记重收费用费额显示器中语音和显示功能的设计与实现

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【摘要】记重收费用费额显示器采用的是基于51单片机作为MCU主控制部分，通过驱动一次性编程（OTP）语音芯片AP89085，用于实现费额显示器的语音播报功能；并通过控制5路数码管实现显示功能，本文主要介绍了这两大功能的设计与实现。

【关键词】51单片机；语音芯片；数码管显示

1.引言

山西省交通信息通信公司自主研究开发的XT—FX—Y系列一体化费额显示器，可显示车型、金额、总重、超限、余额等数字和语音提示信息等，同时具有通行指示灯、声光报警等功能。XT—FX—Y型费额显示器设计先进，功能齐全，质量可靠。用于高速公路、国道、省道收费站等交通控制场所，安装于收费站计重收费出口车道的左前方，显示车辆的收费、通行及报警信息。

2.硬件电路设计

2.1 主控部分

费额显示器采用的是STC89C52单片机作为MCU主控制部分，其中单片机的P10—P17口接AP89085芯片的S1—S8脚（触发引脚），用于控制语音芯片部分；单片机P0口接上拉电阻，P00—P02口接数码显示板接口，用于控制数码显示板。单片机的口接AP89085芯片的SBT引脚（触发引脚），用于触发AP89085芯片，T0引脚接AP89085芯片的OUT3脚（可编程输出引脚），可对AP89085芯片进行编程。

2.2 语音功能实现

费额显示器的语音播报功能是使用AP89085芯片完成的，如图1所示为语音芯片硬件电路设计，AP89085芯片是3.3V电压供电的，是一次性编程（OTP）语音芯片，是采用4—bit ADPCM或8—bit PCM压缩方式。在6K采样率下时间长度可达到85秒；通过M0和M1可以选择按键或CPU方式触发，图中M0接上拉电阻置高电平，M1接地置低电平，当M1=0，M0=1设置成CPU芯片并行命令方式；按键可以触发32段，CPU可以触发254段；3个输出端可以选择LED、STOP、BUSY不同组合；声音输出可外接三极管放大输出（COUT）或直接推喇叭（VOUT）方式。单片机P1口与触发引脚S1—S8脚相连接，因为单片机为5V供电，AP89085芯片为3.3V供电，为了实现电平转换，在单片机P1口和AP89085芯片之间增加R6—R13电阻。COUT端外接到功放电路，实现对语音信号的放大作用。

2.3 功放电路

费额显示器的语音芯片AP89085A的COUT端外接到功放电路，功放电路（如图2所示）采用的是TDA2030A功率放大器的应用电路。其中RA9为可调电阻，用于音量调节；CA4为滤波电容，CA1为高频退偶电容；RA6、RA2、RA3、CA7为TDA2030A功放电路的偏置电路；RA7、RA8、CA6组成负反馈电路，改变RA7的大小可改变负反馈系数；CA5是输入耦合电容，CA8是输出耦合电容；当电路接有感性负载扬声器时，接入RA5和CA2，可确保高频稳定性；DA1和DA2二极管为保护二极管。UA1构成正向放大，UB1构成反向放大，这样接入ADIOE喇叭接口就可把来自信号源的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

2.4 显示功能实现

51单片机通过P0—P2口对数码板进行控制，信号再接入74HC245芯片，该芯片是一个三态输出的八总线收发器，具有信号功率放大的作用，信号通过74HC245芯片功率放大之后再接人LED驱动芯片74HC595。电路如图3所示。

数码板共有5为数码管显示，选择其中一路为例作说明。数码管显示部分采用的是74HC595芯片，该芯片是一个8位移位寄存器，为LED驱动芯片，其中SER、STB、CLK为控制端，用于单片机控制74HC595芯片，控制8路行选信号；LC接入信号为调节数码管亮度的作用。信号通过Q0—Q7端输出接入ULN2803芯片，该芯片是一个八个NPN达林顿晶体管连接的低电平有效，输出的8路反相驱动信号接8个限流电阻，再接入LG30012BU数码管，进行数码显示。

2.5 亮度可调部分

亮度可调部分（如图4）是由NE555和74F08芯片组成，其中NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电路可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，可延时数微秒到数小时。光敏电阻通过J8端口接入，光敏电阻通过感应光的强弱从而改变PWM脉冲信号，进而改变NE555的脉冲占空比，由OUT引脚输出的PWM脉冲信号与单片机P03口信号通过74F08芯片与门之后产生一个脉冲信号，从而调节数码管亮度。单片机P03口可输出高电平和低电平，当输出为高电平时，与OUT引脚信号逻辑与之后可调节数码管亮度；当输出为低电平时，与OUT引脚信号逻辑与之后为低电平，不调节数码管亮度，74F08芯片是一个四2输入与门，相当于开关作用。显示亮度5级软件可编程自动调整（环境光检测自动调整）或手动调整（软件设定），以防止在夜间产生玄光；长期暴露在太阳光下，其可见性不能降低。

3.软件设计

3.1 软件设计流程

本设计说明书是针对计重收费用费额显示器其功能的软件实现进行描述。通过主控芯片51单片机对系统进行编程，产品的软件设计流程如图5所示，图中清晰分析了软件设计的一般流程及对产品功能的分析与调试。

3.2 编程部分设计

程序设计了费额显示器显示并播报数据的功能。费额显示器受车道控制机控制，接收指令执行并给车道控制机应答。通信采用标准三线双向RS—232串口传送数据，为半双工方式，速率为9600bps，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。

首先，51单片机各口赋初值，串口初始化，开始准备工作。之后，关闭各信号灯，数码管显示清屏，通过上位机发送检测信息，费额显示器进行自检。检测无误后，接收串口数据，并通过判断数据是否有效做出相应动作。数据有效则显示并播报数据，数据无效则给上位机发送错误报告。依次进行工作流程，如图6所示。

4.检测部分

确认费额显示器连接端子接线无误后，给费额显示器加电。系统自检正常后，点阵显示“客货”信息、数码管全部显示8，语音报出“祝您一路平安”，稍候熄灭。如果没有显示和语音或显示不正确，请确认连接线。

上述过程正常后，找到控制主板上的JP_TEST端子，用短路块将其短接，系统进入自动检测状态，车型点阵轮流显示客货车型的示例，数码管全部显示从0到9循环，小数点间歇亮灭，语音报出示例语音内容。确认自检后，将JP_TEST端子上的短路块取出，恢复接收命令控制状态。

5.结论

本文系统的论述了记重费额显示器语音播报及数码显示功能的设计与实现，给出了各功能单元的设计方法，详细分析了其中的原理。并通过了真实的实验验证，实验表明该记重费额显示器功能完善，记重显示准确，播报无误，已经用于各高速路收费路口，符合实际需要。

参考文献

[1]潘晓宁.公路用计重式费额显示器的设计[J].工业控制计算机，2007，20（6）.

[2]王珏，房根发，张园银.费额显示器功能结构优化探索[J].交通标准化，2009（5）.

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[5]张雄伟.单片机的原理与开发应用（第三版）[M].电子工业出版社，2003.

[6]韩宝辉，路影，欧建平，赵福全.基于单片机的语音报警系统[J].制造业信息化，2011（5）.

作者简介：

赵婷（1986—），女，河北石家庄人，中北大学硕士研究生，研究方向：模式识别与智能控制。

姚竹亭，女，中北大学教授，研究生导师。

刘春力，男，山西百得开放有限公司产品事业部经理。