多功能电梯显示控制装置设计
本文介绍了一种独立于电梯原有运行系统的语音报站器的设计。本设计以STC12C5A60S2作为主控芯片，采用光电传感器收集电梯运行状态，通过编码输出相应楼层数；语音播放模块则是用由VS1003解码芯片组成，采用U盘作为音频文件的存储介质，播放与存储的分离，方便音频文件的更换；U盘读取则采用沁恒CH375芯片，中文资料丰富，上手简单快捷。
关键词：语音报站器 stc12c5a60s2 光电感应器 vs1003 ch375 M000246
This article introduces a voice announcer which one is designed to be independent of the operation of the elevator system.The design use a STC12C5A60S2 as the main chip,photoelectric sensors collect elevator running state,and by code the state to output the corresponding number of floors.The voice module is mainly composed of VS1003 chip,and using a USB flash disk to save the audio files.The play and stored separately, for the replacement of the audio file is very convenient.Using QinHeng CH375 chip read U disk files,the chip has a wealth of Chinese data, simple and quick to get started.
Key Words: voice announcer;stc12c5a60s2;photoelectric sensors;vs1003;ch375
1 绪 论 查看完整请+Q:351916072获取
1.1 课题研究的背景
随着2013年年底的数据结果显示，中国目前的电梯保有量约为2920000台，电梯成为了城市物质文明的标志之一。伴随科技的不断发展，建筑物也越来越高，各楼层之间的交流也越来越不方便，那么电梯就成为了必不可缺少的存在。如今的电梯生产厂家众多，各种各样的电梯产品让人看得眼花缭乱，为了提高竞争力，各厂家不断在电梯的安全方面和可靠方面下功夫，近两年来，随着“人性化服务”的提出，乘客乘坐电梯的舒适度也成为了评判电梯性能的标准之一。
1.2 课题研究的意义
随着社会的发展，许多电梯使用客户也会提出加装“电梯楼层语音报站”这一人性化的功能，而且考虑到大多数电梯厂家往往更强调通讯协议的专有性。本课题拟涉及一种不受电梯控制系统通讯协议限制，与原有的电梯控制系统相对独立的带有语音报站功能的电梯楼层显示控制装置。
1.3 课题研究的主要内容
本论文主要是对C语言的一些基本知识，概念和单片机的应用研究，主要包括STC12C5A60S2芯片模块、VS1003语音模块和CH375BU盘读取模块的设计，该设计的目的是设计实现一个由单片机和语音控制芯片组成的互联系统，不需要多余按键，系统可自行播报相应的楼层信息或者公益提醒。总体上可以实现如下功能：
(1)电梯运行信号的采集。
(2)电梯的自学习功能。
(3)语音报站。
(4)语音报站内容的更换。
(5)楼层显示控制信号输出。
2 方案的选择与论证
2.1 方案选择
方案一： 采用ARM7开发板，在板上内嵌入Uclinux系统，这样做的优点是ARM板带有U盘接口，不需要再设计U盘读取模块，在具有操作系统下的情况完成功能的实现比较方便些。缺点是价格方面比较贵，和其他模块的兼容性不算太好，而且需要用显示屏，相对于本设计有些大材小用。
方案二：选用单片机作为主控芯片，以专门的音频解码芯片和通用的存储接口为主的语音报站器。这样就实现存储和播放的分离，这种模块式的结构设计使得语音文件的容量不受限制，方便语音文件的修改与替换，同时大大方便了电梯楼层信号的前期处理。而且为了降低成本，体积也可以进一步的缩小。
2.2 理论分析与方案论证
主要功能为语音报站，要选择适当的控制芯片和外部芯片来实现，下面简要介绍一下如何选择芯片：
（1）主控芯片
这个设计主要是用STC12C5A60S2芯片来控制，作为宏景这家生产高速/低功耗芯片公司生产的新一代超抗干扰芯片。它在速度上比普通8051单片机快8?12倍，而且完全兼容传统的8051指令代码。具有重要的EEPROM（带电可擦写可编程只读存储器）功能。可以用来保存一些设置的初始数据。内部集成MAX810专用复位电路,8路高速10位模/数转换器（250K/S，既25万次/秒），专门用于针对电机控制和强干扰场合。
（2）楼层信号采集
使用凹槽型光电传感器进行信号的采集，光电传感器用来检测元件的传感器使用的是光电元件组件。首先测得的变化被光电传感器转换成光信号的变化的变化，然后通过光电元件光信号将进一步被转换成电信号。光电传感器一般由三部分组成源，光路和光学元件。
当光电传感器在电梯井道与遮光板相遇时，射出的光线被遮挡，光电开关开始触发动作，输出一个开关控制信号，打开或关闭负载电流，从而完成一个控制操作。
（3）语音解码芯片
解码芯片最核心的部分是MP3编码/解码算法，有人提出把算法移植到普通单片机上运行一样可以实现功能，这个问题主要在于解码的实时性，MP3编码/解码算法不是普通芯片可以完成的，简单来说，一个可以播放10秒的语音数据解码却花费1分钟，那么就没有任何意义了。因此，单片机需要使用外部解码器芯片，用于播放音频文件。本设计采用的是VS1003解码芯片。该芯片自带DAC输出功能，支持大多数音频格式的解码，使用简单方便。并且该芯片在业余界广受好评，影响颇大，据悉苹果的iPod创建之初采用的就是VS10XX系列芯片。
（3）U盘读取模块芯片
目前市面上比较流行的U盘读取芯片主要有两种：一种是Cypress公司出品的SL811，还有一种是WCH中国沁恒出品的CH375。SL811芯片实现了USB主机结构中的USB总线接口层的功能，可以作为USB主机或者设备的接口控制器，支持USB协议1.1，提供全/低俗两种总线速度方式，工作电压3.3V兼容5V电压。而国产的CH375芯片不仅支持USB主机方式和设备方式，同时还兼容USB2.0通讯协议，并且内置了处理Mass-Storage海量存储器的专用通讯协议的固件（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘/USB读卡器）。这两款芯片相比较而言，各有优点，而我们现在要实现的是U盘的读写，用CH375比SL811要更方便一些。主要是CH375内置了专用的固件，这样我们就不用编写来读取U盘的程序，相关的协议已经固化在芯片内部。还有就是CH375是国产的，与之相配套的资料页全是中文的，有利于我们的阅读。所以最终选择了CH375芯片来完成U盘读取模块。
（4）存储媒介
至于作为用来语音文件的存储器，肯定需要很大的存储空间，可供选择的主要有 内存卡、U盘、Flash芯片存储等。如果使用Flash芯片存储 ，那么整个系统需要较多的 I/O 口来读取，更重要的一点是，这样做的后果就是整个系统的容量就被固定了，扩容存在困难。而U盘和内存卡都是不错的选择，相比较而言，由于U盘的容价比日益飙升，具有高数据传输率、极好的通用性及易用性，最重要的是U盘不易损坏等优点，所以，存储部分选用U盘是个不错的选择。
2.3 基本方案设计
通过对本设计的所有的主要芯片进行的一番理论分析，对本设计应该具有了一个初步的了解。在STC12C5A60S2做为主控核心下，不仅要管理U盘、CH375、解码芯片，同时还要处理楼层信号，U盘和USB存储设备中的文件系统，查找文件等等。首先进行楼层信号的采集，确保自学习功能运行后的楼层信息是准确的，接着是存储器读出的声音文件被送到MCU的RAM中，并立即被发送到解码器芯片，该音频数据被解码成模拟音频，用扬声器来传出。因为STC12C5A60S2不支持USB接口的功能时，MCU不能直接与计算机进行数据传输能力完成时，所以存储装置需要逐步通过其自身的接口与电脑连接。对于其他的芯片则没有这个问题，通过普通的I/O口即可连接。
3 系统硬件设计
本设计的硬件分为四个部分，楼层信号采集、主控制电路、U盘读取模块电路、语音解码电路。下面是各个电路的详细说明。
3.1 楼层信号采集
3.1.1 光电感应器
光电传感器是一个通过实现光电信号的相互转换来实现控制的器件。在一般情况下，光电传感器中分为三个部分构成，其中又分为：发送器、接收器和检测电路。通过发送器发出光束对准目标，发出的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。发送器连续地发射出光束，或者改变脉冲宽度。接收器是一个包含光电二极管、光电三极管、光电池的器件。光学元件如透镜和光圈等器件装在接受的前面，而在接收器的后面则是检测电路，有效信号和应用信号能被检测电路有效地滤出来。
凹槽性光电传感器又分为两种，一种是NPN型输出型(电流流入)，另一种则是PNP输出型(电流流出)，这两种的信号输出刚好相反。当PNP输出型传感器在接通时， 电流首先从电源经过电路流出传感器的输出端传到负载上，然后在进入负载后, 流到接地端。而NPN输出型传感器在接通时，电流首先是从电源经过负载流到电流流入传感器的输出端，然后传到接地端，最后才是留到系统的地。简单来说，NPN输出型就是指当有信号触发时，信号输出线端口和地连接，相当于输出端口输出低电平。PNP输出型指当有信号触发时，信号输出线端口和电源连接，相当于输出端口输出高电平。
3.1.2 光电感应器信号变化
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1 绪 论 4
1.1 课题研究的背景 4
1.2 课题研究的意义 4
1.3 课题研究的主要内容 5
2 方案的选择与论证 5
2.1 方案选择 5
2.2 理论分析与方案论证 6
2.3 基本方案设计 7
3 系统硬件设计 7
3.1 楼层信号采集 7
3.1.1 光电感应器 7
3.1.2 光电感应器信号变化 8
3.2 主控制电路 8
3.2.1 STC12C5A60S2单片机 8
3.2.2 主要特点介绍 9
3.3 U盘模块电路 11
3.3.1 CH375芯片介绍 11
3.3.3 时序图 13
3.4 音频解码模块电路 14
3.4.1 VS1003芯片介绍 14
3.4.2 VS1003主要引脚介绍 14
3.5 设计流程图 16
3.6 整体硬件连接框图 17
4 系统功能实现软件部分 18
4.1 电梯的自学习功能 18
4.1.1 初始楼层设置 18
4.1.2 电梯楼层的矫正计数 19
4.2 电梯语音报站和音频文件更换 20
4.2.1 U盘检测 20
4.2.2 音频文件查找播放及选择 21
4.3 电梯楼层显示功能 23
结束语 24
参考文献 24
致谢 24
附录 1：EEPROM读写程序
附录 2：音频文件查找程序
附录 3：VS1003相关程序.
附录 4：楼层显示程序 查看完整请+Q:351916072获取
关键词：语音报站器 stc12c5a60s2 光电感应器 vs1003 ch375 M000246
This article introduces a voice announcer which one is designed to be independent of the operation of the elevator system.The design use a STC12C5A60S2 as the main chip,photoelectric sensors collect elevator running state,and by code the state to output the corresponding number of floors.The voice module is mainly composed of VS1003 chip,and using a USB flash disk to save the audio files.The play and stored separately, for the replacement of the audio file is very convenient.Using QinHeng CH375 chip read U disk files,the chip has a wealth of Chinese data, simple and quick to get started.
Key Words: voice announcer;stc12c5a60s2;photoelectric sensors;vs1003;ch375
1 绪 论 查看完整请+Q:351916072获取
1.1 课题研究的背景
随着2013年年底的数据结果显示，中国目前的电梯保有量约为2920000台，电梯成为了城市物质文明的标志之一。伴随科技的不断发展，建筑物也越来越高，各楼层之间的交流也越来越不方便，那么电梯就成为了必不可缺少的存在。如今的电梯生产厂家众多，各种各样的电梯产品让人看得眼花缭乱，为了提高竞争力，各厂家不断在电梯的安全方面和可靠方面下功夫，近两年来，随着“人性化服务”的提出，乘客乘坐电梯的舒适度也成为了评判电梯性能的标准之一。
1.2 课题研究的意义
随着社会的发展，许多电梯使用客户也会提出加装“电梯楼层语音报站”这一人性化的功能，而且考虑到大多数电梯厂家往往更强调通讯协议的专有性。本课题拟涉及一种不受电梯控制系统通讯协议限制，与原有的电梯控制系统相对独立的带有语音报站功能的电梯楼层显示控制装置。
1.3 课题研究的主要内容
本论文主要是对C语言的一些基本知识，概念和单片机的应用研究，主要包括STC12C5A60S2芯片模块、VS1003语音模块和CH375BU盘读取模块的设计，该设计的目的是设计实现一个由单片机和语音控制芯片组成的互联系统，不需要多余按键，系统可自行播报相应的楼层信息或者公益提醒。总体上可以实现如下功能：
(1)电梯运行信号的采集。
(2)电梯的自学习功能。
(3)语音报站。
(4)语音报站内容的更换。
(5)楼层显示控制信号输出。
2 方案的选择与论证
2.1 方案选择
方案一： 采用ARM7开发板，在板上内嵌入Uclinux系统，这样做的优点是ARM板带有U盘接口，不需要再设计U盘读取模块，在具有操作系统下的情况完成功能的实现比较方便些。缺点是价格方面比较贵，和其他模块的兼容性不算太好，而且需要用显示屏，相对于本设计有些大材小用。
方案二：选用单片机作为主控芯片，以专门的音频解码芯片和通用的存储接口为主的语音报站器。这样就实现存储和播放的分离，这种模块式的结构设计使得语音文件的容量不受限制，方便语音文件的修改与替换，同时大大方便了电梯楼层信号的前期处理。而且为了降低成本，体积也可以进一步的缩小。
2.2 理论分析与方案论证
主要功能为语音报站，要选择适当的控制芯片和外部芯片来实现，下面简要介绍一下如何选择芯片：
（1）主控芯片
这个设计主要是用STC12C5A60S2芯片来控制，作为宏景这家生产高速/低功耗芯片公司生产的新一代超抗干扰芯片。它在速度上比普通8051单片机快8?12倍，而且完全兼容传统的8051指令代码。具有重要的EEPROM（带电可擦写可编程只读存储器）功能。可以用来保存一些设置的初始数据。内部集成MAX810专用复位电路,8路高速10位模/数转换器（250K/S，既25万次/秒），专门用于针对电机控制和强干扰场合。
（2）楼层信号采集
使用凹槽型光电传感器进行信号的采集，光电传感器用来检测元件的传感器使用的是光电元件组件。首先测得的变化被光电传感器转换成光信号的变化的变化，然后通过光电元件光信号将进一步被转换成电信号。光电传感器一般由三部分组成源，光路和光学元件。
当光电传感器在电梯井道与遮光板相遇时，射出的光线被遮挡，光电开关开始触发动作，输出一个开关控制信号，打开或关闭负载电流，从而完成一个控制操作。
（3）语音解码芯片
解码芯片最核心的部分是MP3编码/解码算法，有人提出把算法移植到普通单片机上运行一样可以实现功能，这个问题主要在于解码的实时性，MP3编码/解码算法不是普通芯片可以完成的，简单来说，一个可以播放10秒的语音数据解码却花费1分钟，那么就没有任何意义了。因此，单片机需要使用外部解码器芯片，用于播放音频文件。本设计采用的是VS1003解码芯片。该芯片自带DAC输出功能，支持大多数音频格式的解码，使用简单方便。并且该芯片在业余界广受好评，影响颇大，据悉苹果的iPod创建之初采用的就是VS10XX系列芯片。
（3）U盘读取模块芯片
目前市面上比较流行的U盘读取芯片主要有两种：一种是Cypress公司出品的SL811，还有一种是WCH中国沁恒出品的CH375。SL811芯片实现了USB主机结构中的USB总线接口层的功能，可以作为USB主机或者设备的接口控制器，支持USB协议1.1，提供全/低俗两种总线速度方式，工作电压3.3V兼容5V电压。而国产的CH375芯片不仅支持USB主机方式和设备方式，同时还兼容USB2.0通讯协议，并且内置了处理Mass-Storage海量存储器的专用通讯协议的固件（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘/USB读卡器）。这两款芯片相比较而言，各有优点，而我们现在要实现的是U盘的读写，用CH375比SL811要更方便一些。主要是CH375内置了专用的固件，这样我们就不用编写来读取U盘的程序，相关的协议已经固化在芯片内部。还有就是CH375是国产的，与之相配套的资料页全是中文的，有利于我们的阅读。所以最终选择了CH375芯片来完成U盘读取模块。
（4）存储媒介
至于作为用来语音文件的存储器，肯定需要很大的存储空间，可供选择的主要有 内存卡、U盘、Flash芯片存储等。如果使用Flash芯片存储 ，那么整个系统需要较多的 I/O 口来读取，更重要的一点是，这样做的后果就是整个系统的容量就被固定了，扩容存在困难。而U盘和内存卡都是不错的选择，相比较而言，由于U盘的容价比日益飙升，具有高数据传输率、极好的通用性及易用性，最重要的是U盘不易损坏等优点，所以，存储部分选用U盘是个不错的选择。
2.3 基本方案设计
通过对本设计的所有的主要芯片进行的一番理论分析，对本设计应该具有了一个初步的了解。在STC12C5A60S2做为主控核心下，不仅要管理U盘、CH375、解码芯片，同时还要处理楼层信号，U盘和USB存储设备中的文件系统，查找文件等等。首先进行楼层信号的采集，确保自学习功能运行后的楼层信息是准确的，接着是存储器读出的声音文件被送到MCU的RAM中，并立即被发送到解码器芯片，该音频数据被解码成模拟音频，用扬声器来传出。因为STC12C5A60S2不支持USB接口的功能时，MCU不能直接与计算机进行数据传输能力完成时，所以存储装置需要逐步通过其自身的接口与电脑连接。对于其他的芯片则没有这个问题，通过普通的I/O口即可连接。
3 系统硬件设计
本设计的硬件分为四个部分，楼层信号采集、主控制电路、U盘读取模块电路、语音解码电路。下面是各个电路的详细说明。
3.1 楼层信号采集
3.1.1 光电感应器
光电传感器是一个通过实现光电信号的相互转换来实现控制的器件。在一般情况下，光电传感器中分为三个部分构成，其中又分为：发送器、接收器和检测电路。通过发送器发出光束对准目标，发出的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。发送器连续地发射出光束，或者改变脉冲宽度。接收器是一个包含光电二极管、光电三极管、光电池的器件。光学元件如透镜和光圈等器件装在接受的前面，而在接收器的后面则是检测电路，有效信号和应用信号能被检测电路有效地滤出来。
凹槽性光电传感器又分为两种，一种是NPN型输出型(电流流入)，另一种则是PNP输出型(电流流出)，这两种的信号输出刚好相反。当PNP输出型传感器在接通时， 电流首先从电源经过电路流出传感器的输出端传到负载上，然后在进入负载后, 流到接地端。而NPN输出型传感器在接通时，电流首先是从电源经过负载流到电流流入传感器的输出端，然后传到接地端，最后才是留到系统的地。简单来说，NPN输出型就是指当有信号触发时，信号输出线端口和地连接，相当于输出端口输出低电平。PNP输出型指当有信号触发时，信号输出线端口和电源连接，相当于输出端口输出高电平。
3.1.2 光电感应器信号变化
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1 绪 论 4
1.1 课题研究的背景 4
1.2 课题研究的意义 4
1.3 课题研究的主要内容 5
2 方案的选择与论证 5
2.1 方案选择 5
2.2 理论分析与方案论证 6
2.3 基本方案设计 7
3 系统硬件设计 7
3.1 楼层信号采集 7
3.1.1 光电感应器 7
3.1.2 光电感应器信号变化 8
3.2 主控制电路 8
3.2.1 STC12C5A60S2单片机 8
3.2.2 主要特点介绍 9
3.3 U盘模块电路 11
3.3.1 CH375芯片介绍 11
3.3.3 时序图 13
3.4 音频解码模块电路 14
3.4.1 VS1003芯片介绍 14
3.4.2 VS1003主要引脚介绍 14
3.5 设计流程图 16
3.6 整体硬件连接框图 17
4 系统功能实现软件部分 18
4.1 电梯的自学习功能 18
4.1.1 初始楼层设置 18
4.1.2 电梯楼层的矫正计数 19
4.2 电梯语音报站和音频文件更换 20
4.2.1 U盘检测 20
4.2.2 音频文件查找播放及选择 21
4.3 电梯楼层显示功能 23
结束语 24
参考文献 24
致谢 24
附录 1：EEPROM读写程序
附录 2：音频文件查找程序
附录 3：VS1003相关程序.
附录 4：楼层显示程序 查看完整请+Q:351916072获取
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