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论文
编号
毕业设计(论文)
题目公共汽车语音报站器的设计
二级学院
专业
班级
学生姓名学号
指导教师职称
时间
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题研究的背景意义1
1.2报站器的动态发展趋势2
1.3设计的主要目标任务2
1.4本章小结2
2硬件选取与设计3
2.1方案设计3
2.2单片机模块4
2.3数据采集模块7
2.4语音模块9
2.5显示模块11
2.5本章小结13
3软件设计14
3.1程序总体设计14
3.2各模块程序设计15
3.3本章小结20
4仿真与调试21
4.1软件程序调试21
4.2软件电路功能仿真22
4.3Keil与Protues对系统联调23
4.4本章小结25
5结论26
致谢27
参考文献28
附录29
附录A:
程序清单29
附录B:
系统整体原理图46
文献综述47
摘要
公交车已经成为上班族和学生慢出门的必备交通工具,目前目前公交车采用的公交报站系统具有语音和显示的基本功能,目前采用的公交车报站系统主要是基于GPS的智能报站系统,智能化比较高,这种报站器受到天气影响严重,在阴雨天气时影响信号接收的质量,费用比较高,一般小型城市和工业化城市使用受到一定限制。
本课题主要研究的是基于AT89C51的公交车自动报站系统,该系统采用51单片机对霍尔传感器进行汽车轮轴所转圈数的外部中断计数,在公交车到站前语音报站,并且采用液晶12864进行相关信息显示。
本课题要求设计一公交车自动报站系统,以实现公交车的语音自动报站,在进站、出站时自动播报语音提示,同时利用液晶电路进行汉字显示。
本设计要求利用AT89C51作为主控芯片完成主控电路的设计,辅助电路要求包括数据采集电路、语音电路、汉字显示电路等。
公交车报站系统主要由四个部分组成,即主控电路、数据采集电路、语音电路以及液晶显示电路。
关键词:
自动报站;89C51单片机;语音芯片;液晶
Abstract
Thepublictransportationhasbecometheofficeworkersandstudentsgooutofthenecessarymeansoftransportation,thebusstopsystemwithvoiceanddisplaystationbasicfunction,butbecausethestationwhenthedrivertomanuallyswitchtoincreaseononehand,thelaborintensityofdrivers,ontheotherhand,becauseofthedriver'somissionormisrepresentation,killingthepassengers.Ormissed,forbusoperationproducedverybignegativeeffect,butalsothepassengerscausedalotofunwantedeffects,butalsoincreasetheprobabilityoftheoccurrenceoftrafficaccident.Therefore,researchonautomaticbusstationisverynecessary.
ThemainresearchtopicisbusstopautomaticsystembasedontheAT89C51,thesysteminthebustothestationvoicestationreporting,andusingaliquidcrystal12864displayofrelevantinformation,tothestationbusterminusstationtosendinformation,convenientarrangementofbusterminus.Theissuetodesignaautomaticbusstation,inordertoachievebusaudioautomaticstation,inthepit,astationautomaticallybroadcastthevoiceprompts,whiletheuseofliquidcrystalcircuittodisplayChinesecharacters.ThedesignrequirementsusingAT89C51asmaincontrolchiptocompletethedesignofthemaincontrolcircuit,auxiliarycircuitincludesChinesecharactersdisplaycircuit,voicecircuit.
Busstationsystemismainlycomposedoffourparts,namelyamaincontrolcircuit,apulsedetectingcircuit,avoicecircuitandaliquidcrystaldisplaycircuit.
Keywords:
automaticstationreport;89C51microcontroller;voicechip;liquidcrystal
1绪论
随着科学技术的日益发展和进步,无人售票公交车逐渐普及,语音报站器也被广泛使用,这在相当大的程度上避免了乘务人员沿途报站的麻烦,给许多不熟悉公交线路的乘客带来了方便,同时减少了很多不必要的事故发生。
1.1课题研究的背景意义
随着国民经济的快速发展,城市建设规模不断扩大,大城市人口高度集中并大幅度增长,同时汽车拥有量急剧上升,交通需求迅速扩大,而道路交通基础设施建设的发展则相对滞后。
城市交通需求与供给之间的矛盾越来越突出,城市“乘车难”、“行车难”的局面在加剧,交通阻塞呈现出由点到线、由线到面的扩展趋势,交通拥挤、交通延误、交通阻塞以及由此引起的噪音、废气污染严重影响着居民的正常的生活以及社会经济的持续、健康发展。
近年来,我国城市交通的现状已引起了政府、公众、社会各界的广泛关注,有关专家学者和交通工程师们在吸取各国城市交通发展经验的基础上,找到了一条解决我国城市交通发展问题的有效途径,即优先发展城市公共交通,以公共交通为杠杆降低城市交通需求总量,实现道路交通基础设施发展与交通需求增长的均衡。
实施“公交优先”是解决我国城市交通发展问题的有效途径,也是我国目前城市交通发展的基本政策。
公交智能化是智能交通的一个重要的子领域,同时也是落实“公交优先”,使城市交通与社会经济和谐发展的重要组成部分。
实施公交智能化,必须提高公交服务质量,而到站后的准确、及时报站就是一个方面,本文设计的公交车语音报站器就能解决这方面的问题。
当前国内主要大城市的公交车大都采用人工报站,即每到一站由司机或者乘务员来进行报站。
但有时由于受到各种因素如雨雪天路滑、车上拥挤、乘务员心情的变化等的影响,会出现报错站,漏报站的情况,给乘客特别是不熟悉本市地形的乘客带来了不必要的麻烦,从而影响到了一个城市的窗口形象工程建设,更甚于由于报站分心可能引起的交通事故。
于是开发研制语音报站系统成为必然。
公共汽车语音报站器主要利用51单片机以及ISD4004模拟公交车语音报站系统。
设计时需对单片机进行程序设计,处理好系统人机交互界面。
为了使设计的人机交互系统更具人性化,可在报站的同时可使用液晶显示器显示当前的站台信息。
单片机在生活中有着极其广泛的应用,包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制及航天等领域中。
随着单片机技术的不断发展,生活中的很多东西都需要运用单片机技术,而公交车是最平常的,利用单片机的控制可以达到自动语音报站效果,这给人们生活、工作等方面带来了极大的方便[1]。
1.2报站器的动态发展趋势
公共汽车行驶在现代文明程度高的市区,它是一道流动的风景线,因而对整车外形乃至色彩都有更高的要求。
作为公共汽车还要求有醒目和减少乘务人员劳动强度的电子报站器,电子显示路牌,无人售票装置。
前后电视监视系统等新技术的采用也将越来越普及[2]。
公交车报站器在公交事业中占有举足轻重的地位,它直接影响到公交车的服务质量。
目前公交车报站系统主要有以下几种:
第一种报站器是在到达站点之前由司机或者乘务人员通过按键开始报站,汽车驶离站点后按下出站按钮并且预报下站的站名,这种报站器给工作人员带来的工作量太大,容易出错,而且也容易使司机产生疲劳从而发生交通事故;第二种是门控语音报站器,将开门、关门的信号转换信号连接语音报站器。
开门时开始播报到达的站点、关门时则预播下一站站名,这类系统完成了自动报站要求,但是非常容易引起错报和误报,当发生紧急情况时需要开门关门报站器也开始播音,误报率非常高;第三种是无线信标语音报站器,它是在每个公交车站点设置发射信号装置,公交车临近到站点一定范围内会收到信号,开始自动报站,出站后信号消失,开始预报下一站,此报站器报站准确,但需要为每个站点组建无线发射信标,建设复杂、费用高,大部分站点无电源供应,公交车数量多时存在频率干扰问题,且较严重,用户修改站点非常不方便,系统维护成本高;第四种就是GPS自动语音报站器,此报器是在公交车上安装GPS自动语音报站器,自动识别站点并报告站点信息,这种报站器现在已经广泛使用,但是由于容易受到天气等气候因素,产生信号中断等麻烦,而且它的建设费用比较高,对于中小城镇来说比较不适宜[3]。
城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。
提供舒适、安全、便捷的乘车环境,对于公交企业来说,不仅是应尽的责任,也是不断追求的目标。
1.3设计的主要目标任务
本课题要求设计一种公交车自动报站系统,以实现公交车的语音自动报站,即在进站、出站时候自动播报语音提示信息及服务用语,同时利用液晶电路进行汉字信息显示。
本设计要求利用AT89C51作为主控芯片完成主控电路的设计,辅助电路要求包括数据采集电路、语音电路、汉字显示电路等。
1.4本章小结
本章主要介绍了公交车报站系统的研究意义,现阶段报站器的发展前景和主要投入使用的报站器的优势和存在的缺陷。
最后说明了本次设计的设计任务目标。
2硬件选取与设计
2.1方案设计
公交车语音报站器的设计多种多样,本设计采用对汽车轮胎所转圈数计数,将计数值与预置值相互比较,即可确定报站时间,达到准确自动报站的目的。
设计采用AT89C51为主控芯片,对外部中断计数,结合语音芯片ISD4004输出语音。
系统整体由信号采集,脉冲计数、语音芯片、输出显示、CPU控制、按键等模块组成。
系统原理图如图2.1所示。
图2.1方案原理图
系统开始工作后,在正常情况下,霍尔元件采集汽车轮轴所转圈数,汽车每转动一圈,传感器则采集到一个信号周期,霍尔元件采集的数据经过光电耦合器转换成脉冲信号通过单片机的外部中断引脚进入单片机,单片机对中断次数计数,同时将计数次数与内置值比较,当相同时单片机发送信号控制语音芯片开始放音,同时,控制液晶显示电路显示相关信息。
系统也可以通过按键工作,即到站时按下放音按键时,单片机接收到按键信号,发送信号到语音芯片控制语音芯片放音,同时显示电路导通显示相关信息;要录入新的语音时,按下录音键,单片机则控制语音芯片录音。
录音工作必须由按键执行。
1.信号采集:
该系统关键是对汽车轮轴所转圈数进行计数,考虑到车辆将在复杂的环境中运行,因此可以采用可靠性高的霍尔元件DN6848作为信号的采集装置,在经过光电耦合器的作用将采集到的带有不标准的信号转换成单片机可读的逻辑信号(脉冲信号)输入到单片机。
2.脉冲计数:
光电耦合器过滤后的脉冲信号通过单片机的外部中断引脚进入单片机,这样单片机就可以对外来的脉冲信号进行计数。
外部晶振12MHz。
3.语音芯片:
使用时间长,入手简单,声音质量保真度高,可以随时进行录音,方便在不同线路使用。
4.输出显示:
采用128*64点阵液晶显示器,显示简单的服务用语以及提示信息,汉字通过取模代码得到。
5.控制按键:
语音芯片工作前需要录音,可以通过按键控制进行录音,可以随时随地进行录音,便于在不同公交线路上使用,同时当传感器或者光电耦合器出现故障时可以立即切换到手动模式,采用手动控制按键进行放音,能很好的处理突发事件,更好的为乘客服务。
6.CPU控制:
程序中将外部输入的中断计数值与预置值相比较,判断是否到站,当到站时输入信号控制语音芯片进行报站,同时控制液晶显示相关服务信息与提示语言。
通过以上各个模块的相互结合便可以实现报站器的设计。
2.2单片机模块
本设计以AT89C51为主控芯片,它提供以下标准功能:
4K字节FLASH闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
最显著的特点是内部含有Flash存储器[4]。
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。
2.2.1引脚功能说明
AT89C51芯片引脚[5]图如图2.2所示。
图2.2AT89C51芯片引脚图
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如表2.1所示:
表2.1单片机引脚
引脚
功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外部中断0输入口)
P3.3
/INT1(外部中断1输入口)
P3.4
T0(定时器0外部输入口)
P3.5
T1(定时器1外部输入口)
P3.6
/WR(写选通输出口)
P3.7
/RD(读选通输出口)
XTAL1:
片内高增益方向放大器的输入端,接外部石英晶体和电容的一端。
若使用外部输入时钟,该引脚必须接地
XTAL2:
片内高增益方向放大器的输出端,接外部石英晶体和电容的另一端。
若使用外部输入时钟,该引脚作为外部输入时钟的输入端。
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
2.2.2单片机最小系统
单片机工作的最小系统包括震荡电路和复位电路,电路图如图2.3所示,
图2.3单片机最小系统
单片机的工作是在统一的脉冲控制下的进行的。
这个脉冲就是由单片机控制器的时钟电路发出的,即时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。
单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
时钟电路用于产生单片机工作的时钟信号。
而时钟电路又各分为两种,即内部时钟方式和外部时钟方式。
本系统采用内部时钟方式此种方式工作时,单片机内接一个高增益反向放大器构成内部振荡器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
同时在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器,其发出的脉冲信号直接送入到内部时钟发生器。
两个电容通常选择为(30+或-10)pf左右;外接陶瓷谐振器时则选为47pf左右。
电容对频率有微调作用。
为了减少寄生电容,更好地保证振荡器可靠地工作,谐振器和电容应安装得与单片机芯片尽可能的近。
内部时钟发生器实际上是一个二分频的触发器,该二分频为单片机提供一个二相的时钟信号即相位信号1(P1)和相位信号2(P2),驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。
这里我们采用的是12MHz晶振,也就时说单片机的时钟周期为1/12uS,指令周期为1uS。
晶体振荡器的频率越高,振荡频率就越高[6]。
单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
在完成单片机系统开发,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”“程序跑飞”等现象,出现这种情况的主要因素可以分为内因和外因两部分。
基本阻容复位电路是最简单的复位电路,利用了电容可以存储电荷的特性,和电阻组成串联网络。
只要保证电容充放电的时间常数满足单片机的复位时间要求,就可以形成基本的复位电路。
如图所示为基本阻容复位电路。
这个复位电路时高电平有效复位电路。
放电的瞬间RESET端的点位和Vcc相同,随着充电电流的减少,RESET的电位逐渐下降,τ=RC,这个时间常数一般情况下足以保证完成复位操作。
在单片机应用系统工作时,除了进入系统正常的初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复位键以重新启动。
所以,系统的复位电路必须准确可靠地工作。
单片机的复位都是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平,单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位,在设计复位电路时,通常使RST保持高电平。
只要RST保持高电平,则单片机就循环复位[7]。
2.2.3按键电路
为了使系统更好的使用,本设计使用了两种方式进行放音,即自动模式和手动模式,通过设置一个按键选择模式,当选择手动模式时,则使用按键进行放音,系统设计了三个按键,如图2.4所示。
图2.4按键电路
如图所示,当按键KEY按下时则为手动模式,这时通过按键PR、STOP、AN三个按键即可实现语音的录放。
当按下AN键时,系统则开始放音,在放音状态时按下STOP则暂停放音,当再次按下时继续当前放音;当按下PR键时则转入录音状态,这时按住AN键不放则可以进行录音,松开时录音结束,再次按住不放时继续录音,并且不覆盖前一段语音;当按住STOP键三秒不放时则清空语音芯片所有存储信息[8]。
2.3数据采集模块
2.3.1霍尔器件介绍
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化,可以在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作[9]。
霍尔器件具有许多优点,它们结构简单,体积小,结构坚固,频率响应宽,动态范围大,无触点,使用寿命长,可靠性高,容易微型化和集成电路,安装方便,功耗小,耐振动,不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。
按照霍尔器件的功能,可以将他们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。
霍尔线性器件输出的是模拟量,而霍尔开关器件输出的是数字量。
霍尔线性器件的线性度好、精度高;霍尔开关器件无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复度高(可达um级)。
取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃—150℃。
按照被检测对象的性质,可将它们分为间接应用和直接应用。
前者是检测受检对象上人为设置的磁场,后者是直接检测受检对象本身的磁场或者磁特性,用这个磁场来作为被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量如力、力矩、应力、压力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态发生变化的时间等转换成电量来进行检测和控制。
2.3.2光电耦合器简介
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电—光—电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端,常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。
光敏三极管的导通与截止,是由发光二极管所加正向电压控制的。
当发光二极管加上正向电压时,发光二极管有电流通过发光,使光敏三极管内阻减小而导通;反之,当发光二极管不加正向电压或所加正向电压很小时,发光二极管中无电流或通过电流很小,发光强度减弱,光敏三极管的内阻增大而截止[10]。
光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强。
无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点,因而在各种电子设备上得到广泛的应用。
光电耦合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中[11]。
2.3.3信号采集电路设计
本设计的信号采集是至关重要的一个环节,由于汽车在复杂的环境中运行,霍尔元件具有耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及具有腐蚀性的气体和颗粒的污染和腐蚀的有点,为了采集到准确的信号,本设计采用霍尔元件作为信号采集装置。
同时,为了达到单片机所要求的数字信号,虽然霍尔元件采集到的信号已经很标准,但还是会掺杂很多微小信号,而光电耦合器则可以截止比较小的电信号,是采集到的信号彻底的转换成数字电平输入到单片机,所以在考虑到汽车运行的环境后采用光电耦合器连接到霍尔元件后面,信号经过光电耦合器后的信号就是连续不断的脉冲信号了,而单片机只能接受脉冲信号。
信号采集电路图如图2.5所示。
图2.5信号采集电路
在启动报站系统的时候,霍尔传感器开始采集信号,由于汽车运行的环境非常复杂,所以传感器采集到的信号不是正常的数字信号,存在干扰信号等微弱的不规律信号,必须通过光电耦合器转换成数字信号后通过单片机的中断外部引脚输入到单片机。
2.4语音模块
2.4.1语音芯片ISD4004
ISD4000系列单片声音录放器件是用CMOS工艺实现的高语音质量、3V工作电压的集成电路芯片。
按录放时间分ISD4002、ISD4003和ISD4004三个子系列。
芯片内集成有振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、自动静音电路、音频放大器和高密度多级Flash存储阵列。
这个系列的新片要求用于微处理器或微控制器系列,通过串行外围接口SPI寻址和控制。
录音数据被存放方法是通过ISD的多级存储专利技术实现的,用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器中,从而保证了高质量回放语音的保真度[12]。
语音芯片的管脚有严格的定义,它有着特殊的功能管脚[13],所以对它的引脚及其功能必须由相对的了解。
其引脚图如图2.6所示。
图2.6ISD4004引脚图
电源(VCCA,VCCD):
为了使噪声尽量的小,芯片使用了不同的电源总线在模拟电路和数字电路中,而且分别引到外部封装的不同管脚上面,因此在实际电路设计中,尽量让模拟电路和数字电路分别走线,尽量的在靠近供电端的地方相连;而去耦电容则应该尽量靠近器件相连。
地线(VSSA,VSSD):
芯片内部的模拟电路和数字电路也应该使用不同的地线想连接。
同相模拟输入(ANAIN+):
同相模拟输入是录音信号的同相输入端。
输入放大器既可以使用单端驱动,也可以用差分驱动。
在单端输入作为驱动时,信号从耦合电容进入,最大幅度的峰峰值是32mV,芯片频带的低端截止频率的高低取决于耦合电容和本段电阻的值。
采用差分驱动时,信号最大幅度的峰峰值是16mV,与ISD33000系列语音芯片相同。
反相模拟输入(ANAIN-):
差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。
信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV
音频输出(AUDOUT):
音频输出端提供了音频输出,可以驱动5KΩ的负载。
片选(SS):
语音芯片的内部采用了一个下拉电位器,因此此端为低电平有效,即向该ISD4004芯片发送指令时,两条指令之间应该为高电平。
串行输入(MOSI):
此端为串行输
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