公交车报站系统的设计.docx

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公交车报站系统的设计

公交车报站系统的设计

摘要

随着科学技术的日益发展和进步,无人售票公交车在街头多起来了，语音报站器也被广泛使用，这在相当大的程度上免除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。

本设计采用单片机SCT89C52作为控制核心，语音芯片ISD1700实现语音的存储和回放，LCD12864进行汉字显示，设计了公交车控制报站系统，实现了公交车站台语音播报、液晶显示和站台语音播报与液晶显示双重功能。

系统主要通过STC89C52单片机做为主芯片，启动LCD12864显示站名，同时应用语音模块播报站名。

整个系统硬件设计包括键盘控制模块、语音播报模块、液晶显示模块。

关键词　单片机；公交车报站；语音播站；液晶显示

Abstract

Alongwiththescienceandtechnologydevelopmentandprogress,unmannedbusinthestreetup,thevoicestopswerealsowidelyused,thistoagreatextentfromcrewofthestopsalongthewaytrouble,givemanynotfamiliarwiththebuslinespassengersbroughtconvenient.

ThisdesignUSESthemonolithicSCT89C52ascontrolcore,voicechipISD1700realizevoiceofstorageandplayback,LCD12864displayonChinesecharacter,designthebusstopscontrolsystem,realizethebusstationspeechbroadcast,liquidcrystaldisplayandplatformspeechbroadcastandliquidcrystaldisplaydoublefunction.

ThesystemmainlythroughSTC89C52microcontrollerdogiveprioritytochip,startLCD12864displayname,atthesametime,thenameofthepronunciationmodule.Thewholesystemhardwaredesignincludingthekeyboardcontrolmodule,speechbroadcastmodule,liquidcrystaldisplaymodule.

Keywords:

　MicrocontrollerBusstopssystemSpeechbroadcaststationLCDdisplay

1绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1公交车报站系统的发展、特点

随着科学技术的日益发展和进步,无人售票公交车在街头多起来了，语音报站器也被广泛使用，这在相当大的程度上免除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。

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。

该设计的创新之处在于它应用89C51单片机的高速计数器端口进行脉冲计数，以距离来控制报站时刻。

本系统功能强大，成本低，系统稳定，无需人工介入，语音音质好，很好的实现了车辆报站的自动化，具有很强的实用性。

此次设计的公交车自动报站器初始值存入的方式是在车上,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，该方式在公交车改变路线时便于修改。

系统选用ISD4004语音芯片，它的录音数据被存放方法是通过ISD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，从而提供高质量回放语音的保真度，使得该系统与其他语音报站系统相比较，语音质量较好。

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。

语音芯片已经逐渐替代了多种语音设备应用在各场合。

语音芯片主要特性是功耗低，抗干扰能力强，外围器件少，控制简单，语音保存时间久（某些语音芯片可以保存内容100年），掉电不丢失语音，部分芯片还可以重复擦写语音内容。

如汽车倒车雷达，公交车报站器，银行排队机、语音玩具、防盗系统等设备都装备了语音芯片。

1.1.2课题的发展前景

城市交通已成为人们外出时最为关注的事情。

公交车也成为城市交通中一道亮丽的风景。

公交车也为外出的人们提供了方便快捷的服务。

但是随着我国各大城市公交公司的人员精简，而且对公交运输也提出更高的要求。

各公交公司都在每辆公交车上只配备了一个司机，进行无人售票，为了公交系统的安全考虑，需要对自动化的公交语音报站系进一步完善。

因为公交车的报站方式直接影响到服务的质量和整个城市的整体面貌。

传统报站方式是由乘务人员进行人工报站，因方言或拥挤等情况，该方式工作强度太大其效果往往也太差。

虽然很多城市都使用最简单的智能语音播报系统。

但这些公交车报站系统仅停留在语音播报上，这给听力不好的旅客带来不便。

而有的公交车报站系统虽然有屏幕显示功能，但其中显示器基本上是采用LED大屏幕点阵列结构完成。

LED大屏幕要实现稳定显示需遵循动态扫描规律，存在着扫描驱动电路较为复杂，信号传输线多，抗干扰性能差等缺点。

由于液晶显示器具有低压微功耗，平板型结构，显示信息量大，易于彩色化，没有电磁辐射，寿命长等显著优点。

本设计包括硬件、软件两部分。

模块可划分为语音模块、LCD显示模块、时间显示模块。

电路结构可划分为ISD4004语音芯片、LCD12864液晶显示模块、单片机控制电路和时间显示模块。

本设计的核心模块是语音录音和放音过程，即AT89C52单片机。

单片机就是本设计的中心元件，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。

单片机应用系统也是由硬件和软件组成。

硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成系统，软件是各种工作程序的总称。

单片机应用系统的研制过程包括系统功能分析、硬件设计、软件设计等几个阶段。

处理器采用AT89C51单片机。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

由单片机发出型号，提取和放出语音提示语和站名信息。

把事先储存在单片机里面时间信息、文字信息提取出来并在液晶屏上显示出来。

2课题设计方案的原理

2.1方案的原理、特点与选择依据

2.1.1AT89C52单片机及模块选择

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。

系统的整体结构如图2.1所示。

图2.1系统的结构图

2.1.2CPU的比较与选择选择

1）单片机在系统中的作用

单片机就是单片计算机.一般我们使用的微型计算机核心是CPU,它要插在有外围支持电路的主板上,才能工作.他是通用计算机.它具有CPU和外围电路、有存储器（内存）,接口电路,和程序（软件），还有输入输出设备。

而单片机是将CPU、存储器、接口电路、和程序（软件）都集成在一片硅片上,就是一片电路就具备微型机的CPU+主板的功能。

所以叫单片机。

单片机有的内部不含存储器。

现在一般都含（本设计中的选择的80C51就含有存储器），有的已经固化好程序（各种遥控器中的片子就是），是专用计算机。

单片机一般没有显示器，键盘也只是数字键，没有复杂的键盘（也可以扩充显示器和键盘），现在单片机的功能越来越强，完全可以达到一台微机的部分功能。

现在一般人家里都有以单片机为CPU的电子产品，比如说电脑、MP3、手机等。

不同型号的单片机功能也不相同。

下节将对LPC2138单片机和80C51单片机进行比较。

2）LPC2138单片机介绍

LPC2131/2132/2138是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU，并带有32kB、64kB和512kB嵌入的高速Flash存储器。

128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

较小的封装和很低的功耗使LPC2131/2132/2138特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8/16/32kB的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。

多个32位定时器、1个或2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断。

ARM7TDMI-S是一个通用的32位微处理器，它可提供高性能和低功耗。

ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。

指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。

这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。

由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。

通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的独特的结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。

在THUMB后面一个关键的概念是“超精简指令集”。

ARM7TDMI-S处理器基本上具有两个指令集：

在THUMB后面一个关键的概念是“超精简指令集”。

采用嵌入式ARM的32位单片机LPC2138。

LPC2138功能庞大，内部资源丰富，易于数据的采集。

不但具有一般单片机的所有功能，还内置了PWM，具有很强的串行通信功能，引脚非常丰富，功耗低，稳定性好，易于功能扩展，其在线仿真技术软、硬件调试方便，但ARM制板成本较高，本设计未选用。

3）89C51介绍及其优缺点

89C51是依赖于程序,通过软件可以对程序进行修改。

通过不同的程序来实现不同的功能，采用微机程序可以实现高智能、效率高、可靠性高。

首先，以80C51为代表的单片机的基础地位不会动摇。

这是因为80C51的架构和指令系统为后来的单片机提供了参考基准和强大支持，只要学过80C51的人再去学用其他类型的单片机易于反掌，借梯子爬坡何乐而不为呢？

本设计也考虑到这一特点，从易到难。

这就是为什么在课堂上老师都以80C51的教材来进行教与学了。

其次，个性化的产品在满足用户需求方面得到了大家的认可；它们由于具有先天的优势，在80C51的基础上扬长避短，以用户需要为根本，在市场上受到了我们的欢迎。

其具体功能在本设计以后章节会做详细介绍，单片机最终选择根据上两小节的考虑，从经济、学习性等方面，最终选择了80C51单片机。

2.1.3显示模块的选择

本设计使用到了液晶显示模块，作为公交车报站系统中的重要模块对中文的站名显示，提示语和时间的显示。

带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

LCD12864液晶模块实物图如图2.2所示。

图2.2LCD12684实物图

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块目前市面上字符，其控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

实物图如图2.3所示

图2.3

方案的确立：

LCD12864是128*64，能显示8*4个汉字，因型号不同，有的带汉字库，本设计主要考虑到了这一点需求。

能显示图像效果，功能比1602强大，1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单，价格低，大约6块钱，而12864最少40块钱一块.最终选择了12864液晶模块。

2.1.4时钟芯片的选择

为了服务乘客，本设计有北京时间的显示，方便了乘客。

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS12887、PCF8485等。

这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。

本文介绍的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

采用普通32.768kHz晶振。

下文对DS1302和PCF8485进行比较。

1）DS1302芯片介绍

美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路DS1302的结构、工作原理及其在实时显示时间中的应用。

它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。

给出DS1302在读写中的C51程序及流程图，以及在调试过程中的注意事项。

　现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。

这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。

时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

采用普通32.768kHz晶振。

图3.4是DS1302的引脚图。

图3.4引脚图

2）PCF8485芯片介绍

PCF8563是一款低功耗的CMOS实时时钟／日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。

最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动增加。

下文介绍其特性。

低工作电流：

典型值为0.25μA（VDD=3.0V，Tamb=25℃时）；最大工作电压范围：

1.0～5.5V；低休眠电流；典型值为0.25μA（VDD=3.0V,Tamb=25℃）；400KHz的I2C总线接口（VDD=1.8～5.5V时）；可编程时钟输出频率为：

32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz；报警和定时器；掉电检测器；内部集成的振荡器电容；片内电源复位功能；I2C总线从地址：

读：

0A3H；写：

0A2H。

3）时钟芯片方案的确立

PCF8485芯片虽然更加精准，抗干扰性强，但是不如DS1302普及和方便，所以本文选择了DS1302作为时钟芯片。

3系统硬件电路设计

3.180C51单片机的设计

3.1.180C51单片机功能介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

图3.1为AT89C51结构图。

图3.1AT89c52结构图

AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中端口，3个16位可编程定时计数器，2个串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C51有PDIP、PQFP/TQEP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

3.1.289C51引脚图以及各引脚功能

VCC：

供电电压。

GND：

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8TTL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/地址的第八位。

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。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

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口作为AT89C51的一些特殊功能口，

管脚备选功能

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

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。

电路图如图3.2所示

图3.2

3.2语音模块电路设计

3.2.1语音电路的简介

与普通的录音/重放芯片相比,ISD4004具有如下特点:

首先,记录声音没有段长度限制,并且声音记录不需要A/D转换和压缩;其次,将快速闪存作为存储介质,无需电源即可保存数据长达100年,重复记录10000次以上;此外,ISD4004具有记录时间长（可达16分钟,本文采用的为8分钟的ISD4004语音芯片）的优点;最后,ISD4004的开发应用具有所需外围电路简单的优点,这一点从本文介绍的其在语音报站器中的实际应用可以体会到.

目前市场上流通的语音报站器,大多采用的不是ISD4004系列的芯片,这与其刚推出不久以及价格偏高有关.但随着ISD4004应用的增多以及价格的回落,再加上ISD4004系列芯片本身的优点,可以相信,在语音报站器中采用ISD4004系列语音芯片是完全可行的.笔者设计了该装置的硬件电路,并进行了上车调试,取得了较为满意的效果.单片8至16分钟语音录放　　,内置微控制器串行通信接口,3V单电源工作，多段信息处理，工作电流25-30mA,维持电流1μA，不耗电信息保存100年（典型值），高质量、自然的语音还原技术，10万次录音周期（典型值），自动静噪功能，片内免调整时钟,可选用外部时钟，ISD4004的型号见表3-1

表3-1ISD4004功能介绍

型号

时间

输入采样

典型带宽

最大段数

最小段长

外部钟频

ISD4004-08

8分钟

8.0kHz

3.4kHz

1200

200ms

1024.0kHz

ISD4004-10

10分钟

6.4kHz

2.7kHz

1200

250ms

819.2kHz

ISD4004-12

12分钟

5.3kHz

2.3kHz

1200

300ms

682.7kHz

ISD4004-16

16分钟

4.0kHz

1.7kHz

1200

400ms

512.0kHz

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

片内闪烁存贮器中,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,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年（典型值）,反复录音10万次。

3.2.2语音电路的设计

电源:

（VCCA,V