教室作息時間語音播報點(diǎn)陣顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

2024年3月17日發(fā)(作者：瀏陽市教育局)

教室作息時間語音播報點(diǎn)陣顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

[摘要] 教室作息時間控制系統(tǒng)以STC89C516RD+單片機(jī)為核心，用DS1302

日歷時鐘芯片提供時間信息、用ISD4004語音芯片播報時間信息及用LED點(diǎn)陣

顯示屏同步顯示時間信息，本系統(tǒng)具有語音播報、時間校時及時間顯示等功能,

同時還具有價廉，運(yùn)行穩(wěn)定和可靠，時間準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] STC89C516RD+單片機(jī) DS1302 ISD4004 LED點(diǎn)陣顯示屏

1、引言

隨著信息社會的不斷發(fā)展，尤其是隨著各種嵌入式系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中的深入

和廣泛應(yīng)用，各種信息處理和信息傳輸?shù)姆椒ㄒ苍絹碓截S富，世界各大主要芯片

生產(chǎn)商先后推出IIC三總線傳輸協(xié)議、單總線傳輸協(xié)議、SPI同步傳輸協(xié)議等，

這些傳輸協(xié)議的出現(xiàn)為各種微處理和微控制器和外圍信息處理芯片快速通信提

供了極大的便利，由于各種傳輸協(xié)議都具有固定和嚴(yán)格的傳輸格式，也就為各種

嵌入式系統(tǒng)編寫方便移植的總線傳輸功能函數(shù)提供了可能，本文就是通過“基于

STC89C516RD+的教室作息時間語音點(diǎn)陣顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計和制作”來詳細(xì)

介紹各種嵌入式系統(tǒng)中總線傳輸協(xié)議中的各種功能子函數(shù)的編寫方法。

基于STC89C516RD+的教室作息時間語音點(diǎn)陣顯示屏控制系統(tǒng)，它采用了

具有IIC三總線接口的日歷時鐘芯片DS1302和具有SPI同步傳輸總線的錄放音

芯片ISD4004，以及STC89C516RD+微控制器芯片，通過對一個能實(shí)現(xiàn)時鐘顯示

和播報及定時功能的時間控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)習(xí)，達(dá)到應(yīng)用IIC三總線協(xié)議和SPI

同步傳輸總線協(xié)議來為廣大的師生提供一套可用于學(xué)校作息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時時間的顯

示、校正和智能語音播報，并且具有體積小，價格便宜，功耗低，可靠性高等優(yōu)

點(diǎn)的教室作息時間語音點(diǎn)陣顯示屏控制系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)的組成和工作原理

本系統(tǒng)主要是由單片機(jī)模塊、電源模塊、ISD4004錄放音模塊、LED點(diǎn)陣顯

示屏模塊、DS1302時鐘模塊、按鍵輸入時間校正模塊和MAX232在系統(tǒng)編程模

塊組成，系統(tǒng)組成框圖見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成方框圖

系統(tǒng)的工作原理是:微控制器芯片STC89C516RD+通過IIC總線協(xié)議函數(shù)來

將DS1302內(nèi)的實(shí)時時間信息暫存于微控制器內(nèi)的RAM單元中，然后通過RAM

單元中將實(shí)時時間數(shù)據(jù)信息送往LED點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行實(shí)時顯示，同時微控制器

芯片通過SPI總線傳輸協(xié)議函數(shù)讀取預(yù)先錄入ISD4004芯片中的語音信息送功能

電路進(jìn)行時鐘的播報，按鍵輸入時間校正模塊主要用來對DS1302進(jìn)行時間校正

及用來設(shè)定上、下課的時間語音播報點(diǎn)，同時也為ISD4004的預(yù)錄語音信息提

供手工按鍵錄音的功能，表1中的語句為預(yù)錄入ISD4004中的語音信息。

表1ISD4004錄入的語音信息

錄入的音頻段序號 錄入的語音信息

第一段 現(xiàn)在是北京時間八點(diǎn)整，第1節(jié)課的上課時間到了，請同學(xué)們準(zhǔn)備

上課

第二段 現(xiàn)在是北京時間八點(diǎn)五十分，第1節(jié)課的下課時間到了，請各位老

師、同學(xué)們休息10分鐘

第三段 現(xiàn)在是北京時間九點(diǎn)整，第2節(jié)課的上課時間到了，請同學(xué)們準(zhǔn)備

上課

第四段 現(xiàn)在是北京時間九點(diǎn)五十分，第2節(jié)課的下課時間到了，請各位老

師、同學(xué)們休息10分鐘

第五段 現(xiàn)在是北京時間十點(diǎn)整，第3節(jié)課的上課時間到了，請同學(xué)們準(zhǔn)備

上課

第六段 現(xiàn)在是北京時間十點(diǎn)五十分，第3節(jié)課的下課時間到了，請各位老

師、同學(xué)們休息10分鐘

第七段 現(xiàn)在是北京時間十一點(diǎn)整，第4節(jié)課的上課時間到了，請同學(xué)們準(zhǔn)

備上課

第八段 現(xiàn)在是北京時間十一點(diǎn)五十分，第4節(jié)課的下課時間到了，各位老

師、同學(xué)們午安

第九段 現(xiàn)在是北京時間十四點(diǎn)三十分，第5節(jié)課的上課時間到了，請同學(xué)

們準(zhǔn)備上課

第十段 現(xiàn)在是北京時間十五點(diǎn)二十分，第5節(jié)課的下課時間到了，請各位

老師、同學(xué)們休息10分鐘

第十一段 現(xiàn)在是北京時間十五點(diǎn)三十分，第6節(jié)課的上課時間到了，請同

學(xué)們準(zhǔn)備上課

第十二段 現(xiàn)在是北京時間十六點(diǎn)二十分，第6節(jié)課的下課時間到了，請老

師、同學(xué)們下課休息

第十三段 現(xiàn)在是北京時間十九點(diǎn)整，第7節(jié)課的上課時間到了，請同學(xué)們

準(zhǔn)備上課

第十四段 現(xiàn)在是北京時間二十一點(diǎn)整，一天的學(xué)習(xí)生活結(jié)束了，老師、同

學(xué)們晚安

3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分包括微控制器模塊、DS1302日歷時鐘模塊、ISD4004

錄放音模塊、LED點(diǎn)陣顯示模塊、電源模塊和按鍵輸入模塊。

3.1微控制器模塊

本系統(tǒng)所采用的主控芯片是STC89C516RD+，該款單片機(jī)的主要優(yōu)勢是處

理速度快，其時鐘頻率可以達(dá)到80MHZ，內(nèi)部集成RAM達(dá)1280字節(jié)，內(nèi)部集

成的FLASH ROM達(dá)64KB，且該款單片機(jī)具有很好的加密技術(shù)，無法解密，具

有8個中斷源4個中斷優(yōu)先級，3個定時器/計數(shù)器，2個外部中斷，36個I/O端

口，用戶程序是采用ISP/IAP下載，大大節(jié)省了開發(fā)成本和使用成本，這些特點(diǎn)

大大簡化了外圍電路的開發(fā)和設(shè)計。

單片機(jī)模塊的主要功能是從DS1302日歷時鐘芯片讀取BCD碼形式的時間

值，并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制值送LED點(diǎn)陣顯示屏顯示，同時將讀取的時間值和設(shè)定的

上、下課的時間值進(jìn)行比較，如果相等的話，即驅(qū)動ISD4004放音模塊播報一

段預(yù)先錄入的一個相應(yīng)的時間提示音，從而實(shí)現(xiàn)上課或下課時間的LED點(diǎn)陣顯

示屏即時顯示和語音播報的功能。

3.2 DS1302日歷時鐘模塊

DS1302是由DALLAS公司推出的具有涓流充電的時鐘芯片，內(nèi)含一個實(shí)時

日歷/時鐘電路能提供秒、分、時、日、月、星期、年等信息，每月的天數(shù)的每

年的天數(shù)能自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。

DS1302與微控制器之間的通信采用IIC同步串行的方式進(jìn)行，只需要三根線即

RST、I/O和SCLK， DS1302時鐘模塊的主要功能是以BCD碼的形式為

STC89C516RD+主控芯片提供實(shí)時時間信息。微控制器和DS1302模塊的硬件電

路圖如圖2所示。

圖2STC89C52RC微控制器模塊和DS1302的電路圖

3.3 ISD4004錄放音模塊

ISD4004芯片單片錄放音時間達(dá)8至16分鐘，芯片內(nèi)部采用CMOS技術(shù)，

內(nèi)含振蕩器，防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電

平閃爍存貯陣列，芯片采用多電平直接模擬量存貯技術(shù)，因此能夠真實(shí)地再現(xiàn)語

音、音樂、音調(diào)，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮而造成的量化噪聲和“金

屬聲”，該芯片和單片機(jī)的通信采用SPI同步傳輸協(xié)議，大大提高了傳輸?shù)乃俣?/p>

和效率。

ISD4004錄放音模塊的主要功能是先在微控制器的控制下完成上、下課時間

段的語音信息的錄入，然后在微控制器的控制下在上、下課的實(shí)時時刻完成上、

下課時間的信息語音播報。ISD4004語音錄放電路的電路圖如圖3所示。

圖3ISD4004錄放音模塊電路圖

3.4 LED點(diǎn)陣顯示模塊

LED點(diǎn)陣顯示模塊主要是由74HC154行掃描電路和74HC595串轉(zhuǎn)并的列掃

描電路及16個8X8的點(diǎn)陣陣列組成的，能一次性顯示XX：XX：XX格式的時

間信息，該模塊采用STC89C516RD+芯片的串口線來掃描驅(qū)動，大大提高掃描

的速度和效率，使LED點(diǎn)陣顯示屏無顯爍感。該模塊在本系統(tǒng)中的主要功能是

完成實(shí)時時間信息的即時顯示。LED點(diǎn)陣顯示模塊的電路圖如圖4所示。

圖4LED點(diǎn)陣顯示屏模塊電路圖

3.5 MAX232在系統(tǒng)編程模塊

MAX232模塊主要是完成用戶程序的在系統(tǒng)或在應(yīng)用的編程下載功能。用戶

程序經(jīng)過KEIL軟件編譯成可執(zhí)行文件后，通過STC_ISP_軟件可下載

到STC89C516RD+芯片中執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程的功能，節(jié)省了專用的編

程器和下載器，為系統(tǒng)的開發(fā)帶來很大的方便。MAX232在系統(tǒng)編程模塊的電路

圖如圖5所示。

圖5MAX232在系統(tǒng)編程模塊電路圖

3.6 電源模塊和按鍵輸入時間校正模塊

電源模塊由78L05和LM1117-3.3芯片組成,其中78L05的主要功能是將輸入

的直流電壓轉(zhuǎn)換成5V的穩(wěn)定電壓給STC89C516RD+主控芯片和DS1302模塊供

電.而LM1117-3.3芯片的主要功能則是將5V的電壓轉(zhuǎn)換成3.3V的電壓給

ISD4004模塊供電。電源模塊的電路圖如圖6所示。

按鍵輸入時間校正模塊則是由四個單列式鍵組成,其主要功能是用來完成實(shí)

時時間的校正。按鍵輸入時間校正模塊的電路圖如圖2所示。

圖6電源模塊電路圖

4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分主要由主控芯片實(shí)時地從DS1302時鐘芯片中讀出BCD

碼形式的時間值，然后轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制形式時間值保存到一個二維數(shù)組中，再通過

LED點(diǎn)陣顯示屏將這個二維數(shù)組中的數(shù)據(jù)顯示出來，并且當(dāng)時間達(dá)到預(yù)先設(shè)定

的上、下課時間時，觸發(fā)ISD4004放音芯片播報一段相應(yīng)的預(yù)先錄制的語音信

息，本系統(tǒng)的程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7軟件設(shè)計流程圖

ISD4004芯片有兩類，為類可錄8分鐘的語音，另一類則能錄16分鐘的語

音，本系統(tǒng)采用的是具有8分鐘（即8*60=480S）錄音功能的ISD4004芯片，根

據(jù)4004的資料，480秒可分為2400段，也就是1S的段數(shù)為5段，0000－0005H

的內(nèi)容為1秒，本系統(tǒng)中每段錄音分配32秒，占有的地址單元為32*5=100個地

址單元，故第一段錄音的存放地址為：0000H-0XA0單元共有160個單元，其它

的錄放音的地址單元依次類推。

圖8ISD4004工作流程圖

5、結(jié)論

本系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定地運(yùn)行,能清晰地顯示和播報時間信息.本系統(tǒng)能為教

室作息時間的管理提供人性化和智能化的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李群芳,黃建.單片微型計算機(jī)與接口技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版,2002.

[2]姚永平，STC89C51RC/RD系列單片機(jī)器件手冊[M].深圳:宏晶科技,2006.

[3]宏晶科技,STC89C52單片機(jī)器件手冊[K],,2010.

[4]山東頂頂電子公司,.

注：

曾建潮為本文指導(dǎo)老師。