公交车自动语音报站器设计.docx
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公交车自动语音报站器设计.docx
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公交车自动语音报站器设计
摘要
公交车为人们提供了方便快捷的服务,已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具,而公交报站直接影响了服务的质量,结合公交车辆的使用特点及实际运营环境,本论文设计了一种基于GPS定位的公交报站系统,使用AT89C51单片机作为主控芯片完成主控电路的设计,辅助电路包括语音电路、LCD液晶显示电路等。
本设计中利用GPS进行数据采集,报站器中的CPU读取经配置存储于EPROM中的站台信息(经纬度坐标值、站台序号和站名等),同时接收GPS接收机传过来的位置、时间、速度等即时信息,将有效的GPS信息与站台位置信息进行比较、计算,判断车辆的当前位置和到站、出站情况,通过对液晶模块及语音模块的综合控制实现全自动语音报站的效果。
这种智能报站系统实现了公交车自动语音报站,及LCD显示等功能,保证乘客能准确及时的获得站点信息,能够满足公交智能化需求,避免驾驶员在驾驶过程中因兼顾报站而带来的安全隐患,同时也为公交企业和社会带来很大经济和社会效益。
具体表现在以下几个方面:
首先是较完美的公交上对乘客的服务,其次是减少了驾驶员的负担,先进、实用,提升了城市形象,带动了其他相关产业的发展。
关键词:
GPSAT89C51单片机液晶显示自动语音
Abstract
公交车为人们提供了方便快捷的服务,已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具,而公交报站直接影响了服务的质量,结合公交车辆的使用特点及实际运营环境,本论文设计了一种基于GPS定位的公交报站系统,使用AT89C51单片机作为主控芯片完成主控电路的设计,辅助电路包括语音电路、LCD液晶显示电路等。
Thebusprovidesconvenientserviceforpeople,hasbecomethegeneralwageearnersandstudentsgotothefamilyvehicle,andbusstationreporteddirectlyaffectthequalityofservices,combinedwiththecharacteristicsofpublictransportvehiclesandtheactualoperatingenvironment,thebusstationsystemthispaperdesignedabasedonGPSpositioning,designAT89C51microcontrollerasthemaincontrolchiptocompletethemaincontrolcircuit,auxiliarycircuitcomprisesaspeechcircuit,LCDdisplaycircuitetc..
本设计中利用GPS进行数据采集,报站器中的CPU读取经配置存储于EPROM中的站台信息(经纬度坐标值、站台序号和站名等),同时接收GPS接收机传过来的位置、时间、速度等即时信息,将有效的GPS信息与站台位置信息进行比较、计算,判断车辆的当前位置和到站、出站情况,通过对液晶模块及语音模块的综合控制实现全自动语音报站的效果。
这种智能报站系统实现了公交车自动语音报站,及LCD显示等功能,保证乘客能准确及时的获得站点信息,能够满足公交智能化需求,避免驾驶员在驾驶过程中因兼顾报站而带来的安全隐患,同时也为公交企业和社会带来很大经济和社会效益。
具体表现在以下几个方面:
首先是较完美的公交上对乘客的服务,其次是减少了驾驶员的负担,先进、实用,提升了城市形象,带动了其他相关产业的发展。
UseGPSdatacollectioninthisdesign,theCPUreadsthenewspaperstandingplatforminformationconfiguredstorageinEPROM(latitudelongitudecoordinates,stationnumberandnameofthestationandsoon),whilereceivingGPSreceiverovertime,location,speedandotherinformation,theeffectiveGPSinformationandtheplatformlocationinformationforcomparison,calculation,todeterminethecurrentpositionofthevehicleandstation,astation,automaticvoicestationreportingresultsthroughcomprehensivecontrolofLCDmoduleandthevoicemodule.Theintelligentreportstationsystemrealizestheautomaticbusstopvoice,andLCDdisplayandotherfunctions,toensurethepassengercanaccurateandtimelyaccesstothesiteinformation,canmeetthedemandofintelligenttransportation,avoidthedriverinthedrivingprocessforbothstationsandbringsecurityrisks,butalsobringgreateconomicandsocialbenefitsforthepublicenterprisesandsociety.Specificperformanceinthefollowingaspects:
firstisthebusisperfectonservicetopassengers,followedbyadecreaseofthedriver'sburden,advanced,practical,enhancetheimageofthecity,drivethedevelopmentofotherrelatedindustries.
Keywords:
GPSAT89C51LCDAutomaticSpeech
第一章绪论
随着国民经济的持续发展和各级政府对县域经济的高度关注,乡镇的城市化正在全国如火如荼地展开,基础设施得到了突飞猛进的发展,在这个过程中,乘坐公交车逐步取代了以前落后的出行方式,成为广大城乡人民短途出行的首选。
1.1课题研究背景及意义
近年来,随着城市建设和道路建设规模扩大,人们生活水平的不断提高,车辆逐年增加,给城市交通系统带来巨大压力。
公交车辆的监控调度和合理管理已成为交通系统中的一个重要问题。
而城市公交事业的迅速发展,国内公交车报站的方式已经有了很大的改善,目前,各个城市的公交报站方式主要分为三种,一种采用人工按键的操作方式,实现公交车对站名的语音提示和文字显示功能;另一种是对车轮轴的转角脉冲进行计数,将计数值和预置值对比,即可确定报站时刻,达到准确报站的目的;还有一种是利用无线射频识别(RadioFrequencyIdentification)技术,在每一个公交站台设置一个具有唯一ID的射频发射器,采用间歇工作方式发射信号,当公交车即将到达车站时,车载系统接收到站信号并解码出站台的ID号,由单片机控制自动播放对应站台编号的报站语音。
然而,这几种方式都没能实现完全智能报站。
第一种方式站报道,虽然手动是很方便,但很容易出现报告站不及时,或错误,遗漏现象,并且驾驶者按钮也是在行车过程中的安全隐患。
第二种方法需要严格的固定公交线路,一点点变化,就很难精确地报告站。
第三种方式需要一个较大的站台建设,站点一旦改变,射频发射装置将需要移动很麻烦,本文试图设计一个自动语音报站模式基于GPS的。
1.2GPS国内外的发展现状
目前,随着以GPS卫星导航产业为代表,成为八大国际公认的无线行业之一的行业。
随着技术的进步,提高了应用的需求,全球定位系统突出特点的全天候,高精度,自动化,高效率,并以其独特的定位和导航,授时校频,精密测量等多方面的强大功能,已涉足众多的应用程序,GPS定位系统已成为蜂窝移动通信和互联网的后全球第三个新的IT经济增长点。
虽然具有GPS定位功能的公交车市场潜力颇为看好,就现阶段而言仍有几项障碍亟待克服:
首先,不论公交车采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案,将无可避免地提高公交车成本,也影响消费者购买的意愿;最后,目前具有提供整合GPS芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数,且公交车制造大厂是否愿意采用现有的解决方案,或是另外自行开发仍是未定之数。
通过近20年的发展,GPS产品已逐渐转变为消费电子产品,且所能应用的范围已扩展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。
不过,以现阶段来看,由于GPS接收机的单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟,因此,在乐观地看待此市场发展时,诸如GPSIC设计的技术是否能达到公交车或PDA所需的最小体积、成本是否能降低以及内建GPS的新公交车系统是否能引起消费者的青睐等问题,仍必须审慎地深入评估。
国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。
(1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。
在GPS应用领域,车辆应用所占的比例较大。
最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。
但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后,它就成了发展的方向。
GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。
车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。
一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式,系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。
系统的工作原理是:
安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置,通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息,结合车辆身份等信息形成数据包,然后通过无线信道发往控制中心。
控制中心的主站接收子站发送的数据,并从中提取出定位信息,根据各车辆的车号和组号等,在监控中心的电子地图上显示出来。
同时,控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况,根据车流量合理调度车辆。
(2)面向个人消费者的GPS终端产品。
芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素,使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。
目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。
有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表,甚至GPS相机等,也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF卡式GPS接收机)式、外接(GPS接收机)式等集成产品。
1.3课题研究的内容及目标
自动报站系统是智能公交系统的组成部分,公交车自动报站系统是利用全球定位系统(GPS)进行数据采集,根据公交车所处的位置进行自动报站、温磬提示等服务,它将电子、控制、计算机、通信等实用技术集中运用于公共交通系统,改造旧的服务模式,建立全新的服务体系,不但提高了其服务质量,同时也将为公交公司和社会带来较大的经济和社会效益。
1.课题的主要研究的内容
针对我国的中小城市,自主研发一套基于GPS的公交车自动报站系统。
该系统采用GPS卫星定位技术,彻底改变传统公交车语音报站必须由司机操控才能工作的落后方式,在公交车进站、出站、拐弯时能及时、准确地自动播报站名及服务用语,实现公交车报站的完全智能化。
在进行系统设计时,除了实现系统要求的功能以外,同时,由于系统是安装在公交车上,属于车载终端设备,所以必须兼顾电源、功耗、体积等因素,且还要考虑到产品成本、开发工具、研发周期等问题。
基于以上因素,整个系统采用了AT89C51单片机作为主控制器的设计思路。
2.课题研究的目标
本课题研究的是基于GPS的公交车自动报站系统,目的是使公交车通过GPS定位,准确获知并且确定车辆位置,然后通过液晶显示站点信息,提示灯变亮,再由音频系统自动播报站名,从以前完全手动控制变为选择性自动控制,以提高公交系统的准确性和安全性。
第二章系统方案设计
2.1系统设计原理
本设计采用的方案是基于AT89C51单片机、GPS—9543LP全球定位模块和ISD4004语音芯片的自动报站系统。
GPS接收模块接受GPS卫星发送的定位数据,经简单的字符串操作可分别找出GPS信号中的经度、纬度以及相应的格林威治时间等定位信息。
然后,将这些经纬度信息通过串口发送给单片机处理。
每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号,用户接收机测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟,根据信号传输的速度计算出接收机到不同卫星的距离。
同时接收到至少4颗卫星数据时,就可以算出三维坐标、速度和时间。
2.2整体框架结构图
本设计的整体思路是:
通过按键电路和GPS定位系统输入地段信息,直接输出数字信号给单片机AT89C51进行处理,在LCD液晶频上显示当前站名信息。
同时通过语音芯片输出放大后的语音信息。
其结构框图如图所示:
图2-1整体框架结构图
2.3系统器件选型
目前基于此课题的设计方案主要有两种,分别是基于FPGA的VHDL语言设计,基于AT89C51单片机设计,下面具体分析各种设计方案的优缺点。
方案一:
基于FPGA的VHDL语言设计
优点:
FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件,器件集成度高,方便易用。
FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。
随着功耗和成本的进一步降低,FPGA还将进入更多的应用领域。
缺点:
用VHDL语言编写的程序很难实现符合这个课题的效果,在逻辑算法上也不及51单片机来得灵活。
在仿真环境上无法体现出需要实现的功能,不太适合用在这个课题上。
方案二:
基于AT89C51单片机设计
优点:
51单片机具有高效能,资源占用率低等特点。
目前51单片机的使用非常广泛,关于51单片机设计开发的资料非常丰富,很适合初学者自学。
使用C语言编程可以实现丰富的功能,在Proteus仿真环境上也可以很好地体现出本设计欲达到的效果。
缺点:
对多线程同时需要共享资源的任务处理性能有限,无法满足现今对执行效率和存储容量都有较高要求的信息家电等的需要。
在多任务的处理能力上根本无法与基于嵌入式操作系统构架的方案同日而语。
本设计采取方案二以AT89C51作为单片机。
由于本课题属于小型项目,信息处理量不大,采用FPGA的设计存在成本高,开发过程复杂等情况,本项目并不能发挥出这些芯片的强大功能。
基于以上优缺点的分析我选择了第2种设计方案。
选用ATMEM公司的AT89C51作为控制芯片,成本低,开发周期短,配合各种专用芯片的使用能够实现丰富的功能。
可以在Proteus仿真环境中很好的体现出设计所要实现的效果。
本论文主要考虑了两种语音芯片,ISD4004语音芯片和OTP语音芯片,并且对它们做了分析比较。
方案一:
语音芯片ISD4004
ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。
芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。
芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。
芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内FLASH存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。
采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于FLASH存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。
特点:
1.单片8至16分钟语音录放;
2.内置微控制器串行通信接口;
3.3V单电源工作;
4.多段信息处理;
5.工作电流25-30mA,维持电流1μA;
6.不耗电信息保存100年(典型值);
7.高质量、自然的语音还原技术;
8.10万次录音周期(典型值);
9.自动静噪功能;
可利用振荡电阻来自定芯片的采样频率,从而决定芯片的录放时间和录放音质,而芯片的采样率可以通过外部振荡电阻来调节
方案二:
语音芯片OTP
OTP可以PWM直接驱动喇叭,也可以通过三极管放大后驱动喇叭,TG1、TG2只能作为输入触发端(和正电源导通时,触发语音播放)另外的TG11、TG12既可以作为输入触发端,也可以作为输出驱动端,可以选择播放语音时TG11/TG12输出1HZ闪光、3HZ闪光、6HZ闪光或者常亮模式,这样就能实现在播放语音的同时LED闪光或者执行其他动作,如电机运转等。
OTP语音芯片特点
1.性能高度集成外围无需任何元件,只需一个104滤波电容;
2.体积超小有DIP8,SOP8两种封装方便客户使用、低电压供电,静态基本不耗电;
3.音质效果好,音量大;
4.支持多种控制方式,按键控制和单片机串行脉冲控制.语音可分成32段;
5.批量价格具有绝对优势,交货周期短7天;
6.输出方式有PWM,DSK驱动喇叭;
本系统中采用方案一。
方案一采用ISD4004系列芯片具有优质语音录放功能,芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统,具有更大的灵活性和更低的成本,能够充分发挥单片机的效能。
而由于方案二中芯片价格相对较高,且本程序较小不需要如此高性能芯片,所以相比之下选择方案一最适合。
目前市场上GPS模块较多,由于系统对GPS模块无特殊精度要求,出于成本考虑,选用价格相对便宜的LeadtekGPS—9543LP定位模块。
其定位精度10m,能满足设计要求。
LeadtekGPS—9543LP提供一个双列20针的对外接口。
它有两组全双工的异步串行接口,便于和单片机通讯。
在加电以后开始运行,其基本运行过程如下:
(1)自检
加电后开始自检,通过输出通道报告自检结果,其过程将坚持RAM、Flash、接收器、实时时钟和晶体振荡器。
(2)初始化
自检完毕后,将开始卫星探测和跟踪过程。
整个探测过程是完全自动的。
正常情况下,LeadtekGPS—9543LP将用45s的时间获取定位信息(在已知星历表时只需8s),之后通过输出通道传送有效地位置、速度和时间信息。
(3)导航
探测完毕后,LeadtekGPS—9543LP通过输出通道发送有效地导航信息,包括经纬度、海拔、速度、日期/时间、误差估计、卫星和接收机状态。
(4)卫星数据收集
运行时,LeadtekGPS—9543LP将自动更新卫星轨道数据。
LeadtekGPS—9543LP采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA—0183通信标准格式。
其输出数据采用ASC2码,内容包含纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。
一条$GPGGA输出语句包括17个字段:
语句标识头,世界时间,纬度,纬度半球,经度,经度半球,定位质量指示,使用卫星数量,水平精确度,海拔高度,高度单位,大地水准面高度,高度单位,差分GPS数据期限,差分参考基站标号,校验和结束标记(用回车符
如单片机收到以下定位信息:
$GPGGA,114641,3002.3232,N,12206.1157,E,1,05,12.9,53.2,M,11.6,M,*4A
表示使用“$GPGGA”格式语句,世界(格林威治)时间为11时46分41秒,位置在北纬30度2.3232分,东经122度6.1157分,定位有效,接收到5颗卫星,水平精度12.9m,天线离海平面高度53.2m,所在地离地平面高度11.6m,校验和为4AH。
从GPS版接受的数据流是文本字符串,可根据GPS输出数据NMEA—0183通信标准格式所定义的各种记录语句的结构组成特点,编制程序解析其中有用的信息。
由于帧内各种数据段由逗号分隔,因此在处理缓存数据时一般通过搜寻ASC2码“$”判断是否是帧头。
在识别帧头的类别(GPGGA)后,通过对所经逗号个数判断当前正在处理的是哪一种定位导航参数,并作出相应处理。
第三章系统硬件设计
系统硬件电路主要包括按键电路,LCD1602液晶显示电路,ISD4004音频输出电路和GPS模块接口电路。
每块电路通过与单片机的连接组合,实现其各自的功能。
3.1主控电路
AT89C51单片机的结构框图如图3-1所示。
它主要由下面几个部分组成:
1个8位中央处理器(CPU)、片内Flash存储器、片内RAM、4个8位的双向可寻址I/O口、1个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行接口、2个16位的定时器/计数器、多个优先级的嵌套中断结构,以及一个片内振荡器和时钟电路。
在AT89C51单片机结构中,最显著的特点是内部含有Flash存储器,而在其他方面的结构,则和Inter公司的8051的结构没有太大的区别。
图3-1AT89C51单片机的结构框图
AT89C51单片机主要性能有以下几个方面:
1与MCS-51兼容
24K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000次写/擦循环
数据保留时间:
10年
3全静态工作:
0Hz-24Hz
4三级程序存储器锁定
5128*8位内部RAM
632可编程I/O线
7两个16位定时器/计数器
86个中断源
9可编程串行通道
10片内振荡器和时钟电路
另外,AT89C51是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0Hz,并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式(IdleMode)和掉电方式(PowerDownMode)。
在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,使一切功能都暂停,故只保存片内RAM中的内容,直到下一个硬件复位为止。
AT89C51引脚图如图3-2所示
图3-2AT89C51引脚图
VCC:
供电电压。
VSS:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8个TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故
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