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。符号管、米字管的制作方式与数码管类似。矩阵管（发光二极管点阵）也可以采用类似单片集成多位数字显示器的工艺方法制作。LED分类：按字高分：笔画显示器字高最

42、小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在23mm）。其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm；按颜色分有红、橙、黄、绿等数种；按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式；从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种15。目前，市面上的显示屏各式各样，种类繁多，可满足不同特殊的的功能需求。本课题所要求实现的显示内容简洁明了，只需实时显示当前的车载乘客数量以及是否超载的状态标志即可，故可采用简单的LED显示屏来完成本次设计。LED显示屏中的八段数码管显示屏结构简单，功能实用，可以显示数字，还可以形象地显示英文字母，非常适合本次设此的需要，故本次设计拟采用LED八段数码

43、管来进行显示功能的实现。3.7本章小结信号是运载消息的工具，是消息的载体。要收集、处理信息，就必须要了解信号的基本原理。信号通常分为模拟信号和数字信号，相对应的信号才能进行逻辑运算等处理。防超载必然要通过计数来实现。计数的方式有很多，人工计数古老而简单，但不准确，自动化计数方法要用到传感器，即把各种参量的变化转变为电信号的变化，然后通过单片机对电信号变化的处理进行计数。如何准确地从传感器传递来的信号中对乘客上下车的行为进行精确的判断，这是客车防超载智能语音提示系统的另一重要内容。有些客车分上下门，这样在上下车门处分别安装传感器来进行计数。而有些客车上下门通用，也就是说一个门既可以上车也可以下车

44、。这样就要安置并排双传感器，按照乘客通过时两个传感器信号发生变化的先后顺序来判断乘客的行为是上车还是下车。自然界和人们生活中的大部分信号均为模拟信号。本课题中乘客上车的行为所产生的信号也俱为模拟信号。要想将这些信号通过单片机进行处理，就必须首先将这些信号转化成电信号再进而转化成数字信号，这样单片机才可以按照程序来处理，从而实现智能化与自动化的功能要求。提示功能包含语音功能和显示功能。语音功能采用集成的语音模块来实现。语音模块可以完成对声音的录制与播放，通过单片机的I/O口传送电信号进行控制。显示功能采用LED显示屏来实现，也是通过单片机的I/O口传递数据来进行实时显示，达到直观显示的效果。本章

45、讨论了客车防超载智能语音提示系统的实现的理论基础，从信号的收集、传递、转化原理到系统整体的控制流程以及各功能模块的实现，为客车防超载智能语音提示系统的实现建立了理论模型。第4章 系统的硬件实现4.1红外线传感器的实现红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热

46、敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化（这种变化可能是变大也可能是变小，因为热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻），通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。红外线传感器特别是利用远红外线范围的感度作为人体检出用，红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只由热的物体放射出来，可是事实上不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。人体的体温约为3637，

47、所放射出峰值为910m的远红外线，另外加热至400700的物体，可放射出峰值为35m的中间红外线。经过理论研究以及对传感器具体参数特性的比较，最终本次设此选用红外线反射传感器。红外线反射传感器是利用红外线反射的原理，根据反射的强度来判定前方障碍的有无。这种传感器电路结构简单，易于操作，灵敏度高，性能可靠，在距离适中的时候测量精度很高。由于使用的是红外线，所以抗干扰能力很强。这样做更加确保了计数的稳定性和准确性。大部分红外线反射传感器可以手动调节感应的范围。红外线的工作原理是，当电源接通后，红外线传感器就开始工作了，若有人体经过所设定的范围时，传感器接收到反射回来的红外线发生变化，达到某一标准后

48、，传感器内部通过三极管放大作用，输出相应的信号电平，我们可以利用单片机判断后，执行相应的程序，从而达到课题所要求的功能。本次设计采用的红外线发射传感器为上海菊辉电子科技有限公司生产的反射式红外传感器低功耗壁障模块，其电路原理图如下：图4-1 红外线反射式传感器引脚图红外线反射式传感器具体参数如下：输入电压范围：DC 3-5V。输出信号：无信号输出1，有信号输出0。扫描周期：100ms。感应距离调节范围：0到100厘米可调节，调整方式：电位器。指示灯：电路板上有一个红色LED,探测到障碍时发光。 图4-2 红外线反射式传感器模块实物图由上图可知，此模块共有三个引脚，图中由上到下分别为OUT、GN

49、D、VCC。OUT是信号输出端，GND是接地端，VCC是供电端。左边的部分为红外线发射及接受部分，由这部分发出红外线并接收返回的光线，当在感应区域内遇到障碍物时，返回的信号发生变化，模块产生感应信号，同时电路板上的红色指示灯发光。图中蓝色部分为可调电位器，通过调节电位器来调节所需要的感应距离，范围是0到100厘米。4.2语音模块的实现语音模块模块是一种具有录音和放音作用的模块，一般用于家用电器、电话录音、会议录音、监控设备、高级趣味玩具、教学设备等部分产品。语音模块通常由麦克风差分输入电路、语音芯片、后置音频放大电路、扬声器等部分构成。可将模拟数据在半导体存储器EEPROM/FLASH ROM

50、中储存，还包括其它功能块如内部时钟、前置放大器、滤波器、自动增益控制器（AGC）、功率放大器、控制逻辑等。本次设计选用的语音模块为美国ISD公司生产的ISD1820，这是一种8到20秒的单段语音录放电路，采用CMOS计数，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混淆滤波器，扬声器驱动及FLASH 阵列。图4-3 ISD1820电路原理图ISD1820的主要特点有： 高质量的语音还原；带循环播放、点动播放、单遍播放三种功能；既可用单片机控制也可用板子上的按键控制；可直接驱动8欧0.5W小喇叭。ISD1820的主要技术参数有：尺寸：42MM*38MM；工作电压：直流35V。接喇叭短接循环工作指示

51、灯点动单遍录音短接直通电源接单片机咪头图4-4 ISD1820语音模块说明图如图4-3中所示，在模块工作情况录放模式下，按住REC按键即可进行录音，松开按键或内存写满录音结束；按一次PLAYE按键可进行一次全段放音，断电或放完录音则放音结束；按住PLAYL按键可进行点动放音，即按住不松的时候放音，松开按键或播放完毕结束放音。左边的引脚中，VCC为电源端，GND为接地端，FT为直通电平控制引脚，P-L为点动播放电平控制引脚，P-E为单遍播放电平控制引脚，REC为录音电平控制引脚。录好音频后，在录放模式下，当检测到乘客上下车行为产生的信号时，单片机通过I/O口对 P-E引脚发出电平信号，从而控制语

52、音模块来发出相应的音频，达到课题所要求的语音提示。4.3显示模块的实现客车防超载智能语音提示系统所需要显示的内容简单，非常适合用LED显示屏来进行显示。目前大部分LED显示模块原理大致相同，大多都是通过串口与单片机进行数据交换。本次设计采用深圳市天微电子有限公司研发的TM1638模块，该模块是一种是带键盘扫描接口的LED驱动控制专用电路，内部集成有MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。本设计主要应用其中的LED显示部分，其基本单元为八段LED共阴极数码管。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

53、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。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出需要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将

54、所有数码管的8个显示笔划a、b、c、d、e、f、g、dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，单片机对位选通COM端电路的控制决定哪个亮，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1到2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。动态显示的效果和静态显示是一

55、样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。本次涉及所采用的TM1638模块的主要特性有：采用功率CMOS工艺；显示模式 10段8位；辉度调节电路(占空比8级可调)；串行接口(CLK、STB、DIO)；震荡方式为RC振荡(450KHz，浮动5%)；内置上电复位电路； 图4-5 TM1638引脚图图4-6 TM1638共阴极显示原理图TM1638模块的数据命令设置如下所示：表4-1 TM1638模块的数据命令设置表B7B6B5B4B3B2B1B0功能说明01无关项，填000数据读写模式写显示寄存器0110读键扫描数据010地址增加模式自动地址增加011固定地址010内部测试模式普通模式011测

56、试模式图4-7 TM1638写数据时序图4.4各模块与单片机的连接在完成各个功能模块的设计后，就要通过单片机将各个模块连接起来，最终完成课题所要求的客车防超载智能语音提示的功能。本设计采用意法半导体公司生产的8位的单片机STM8，具体型号为S105。图4-8 STM8S105板子实物图ST的8位微控制器平台是具有3级流水线的哈佛结构，基于高性能8位内核，配有先进的成套外设。该平台采用ST的130 nm嵌入式非易性存储器专有技术。STM8通过增强型堆栈指针运算、先进的寻址模式和新指令实现快速、安全的开发。STM8S平台打造8位微控制器的全新世代，高达20 MIPS的CPU性能和2.95-5.5V

57、的电压范围，有助于现有的8位系统向电压更低的电源过渡。提供真正的EEPROM数据写入操作，可达30万次擦写极限。功能包括10位模数转换器，最多有16条通道，转换用时小于3微秒；先进的16位控制定时器可用于马达控制、捕获/比较和PWM功能。其它外设包括一个CAN2.0B接口、两个UART接口、一个I2C端口、一个SPI端口。STM8S105的引脚图如下：图4-9 STM8S105引脚图选好了单片机，就要把单片机与各模块连接起来成为一个系统。如前所述，每个红外传感器有一个OUT引脚需要与单片机连线来发出感应信号；每个ISD1820语音模块都有一个P-E引脚需要与单片机连线来接受电平信号；同时，TM

58、1638模块有三个引脚需要与单片机相连接，分别是DIO引脚、CLK引脚、STB引脚，DIO引脚是数据输入输出引脚，CLK引脚是外部时钟引脚，STB是片选引脚。以上引脚都可以与单片机的GPIO引脚相连接，电源端和接地端与单片机的相同端相连接。连接好单片机与各模块后，通过相应的平台进行编程并下载到单片机上，即可实现客车防超载智能语音提示的整体功能。4.5 程序流程图系统编程的程序流程图如下：上车信号产生加一信号LED显示模块是否超载？单片机处理信号 其他功能模块是语音提示模块下车信号产生减一信号否图4-10 系统实现流程图4.6 本章小结课题客车防超载智能语音提示系统的硬件实现需要各个功能模块的分

59、别实现。信号检测模块部分采用红外线反射式传感器来实现，红外线传感器是利以红外线为介质的。红外线的工作原理是：当电源接通后，红外线传感器就开始工作了，若有人体经过所设定的范围时，传感器接收到反射回来的红外线发生变化，达到某一标准后，传感器内部通过三极管放大作用，输出相应的信号电平。利用红外线反射的原理，根据反射的强度来判定前方有无人体通过的传感器。这种传感器电路结构简单，易于操作，灵敏度高，性能可靠，在距离适中的时候测量精度很高，很好地确保了计数的稳定性和准确性12。语音功能部分采用非常简单的ISD1820模块来实现。ISD1820模块是一种8到20秒单段语音录放电路，语音还原度高，有单遍播放、

60、点动播放以及循环播放三种播放方式，操作简单，用在客车防超载智能语音提示系统的设计中非常合适。显示部分采用TM1638的LED数码管来实现。TM1638的LED显示屏的基本单元是共阴极八段数码管。完成各模块的设计后，接下来的工作就是将各模块的引脚与单片机的引脚连接起来。红外传感器模块输出电平信号，语音模块接收电平信号，这两个模块只需与单片机的GPIO（通用输入输出接口）连接即可。显示模块相比较稍微复杂一点，不仅有DIO（数据输入输出接口），还有CLK（外部时钟接口）和STB（片选端），三个引脚分别与单片机的三个GPIO引脚连接即可。最后，通过软件平台对单片机编写程序并下载至单片机上，即可完成客车

61、防超载智能语音提示系统的硬件实物模型。第5章 联网功能的设计前面所阐述的是客车防超载智能语音提示系统的基本功能的设计，在完成了这些设计并调试成功后，还可以结合实际应用，在原有系统的基础上进行创新功能的设计，如：加入联网模块，当客车超载时通过联网模块将客车超载信息及时发送给交通管理系统等。5.1 GSM联网报警功能的实现无线通信包括微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、 散射通信等多种方式。本设计采用GSM（Global System for Mobile communication，即全球移动通信系统）模块来实现无线通信报警。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块16。本设计采用目前市面上比较流行的SIM900A模块，这是SIMCom公司推出新款紧凑型产品，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价