基于AT89C51的公交车语音报站器的设计毕业设计.docx
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基于AT89C51的公交车语音报站器的设计毕业设计
编号：
本科毕业论文（设计）
题目：
基于AT89C51的公交车语音报站器的设计
系（院）：
信息工程学院
专业：
通信工程
摘要
公交车已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具，目前公交车上采用的公交报站系统具有语音和显示报站的基本功能，但由于报站时采用司机手动切换，一方面增加了司机的劳动强度，另一方面由于司机的误报或漏报，造成乘客误下或漏下，对于公交运营产生了很大负面影响，更会对乘客造成很多不必要的影响。
为此，研究公交车自动报站系统是非常必要的。
本课题主要研究的是基于AT89C51的公交车自动报站系统，该系统在公交车到站前语音报站，并且有LED数码管显示，到总站时公交车可向总站发送到站信息，方便总站安排公交车次。
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，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LED点阵电路进行汉字显示。
本设计要求利用AT89C51作为主控芯片完成主控电路的设计，辅助电路要求包括语音电路、汉字点阵显示电路、电源电路等。
公交车报站系统主要由四个部分组成，即主控电路、脉冲检测电路、语音电路以及LED点阵汉字显示电路。
关键词：
自动报站；89C51单片机；语音芯片；LED
Abstract
Thepublictransportationhasalreadybecamethegeneralwageraceandthestudentracewentoutmustthetransportationvehicle,atpresentonthepublictransportationusesthepublictransportationnewspaperstationsystemhadthebasicfunctionwhichthepronunciationandthedemonstrationnewspaperstood,butbecausethenewspaperstoodtimeusedthedrivermanualcut,ontheonehandincreaseddriver'slaborintensity,ontheotherhandbecausedriver'smisinformationorfailedtoreport,createdthepassengerbymistakeunderorthemildchronicbloodyvaginaldischarge,hashadtheverygreatlynegativeinfluenceregardingthepublictransportationoperation,couldhaveverymanynonessentialinfluencestothepassenger.Therefore,studiesthepublictransportationautomaticnewspaperstationsystemisextremelyessential.
Thistopicmainresearchisbasedonat89C51publictransportationautomaticnewspaperstationsystemfront,thissystemstationsofarrivalthepronunciationnewspaperstationinthepublictransportation,andhastheLEDnixietubetodemonstrate,tomainterminalwhenthepublictransportationmaystationofarrivaltheinformationtothemainterminaltransmission,convenientmainterminalarrangementpublictransportationcoachnumber.Thistopicrequestdesignsapublictransportationautomaticnewspaperstationsystem,realizesthepublictransportationpronunciationautomaticnewspaperstation,namelyisenteringthestation,outputtingtimedisseminatesnewsthevoicepromptinformationandtheservicelanguageautomatically,simultaneouslycarriesontheChinesecharacterdemonstrationusingtheLEDlatticeelectriccircuit.ThisdesignrequestusingAT89C51tookthemastercontrolchipcompletesthemastercontrolelectriccircuitthedesign,auxiliarycircuitrequestincludingpronunciationelectriccircuit,Chinesecharacterlatticedisplaycircuit,powercircuitandsoon.
Thepublictransportationnewspaperstationsystemmainlyiscomposedbyfourparts,namelymastercontrolelectriccircuit,pulseexaminationelectriccircuit,pronunciationelectriccircuitaswellasLEDlatticeChinesecharacterdisplaycircuit.
Keyword:
Automaticnewspaperstation;80C51monolithicintegratedcircuit;pronunciationchip;LED
1绪论
随着城市化进程的加快,公共交通作为城市的基础设施之一,仍然是绝大多数出行者的首选交通方式。
为使得人们特别是为外来旅游、出差、就医、求职等急需了解本地的公交路线的人提供高效、方便、快捷的公交系统,让他们得到自己所需要的各种相关信息,以便减少各种可能产生不必要的交通流量,提高公交的运作效率，公交自动报站系统便应运而生。
在计算机还未普及之前公交车报站管理都是由工作人员人工报站的方式来操作的。
随着社会的进步和计算机科学的迅速发展，便有了公交车自动报站系统的出现。
公交应用系统带给公交企业的将不仅是形象的提升，也是效益的增长。
1.1课题研究的意义及背景
公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。
传统由乘务人员人工报站，该方式因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。
近年来，随着科学技术的日益发展和进步，微型计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。
在声学领域，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得汽车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化的服务。
鉴于传统公交车报站系统的不足之处，结合公交车辆的使用特点及实际营运环境，设计了一种由单片机控制的公交车自动报站系统。
现今社会，公交事业关乎到大多数城市居民的出行，可公交车上的传统的人工按键报站依然无法满足大家对其的要求。
主要表现为：
（1）报站不准确:
由于司机在操作报站系统时经常会按错键或忘记按键，而且在调整系统时会连续报出几个站点，让不熟悉路线站点的乘客不知所措。
（2）安全隐患:
每次报站时都需要由驾驶员对报站器进行操作，而在车辆起动与进站时，往往是路面情况最复杂的时候，驾驶员既要对行驶中的汽车进行起动或制动等操作，同时还要兼顾报站系统的操作，给行驶中的车辆带来一定的安全隐患。
公交车自动报站器的设计主要是为了弥补改变传统语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，为市民提供更人性化，更完善的服务。
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。
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。
目前公交车报站有三种方式，一种是利用GPS全球卫星定位系统的公交车报站系统，在司机座位后面隔板上，安装了一台15英寸的液晶电视和GPS信号接收器，安装了这套设备后，公交车在语音报站的同时，通过液晶电视还可以显示到站站名的字幕，这样如果没听清报站的话，通过显示屏，乘客也可以一目了然。
当出现紧急情况时，调度中心将会给公交车发出相应的信息，以短信的形式传送到显示屏上，同时车载台会发出相应的提示音；驾驶员也可以通过相应的工具进行回复。
目前在美国部分城市GPS卫星定位系统已经投入使用，国内也有此类产品的研制开发，其功能强大，系统稳定，但其投资昂贵，尤其是一些中小城市无法承受。
另外两种是手动电子报站和人工报站的方式，而它们都离不开司务人员，加大司乘人员的工作强度。
手动电子报站一般有司机或者乘务员控制，经常出现错报，误报的情况。
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，亦是不断追求的目标。
1.3设计的主要目标任务
本课题要求设计一公交车自动报站系统，不同公交线路的站名的输入和更换。
可以完整地播报一条公交线路的站名。
使用本系统可以进行语音播报，使报站器更人性化。
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LED点阵电路进行汉字显示。
本设计要求利用AT89C51作为主控芯片完成主控电路的设计，辅助电路要求包括语音电路、汉字点阵显示电路、电源电路等。
2方案的选择与论证
公交车自动报站系统的设计主要是对里程计数来控制报站时刻，进站、出站自动播报站名及服务用语，准确、及时、完全不需要人工介入。
本章介绍了一种方案，并将其进行论证，然后确定选用此方案。
2.1方案
公交车站自动报站器的设计，对车轮轴的转角的脉冲进行计数，将计数值与预置值对比，即可确定报站时刻，达到准确自动的目的。
以AT89C51为主控芯片，对外来脉冲计数，结合语音芯片ISD4004输出语音。
系统由脉冲检测、脉冲计数、CPU控制、控制信号、语音芯片、输出显示等组成。
原理框图如图2－1所示。
图2－1原理框图
（1）脉冲检测：
该系统关键是对转轴所转过的圈数进行计数，考虑到车辆将在复杂的环境中运行，故采用可靠的霍尔元件DN6848作为信号的采集装置，再经光电耦合器4N25输入给单片机。
（2）脉冲计数：
光电耦合器的信号进入C51后，采用中断方式对脉冲计数。
外部晶振12MHz。
（3）CPU控制：
程序中将计数值于预置值进行比较，判断是否到站，当到站时就输出信号控制语言芯片进行报站。
（4）控制按键：
用于手动控制、手动调整、预置值的输入等
（5）语言芯片：
由专用语音芯片ISD4004组成，可擦写，便于在不同公交线上使用。
（6）输出显示：
LED点阵汉字显示。
（7）预置存储：
采用两种方式存储，一种是在烧写器上将数据写入，另一种是在车上，单片机处于输入状态，车辆行驶一遍，将站与站之间的脉冲数写入片内。
3硬件电路的设计
公交车报站系统主要由四个部分组成，即主控电路、脉冲检测电路、语音电路以及LED点阵汉字显示电路。
各部分电路的设计在本章中做了详细的说明。
3.1主控电路的设计
3.1.1关于AT89C51单片机
AT89C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位中央处理单元（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AT89C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3－1AT89C单片机的结构框图
3.1.1.1主要性能
（1）与MCS-51兼容
（2）4K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
（5）128*8位内部RAM
（6）32可编程I/O线
（7）两个16位定时器/计数器
（8）6个中断源
（9）可编程串行通道
（10）片内振荡器和时钟电路
3.1.1.2引脚功能说明
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。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.1.2振荡器电路的设计
89系列单片机的内部振荡器电路如图3－3所示。
可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，如图3－5示，此方法称为内部方式。
另一种使用方法如图3－4示，由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端浮空。
在组成一个单片机应用系统时，多数采用图3－5所示的方法，这种方式的结构紧凑，成本低廉，可靠性高。
振荡器的等效电路如图3－5上部所示。
在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，如果用高质的晶振，则不管频率为多少，C1，C2通常都选择30pF。
使用陶瓷振荡器，则电容C1，C2的值取47pF。
图3－3AT89C51单片机内部振荡器电路
图3－4外部时钟接法
图3－5片内振荡器等效电路
通常，在单片机中对所使用的振荡晶体的参数要求如下：
ESR（等效串联电阻）：
根据所需频率按图3－6选取。
C0（并联电容）：
最大7.0pF。
CL（负载电容）：
30pF+3pF。
图3－6ESR与频率的关系曲线
在本设计中，采用的是内部方式，即如图3－5所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个12MHZ的晶振及两个47pF的电容组成。
3.1.3复位电路的设计
89系列单片机与其他微处理器一样，在启动的时候都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。
复位时序如图3－7所示，因外部的复位信号是与内部时钟异步的，所以在每个机器周期的S5P2都对RST引脚上的状态采样。
当在RST端采样到“1”信号且该信号维持19个振荡周期以后，将ALE和/PSEN接成高电平，使器件复位。
在RST端电压变低后，经过1-2个机器周期后退出复位状态，重新启动时钟，并恢复ALE和/PSEN的状态。
图3－7内部复位定时时序
3.1.3.1手动复位
手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。
由于人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，保证能满足复位的时间要求。
手动复位的电路如图3－8所示。
图3－8手动复位电路
3.1.3.2上电复位
AT89C51的上电复位电路如图3－9所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1uF。
上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。
在图3－8的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器PC中将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
图3－9上电复位电路
3.1.3.3复位后寄存器的状态
当系统复位时，内部寄存器的状态如表3－1所列，即在SFRS中，除了端口锁存器、堆栈指针SP和串行口的SBUF外，其余的寄存器全部清0，端口锁存器的复位值为0FFH，堆栈指针值为07H，SBUF内为不定值。
内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时，RAM的内容是不定的。
表3－1各特殊功能寄存器的复位值
专用寄存器
复位值
专用寄存器
复位值
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
DPTR
0000H
P0-P3
FFH
IP
×××00000B
IE
0××00000B
TMOD
00H
TH0
00H
TL0
00H
TH1
00H
TL1
00H
SCON
00H
SBUF
不定
PCON（CHMOS）
0×××0000B
在本设计中复位电路采用的是上电复位，即如图3－9所示。
3.1.4电压变换电路的设计
公交车上所使用的电源电压为24V，而AT89C51芯片的工作电压为5V，所以需要将24V的电压转换成5V电压。
设计中采用了三端固定正电压集成稳压器7805，来得到+5V稳定电压。
电压变换电路如图3－10所示。
集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。
由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。
常用的集成稳压器有：
金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。
在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。
78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。
它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。
根据输出电流值的不同，选用不同系列的芯片，当电流小于100mA时，可以选用78L00系列；当电流在0.5A以内时，可选用78M00系列；当电流在1.5A以内，应选用7800系列的芯片。
7805的最大输出电流为1.5A。
图3－10电压变换电路
3.2脉冲检测电路的设计
3.2.1霍尔器件简介
3.2.1.1霍尔器件的分类
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基础。
霍尔器件具有许多优点，她们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（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℃。
按照霍尔器件的功能，可将它们分为霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后
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