论文部分内容阅读
摘 要：本文将介绍一种电子式、数码调音、单片机控制的行人过街提示器。该提示器具有质量稳定可靠、声音清晰、噪音低、控制灵活、寿命长等特点。
关键词：盲人钟；行人过街提示器；行人信号红灯；行人信号绿灯
1 引言
过十字路口时，红灯停、绿灯行，对普通人来说一目了然，但对盲人来说却难以辨别，过马路心惊惊。早期的“盲人钟”就是为解决盲人过马路这个难题而设计的。早期的盲人钟是安装在交通信号灯灯杆内的。工作方式是利用电磁铁原理直接用撞针交变地敲击灯杆发出不同频率的敲击声（类似电铃原理一样），来提示盲人当前交通灯显示的颜色。这种装置，通常是直接利用交流电的交变频率来控制敲击声的，使用时安装在灯杆内部，施工较困难。设备的防水、防尘性能较差容易漏电而造成危险。由于这种盲人钟要安装在灯杆内部，所以配套安装交通人行红绿灯的灯杆的直径都比普通的灯杆要大很多，造成浪费。其次，这种机械式盲人钟，由于每个周期不断地作机械敲击动作，使用证明，寿命通常都不高，通常几个月就要维修，使用成本高。再次，这种盲人钟没有相对复杂的电子控制电路，只能二十四小时不停地敲击，发出同一音量的声音。当深夜时，这些刺耳的敲击声就会对附近的居民产生严重的干扰，盲人钟就成了噪声污染源。还有就是，一般的盲人如果没有通过培训，不知道敲击声的含义，盲人钟的使用就达不到效果。
针对上面提及的问题，本文将阐述一种与交通行人信号红绿灯配套使用的声响提示装置。该装置不仅能提示盲人当前红绿灯的状态，对正常人也能起到提示的作用。
该装置采用数字电子语音模块进行录音及数字式调音，并通过单片机智能控制放音的内容。它能根据行人灯的状态给过街的行人发出相应的人声语音及敲击声的声音提示，使行人尤其是失明或弱视人士横过马路时更加注意安全，充分体现了道路交通安全设施的人性化设计。另外，该装置能根据路口的状况分时段地控制播放音量或选择停止放音。该装置具有质量稳定可靠、声音清晰、噪音低、控制灵活、使用寿命长等特点。
2 系统设计
2.1 方案设计
系统主要由STC12C5410单片机、实时时钟芯片SD2405API、语音芯片WTV040、功放模块TDA2030等组成。系统的电源直接在对应的行人红绿灯中通过变压器、整流、滤波、稳压等电路获取，并通过由简单三极管构成的检测电路获取对应交通灯状态的信号以供CPU判断使用。CPU取得交通信号灯状态信号后，根据读取实时时钟芯片的时间信息，以及内存中客户设置的时段信息进行判断，然后输出数据信号控制数字语音模块输出对应音量的语音信号到功率放大模块进行放大。经过放大的语音信号通过防水防尘喇叭对外播放。
由于该系统要安装于户外，使用环境较恶劣，所以必须考虑严格的防水、防尘措施。现在的交通灯通常都是由LED发光管及对应电源驱动电路组成的电子构件，要求的防水、防尘等级也比较高。因此，本文介绍的行人过街提示装置的主控制板主要考虑安装到交通信号灯的灯壳中。由于交通灯灯壳内的空间有限，考虑到本行人过街提示器的参数不需要频繁地更改，所以在主控制板中不设置数码管、液晶屏等人机交互的模块。而是预留一个通讯接口，当需要更改各项参数时，可通过外置的调试装置进行操作。这样既可节省空间又能降低系统的整体成本。
2.2 主要硬件选用介绍
系统的电源采用变压器降压形式，降压后的交流电源经整流、滤波后再采用成熟的TO220封装形式三端稳压元件7805加散熱片稳压输出直流5V电源；主控CPU采用国产宏晶科技公司生产的STC12C5410单片机。该芯片工作频率可达35MHz，相当于普通8051单片机的420 MHz，内置大容量储存器（10KB Flash、512B RAM、片内 E2PROM）；具有丰富的I/O端口，并带4路10位A/D转换接口，内置看门狗功能。另外，该芯片加密性强及拥有超强抗干扰能力：高抗静电（ESD保护），能轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试）；超低功耗：掉电模式<0.1μA，正常模式4～7mA。
时钟芯片采用的SD2405API，是一种内置晶振、充电电池、具有标准IIC 接口的实时时钟芯片，CPU 可使用该接口通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据（包括时间寄存器、报警寄存器、控制寄存器、通用SRAM 寄存器）；该芯片可保证时钟精度为±5ppm（在25℃±1℃下），即年误差小于2.5 分钟；内置时钟精度数字调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差（-189ppm～+189ppm，分辨力为3.05ppm），并通过外置的温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能；芯片还具有：低功耗 1.0μA 典型值（内部电池供电，Ta=25℃）；高抗静电（ESD）>4KV ；高抗干扰：2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试）等多项优点。能很好地满足行人过街提示装置的使用要求。
WTV040语音芯片是一款OTP语音芯片，录音长度可达40秒，具有性价比高、语音修改方便、内容加密等硬性特点；内建PSG可编程语音合成技术，真正具有高音质和低噪声的特点，是短秒数应用场合的佼佼者。芯片性能稳定，可选控制方式有按键控制模式、并口控制模式、串口控制模式等。按键控制模式的触发方式灵活；串口模式下可控制音量、打开或关闭功放、有循环播放和停止功能。芯片内建16 位DAC 音频处理核心，自带内部滤波功放，能直接驱动0.5W 的喇叭。音频输出为PWM 或DAC 模式。芯片低功耗，休眠可任意控制，休眠静态电流功耗低于2uA。
功放芯片采用TO220封装的TDA2030 该芯片具有体积小、外接元件少、输出功率大（Po=18W（RL=4Ω）、失真小、开机冲击极小等特点。并具有短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vmax=12V）以及负载泄放电压反冲等内含各种保护电路，因此工作安全可靠。由于系统工作的户外环境恶劣，因此声音输出选用玻纤振膜的喇叭，该喇叭对高频的响应较优秀，而提示器主要输出的敲击声主体为频率较高的音频。
2.3 软件设计
软件的设计主要包括两部分：一是系统工作主程序，CPU根据检测到交通行人红绿灯的状态信号，然后读取实时时钟信号以及用户设置的时段参数进行判断，再发送相应的控制数据给数字语音模块，输出相应音量的声音信号。二是系统通讯数据处理子程序；主要CPU与外置手持式设备之间进行数据通讯，把提示器内部实时运行的参数对外发送或接收用户需要调整的时段参数、实时时间校准参数、实时音量调整参数等数据。
3 结语
本文设计的行人过街提示器，已经成功应用于多个城市的交通路口，并稳定地使用多年，产品质量可靠，社会反映良好。装置不但能播放模拟敲击声的提示声音，还能播放语音提示声音，对弱视、失明人士及正常人都能起到很好的提示效果，一定程度上降低了“低头族”由于玩手机而发生交通事故的情况。而且播放的音量还能根据设置的时间段进行自动调整，午休或深夜时可以设置自动把音量调小，减少装置对附近居民造成的噪声污染。行人过街提示器的使用，一定程度上提高了当地市的文明程度，取得良好的社会效益。■
参考文献
中华人民共和国国家标准GB 14887-2011 《道路交通信号灯》.
谭浩强、张基温、唐永炎，C语言程序设计教程，高等教育出版社.
作者简介：
麦勇俊，男，广东佛山市三水同安交通设施有限公司机电工程师，从事道路交通信号灯、信号机的设计。
关键词：盲人钟；行人过街提示器；行人信号红灯；行人信号绿灯
1 引言
过十字路口时，红灯停、绿灯行，对普通人来说一目了然，但对盲人来说却难以辨别，过马路心惊惊。早期的“盲人钟”就是为解决盲人过马路这个难题而设计的。早期的盲人钟是安装在交通信号灯灯杆内的。工作方式是利用电磁铁原理直接用撞针交变地敲击灯杆发出不同频率的敲击声（类似电铃原理一样），来提示盲人当前交通灯显示的颜色。这种装置，通常是直接利用交流电的交变频率来控制敲击声的，使用时安装在灯杆内部，施工较困难。设备的防水、防尘性能较差容易漏电而造成危险。由于这种盲人钟要安装在灯杆内部，所以配套安装交通人行红绿灯的灯杆的直径都比普通的灯杆要大很多，造成浪费。其次，这种机械式盲人钟，由于每个周期不断地作机械敲击动作，使用证明，寿命通常都不高，通常几个月就要维修，使用成本高。再次，这种盲人钟没有相对复杂的电子控制电路，只能二十四小时不停地敲击，发出同一音量的声音。当深夜时，这些刺耳的敲击声就会对附近的居民产生严重的干扰，盲人钟就成了噪声污染源。还有就是，一般的盲人如果没有通过培训，不知道敲击声的含义，盲人钟的使用就达不到效果。
针对上面提及的问题，本文将阐述一种与交通行人信号红绿灯配套使用的声响提示装置。该装置不仅能提示盲人当前红绿灯的状态，对正常人也能起到提示的作用。
该装置采用数字电子语音模块进行录音及数字式调音，并通过单片机智能控制放音的内容。它能根据行人灯的状态给过街的行人发出相应的人声语音及敲击声的声音提示，使行人尤其是失明或弱视人士横过马路时更加注意安全，充分体现了道路交通安全设施的人性化设计。另外，该装置能根据路口的状况分时段地控制播放音量或选择停止放音。该装置具有质量稳定可靠、声音清晰、噪音低、控制灵活、使用寿命长等特点。
2 系统设计
2.1 方案设计
系统主要由STC12C5410单片机、实时时钟芯片SD2405API、语音芯片WTV040、功放模块TDA2030等组成。系统的电源直接在对应的行人红绿灯中通过变压器、整流、滤波、稳压等电路获取，并通过由简单三极管构成的检测电路获取对应交通灯状态的信号以供CPU判断使用。CPU取得交通信号灯状态信号后，根据读取实时时钟芯片的时间信息，以及内存中客户设置的时段信息进行判断，然后输出数据信号控制数字语音模块输出对应音量的语音信号到功率放大模块进行放大。经过放大的语音信号通过防水防尘喇叭对外播放。
由于该系统要安装于户外，使用环境较恶劣，所以必须考虑严格的防水、防尘措施。现在的交通灯通常都是由LED发光管及对应电源驱动电路组成的电子构件，要求的防水、防尘等级也比较高。因此，本文介绍的行人过街提示装置的主控制板主要考虑安装到交通信号灯的灯壳中。由于交通灯灯壳内的空间有限，考虑到本行人过街提示器的参数不需要频繁地更改，所以在主控制板中不设置数码管、液晶屏等人机交互的模块。而是预留一个通讯接口，当需要更改各项参数时，可通过外置的调试装置进行操作。这样既可节省空间又能降低系统的整体成本。
2.2 主要硬件选用介绍
系统的电源采用变压器降压形式，降压后的交流电源经整流、滤波后再采用成熟的TO220封装形式三端稳压元件7805加散熱片稳压输出直流5V电源；主控CPU采用国产宏晶科技公司生产的STC12C5410单片机。该芯片工作频率可达35MHz，相当于普通8051单片机的420 MHz，内置大容量储存器（10KB Flash、512B RAM、片内 E2PROM）；具有丰富的I/O端口，并带4路10位A/D转换接口，内置看门狗功能。另外，该芯片加密性强及拥有超强抗干扰能力：高抗静电（ESD保护），能轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试）；超低功耗：掉电模式<0.1μA，正常模式4～7mA。
时钟芯片采用的SD2405API，是一种内置晶振、充电电池、具有标准IIC 接口的实时时钟芯片，CPU 可使用该接口通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据（包括时间寄存器、报警寄存器、控制寄存器、通用SRAM 寄存器）；该芯片可保证时钟精度为±5ppm（在25℃±1℃下），即年误差小于2.5 分钟；内置时钟精度数字调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差（-189ppm～+189ppm，分辨力为3.05ppm），并通过外置的温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能；芯片还具有：低功耗 1.0μA 典型值（内部电池供电，Ta=25℃）；高抗静电（ESD）>4KV ；高抗干扰：2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试）等多项优点。能很好地满足行人过街提示装置的使用要求。
WTV040语音芯片是一款OTP语音芯片，录音长度可达40秒，具有性价比高、语音修改方便、内容加密等硬性特点；内建PSG可编程语音合成技术，真正具有高音质和低噪声的特点，是短秒数应用场合的佼佼者。芯片性能稳定，可选控制方式有按键控制模式、并口控制模式、串口控制模式等。按键控制模式的触发方式灵活；串口模式下可控制音量、打开或关闭功放、有循环播放和停止功能。芯片内建16 位DAC 音频处理核心，自带内部滤波功放，能直接驱动0.5W 的喇叭。音频输出为PWM 或DAC 模式。芯片低功耗，休眠可任意控制，休眠静态电流功耗低于2uA。
功放芯片采用TO220封装的TDA2030 该芯片具有体积小、外接元件少、输出功率大（Po=18W（RL=4Ω）、失真小、开机冲击极小等特点。并具有短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接（Vmax=12V）以及负载泄放电压反冲等内含各种保护电路，因此工作安全可靠。由于系统工作的户外环境恶劣，因此声音输出选用玻纤振膜的喇叭，该喇叭对高频的响应较优秀，而提示器主要输出的敲击声主体为频率较高的音频。
2.3 软件设计
软件的设计主要包括两部分：一是系统工作主程序，CPU根据检测到交通行人红绿灯的状态信号，然后读取实时时钟信号以及用户设置的时段参数进行判断，再发送相应的控制数据给数字语音模块，输出相应音量的声音信号。二是系统通讯数据处理子程序；主要CPU与外置手持式设备之间进行数据通讯，把提示器内部实时运行的参数对外发送或接收用户需要调整的时段参数、实时时间校准参数、实时音量调整参数等数据。
3 结语
本文设计的行人过街提示器，已经成功应用于多个城市的交通路口，并稳定地使用多年，产品质量可靠，社会反映良好。装置不但能播放模拟敲击声的提示声音，还能播放语音提示声音，对弱视、失明人士及正常人都能起到很好的提示效果，一定程度上降低了“低头族”由于玩手机而发生交通事故的情况。而且播放的音量还能根据设置的时间段进行自动调整，午休或深夜时可以设置自动把音量调小，减少装置对附近居民造成的噪声污染。行人过街提示器的使用，一定程度上提高了当地市的文明程度，取得良好的社会效益。■
参考文献
中华人民共和国国家标准GB 14887-2011 《道路交通信号灯》.
谭浩强、张基温、唐永炎，C语言程序设计教程，高等教育出版社.
作者简介：
麦勇俊，男，广东佛山市三水同安交通设施有限公司机电工程师，从事道路交通信号灯、信号机的设计。