基于单片机的自动导游系统设计1本科毕设论文.docx
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基于单片机的自动导游系统设计1本科毕设论文
河南科技学院
本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于单片机的自动导游系统设计
摘要
电子导游机最开始时是一种半自动化系统，它的功能只是把景点信息以语音文件格式存储在导游机里，一般通过键盘直接键入景点代码，选择播放。
全自动化的电子导游系统，它在景点先安放无线发射模块，这些发射模块可以控制工作范围，这样在各个景点就有不同的编码信号。
游客到达景区某个景点后，游客手上的导游机会自动接收编码信号，经过解码后，由控制中心控制语音播放即可。
当有紧急事件是有GSM模块发送信号通知。
系统电子导游机的硬件采用51系列的单片机作为控制中心，语音模块miniC-A101FS进行语音播放，编解码芯片SC2262／SC2272进行无线收发信号的编解码，GSM模块使用TC35i模块进行紧急拨号。
关键字：
电子导游；单片机；编解码芯片；串口语音模块；GSM模块；
Abstract
Moste-startguidemachineisasemiautomatedsystem,itsfunctionistospotavoicefileformatinformationstoredintheguideunit,thegeneralattractionsthroughthekeyboardbytypingthecode,selectPlay.TouristsinthisarticleguidesthehandsoftheelectroniccontrolunitusingtheserialportvoicemoduleminiC-A100FS,microcontroller51usingmoregenericAT89C51MCUasasystemofcontrolprocessingunit,codecchipSC2262/SC2272andtheGSMmoduleTC35imodule.Electronicguideautomationsystem,whichplacedfirstinspotradiotransmittermodule,thetransmittermodulecancontrolthescopeofwork,sotherearedifferentspotsineachcodedsignal.Visitorsreachtheattractions,visitorsguidethehandsoftheopportunitytoautomaticallyreceiveencodedsignals,afterdecodingbythecontrolcentercancontroltheaudioplayback.WhenanemergencyistosendsignalstotheGSMmodule.
Keyword：
Electronicguide；Single-chip；Codecchip；Serialportvoicemodule；GSMmodule
1绪论
1.1设计的意义和发展趋势
改革开放以来，伴随着中国旅游业的高速发展，我国旅行社行业发生了巨大的变化，特别是近十年来，行业规模不断扩大，从业人员不断增加，经营体制不断创新，经营环境不断改善，旅行社行业已经成为我国拉动经济增长、扩大就业渠道的重要的服务行业之一。
而随着越来越多的把旅游当作节假日的一种休闲方式，而有些问题也随之产生，如导游人员的缺乏及其素质不高，加之大批喜欢独立自由的旅游者的出现，这些促使了电子导游系统的产生。
导游系统刚开始发展时间是一种半自动的系统，功能是把景点信息以语音文件格式存储在导游机里，一般通过键盘直接键入景点代码，选择播放。
这种类型的导游机，缺点是要输入景点代码，很不方便。
发展到现在，出现了全自动化的导游机，它在景点先安放无线发射模块，这些发射模块可以控制工作范围，这样在各个景点就有不同的编码信号。
游客到达景点后，游客手上的导游机会自动接收编码信号，经过解码后，由控制中心控制语音播放即可。
电子导游相比较与人工导游方面，人工导游的的全职导游的减少，以及大量自由旅游者的出现和旅游电子商务的迅速普及等等，导致了人工导游职业的困难加大。
这就造成了电子导游的迅速发展，解决了无导游讲解看不懂景点，不再走马观花，获得更高的旅游质量，而且旅游期间自由旅游者喜欢时间和路线自己做主，自己决定何时出发，何时休息，走哪条线路，在哪里停留，欣赏喜欢的风景。
而且当前市场上的电子导游通常都是只进行景点的语音播放，当旅行者在景区旅游碰到各种事故时，景区不能实时掌控，比如：
语音播放出现故障；查找别的景区；迷路等。
电子导游系统是一种旅游讲解专用设备，它可以把景区和陈列展示的物品图文并茂的表现出来，使观众在边看边听中，汲取知识，了解内涵，享受文化。
许多游客和参观人士，在游览和观赏过程中，由于不了解景物和展品丰富的文化内涵，对众多本该驻足观赏、细细品味的人文、历史景观等往往是走马观花、视而不见！
造成了旅游资源的极大浪费。
既来之，则观之，赏之、品之、思之，这才是游览观赏的价值所在！
景点和物品配置电子导游机系统后，游客们可以充分了解观赏对象深厚的文化底蕴。
睹物思情、浮想联翩，景点、展品的丰富内涵在讲解中得到了升华。
使游客如痴如醉，游而忘返。
使用电子导游系统可以有效配置人力资源。
由于讲解人员有限，特别是外语讲解，很难为每位游客提供规范如一的讲解服务，电子导游机系统为散客和外国游客的参观提供了便利。
更加为了那些自由旅游者提供了良好的条件。
1.2设计的要求
本系统的主要要求为：
（1）单片机实现对MP3存储电路的控制，实现相应的语音播放。
（2）景点标签自动识别电路。
（3）GSM紧急拨号系统。
基于以上的设计要求本系统需要单片机，语音播放模块，无线收发模块，GSM模块。
2模块选择
2.1AT89C51单片机
图1AT89C51管脚图
AT89C51单片机是一种低功耗/低电压/高性能的8位单片机。
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[1]。
使用C语言编程可以实现丰富的功能，在仿真环境上也可以很好地体现出本设计欲达到的效果，功能强大。
本设计以AT89C51作为单片机。
由于本课题属于小型项目，信息处理量不大，采用其他类型单片机进行设计存在成本高，开发过程复杂等各种情况，而且本系统的设计并不能发挥出这些类型单片机芯片的各种强大功能。
基于以上优点的分析以及AT89C51的功能强大、价格低廉，我选择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很好的实现各种功能[2]。
AT89C51的管脚图图上图1所示。
AT89C51管脚功能如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
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，如下表所示：
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。
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。
AT89C51单片机的时钟电路可以由三种方式构成，即内部时钟方式、有源晶振方式和外部时钟信号方式。
本系统为内部时钟方式，即采用外接晶振和电容组成的并联谐振电路[3]。
2.2射频发射接收模块
2.2.1射频发射模块F05P
F05P具有体积小、低功耗发射；声表稳频；无数据是发射电流为零；较宽的电压工作范围。
性能参数：
发射频率:
315MHz433MHz
频率稳定:
10[声表稳频]
工作电压:
DC+3V--12V
调制方式:
ASK
发射电流:
2--10mA
外形尺寸:
9×21×5mm（宽X长X厚）
发射功率:
10mW
工作温度:
-40℃--+60℃
传输速率:
<10Kbps
F05P的引脚功能：
1--正电源（3--12V）
2--地
3--数据信号输入（平时为高电平）
Y--外接天线
F05P在无数据输入时单片机必须为低电平状态。
F05P需要输入数据才能发射，数据信号停止，发射电流为零。
F05P对0.1-1ms的数据脉冲发射效果较理想，过宽过窄的脉冲会引起调制效率下降，过调制或调制不足使收发距离变近。
采用通用编码器SC2262，发射效果比单片机好，因为2262的数据无论怎么变但脉宽是不变的，即使出现一点突发性的外界干扰，解码器的宽容性也会解码输出高电平。
而单片机则会出现数据错误。
F05P应垂直安装在印板边部，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影晌而停振。
FO5P发射距离与输入信号，发射电压，电池容量，发射天线及发射环境有关。
在障碍区由于折射反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离，F05P最佳有效工作距离为100M左右。
2.2.2射频接收模块J04P
J04P具有小体积,特低功耗超再生接收模块；输出无噪声干扰；接收灵敏度高。
性能参数：
工作频率:
315MHz433MHz
灵敏度:
5uV
工作电压:
DC+3V（2.6--3.6V）
电路结构:
超再生
工作电流:
0.15--0.3mA
外形尺寸:
10×23×5mm（宽X长X厚）
调制带宽:
10K
工作温度:
-40℃--+60℃
输出电平:
TTL电平
引脚功能：
1--外接天线
2--数据输出端
3--数据反向输出（接收端）
4--工厂测试端（悬空）
5--地
6--正电源（DC+3V）
J04P内部具有放大整形电路，只适合数据信号的接收而不适合模拟信号。
J04P应按装在印板边部并离开周围器件5mm以上，要垂直于线路板，否则会引起频率偏移。
如果器件较多还必须注意地线布局合理，如果有晶振或其他信号源必须远离J04P，否则会引起很多无法排除的干扰致使接收电路无法正常工作。
J04P可外接天线提高接收灵敏度，天线长度不限。
2.3SC2262/2272编解码芯片
图2SC2262/SC2272管脚图
本次设计中之所以选择SC2272/SC2262：
编解码选通电路，具有良好的抗干扰性能；6路输出相互独立，并具有自锁功能;价格低、功耗小、单电阻振荡、适用电压范围宽等优点，外围电路简单，使用方便。
由于本系统应用于景区，环境相对复杂，新品的抗干扰性能一定要良好。
而且编解码芯片需要的外围电路较少，使用其他编解码芯片就会让系统变的更加复杂，所以它被广泛应用于外围电路较少的领域。
SC2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，工作电压范围2.6-15v，数据最多可达6位，地址码最多可达531441种，最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码。
SC2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
[4]编码芯片SC2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片SC2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，SC2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，SC2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于SC2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
发送端PT2262输出12位编码，高8位为地址，低4位为数据。
发送时以高位在前，低位在后的顺序逐次发送这12位码，其中地址码的逻辑状态为“0”，“1”，“悬空”，数据码的逻辑状态为“0”，“1”。
[5]接收端PT2272接收到的地址与自身设置的地址相同时，才将接收到的数据进行解码，并输出。
SC2262/SC2272的管脚图如上图2所示。
管脚功能如下：
A0-A5：
0-5码地址管脚。
SC2272通过检测这六条三态的管脚来确定bit0-bit5的编码波形。
每个管脚均分别可置为“0”、“1”或“f”（悬空）
A6-A11：
6-11码地址管脚或5-0数据输出管脚。
根据SC2272的规格不同，这六条管脚即可作为高位码地址管脚，也可作为数据输出管脚。
当这些管脚作为码地址管脚使用时，每个管脚可分别置为“0”、“1”或“f”（悬空）。
当作为数据输出管脚使用时，在同时符和以下两个条件的前提下，输出为“1”（Vcc）,否则为“0”（Vss）。
（1）所接受的地址码波形与码地址输入端的设置匹配；相应位接收到的数据输出置为“1”。
Din：
数据输入管脚，接收到的编码信号由此脚串行输入。
OSC1：
振荡器第一外接点。
OSC2：
振荡器第二外接点，此二端外接一个电阻，以确定SC2272的基本振荡频率。
VT：
有效传输确认，高电平有效。
当SC2272收到有效信号时，VT变为高电平。
由于SC2272与SC2262要完成整体的收发，需要两者匹配。
即是，SC2262完成发射，送出当前的地址码和数据位数据。
[6]当SC2272的当前地址与SC2262地址一致时，并接收到2帧以上SC2262发出的串行码，SC2272才开始接收SC2262送来的数据。
为保证SC2272接收到SC2262两帧以上的串行码，SC2272的振荡频率要与SC2262的振荡频率相匹配。
最佳的匹配振荡频率是SC2272是SC2262的两倍。
这样才能完成整个无线信号的收发[7]。
2.4语音播放模块miniC-A101FS
miniC-A101FS是串口控制的语音模块，使用简单，扩展灵活且性能高。
它是由点创科技开发的miniC-A101FS系列长时间语音模块,是一款功能强大,性能稳定带MP3解码功能的语音模块，该模块不仅提供丰富的串口命令用于控制语音模块播放，还可以向上位机提供查询命令。
其特性如下：
高品质MP3立体声播放；支持MPEG1／2／2.5layer3的MP3格式播放；支持FAT16、FAT32文件系统；支持支持USB2.0，通过USB接口更新音乐；支持上位机串口控制功能；提供复位引脚；支持Flash容量范围：
0～1024MB；支持SD卡，容量范围16M～1G；本语音模块通过上位机发指令控制本模块内语音播放,可以灵活指令某首歌曲的播放；功能灵活，可播放指定曲目,读取配置文件等。
而且在9脚、10脚之间可以外接按键电路控制语音的音量大小[9]。
作为MP3播放的miniC-A101FS语音播放模块支持异步串口通信方式，可以通过串口接收上位机的命令。
主控芯片的命令采用串口方式输出至MP3播放模块，从而控制音乐播放[10]。
语音播放模块miniC-A101FS的管脚图如下图3所示：
图3语音播放模块miniC-A101FS管脚图
语音播放模块miniC-A101FS的主要管脚功能如下表1所示：
表1miniC-A101FS的主要管脚功能
引脚名称
管脚号
功能
ACK
5
低电平：
playing；高电平：
STOP
RXD
6
串行数据输入
TXD
7
串行数据输出
RESET
23
复位
Vcc
30
USB接口；上位机串口控制
VIN
22
工作电压
AGND
27
模拟地信号
3系统结构框图
根据设计要求，系统整体电路包括AT89C51，无线收发模块，编解码电路及语音播放模块，GSM通信模块部分。
系统整体框图如下图4所示：
图4系统整体电路框图
3.1发送电路
图5发射电路
该电路采用无线发送，通过SC2262编码信号进行发送信号，最后通过电路外围的天线发射出去，工作距离可通过天线的长短和工作电压的高低来调节。
由于本系统用于景区的发射，发射芯片要一直工作，而且景区内的景点不用发送的地址也不能相同，如下图发射电路所示的A8，A9，A10，A11脚接开关控制发射地址码和数据，VT脚就一直处于发送状态[11]。
由于SC2262的外接震荡电阻要与SC2272相匹配，所以OSC1和OSC2的电阻选用1.2MHz，SC2272选用外接震荡电阻200K[12]。
由于在景区的景点比较多，本系统假设有景点9个,那么系统就需要SC2262在不同的景点分别设置9个不同的发射地址，发射地址的改变通过发射电路图的K2、K3、K4、K5按键改变，按照不同的按键组合，一共可以有16种不同的地址编码，而本系统只需要用到9个。
设置地址码的原则是：
同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分,至于设置什么样的地址码完全随不同使用者的需要而改变[13]。
而本系统可以设置16个地址。
具体的发射电路如图5所示：
3.2接收电路
当接收到射频信号时，直接通过接收器将接收到的信号送至SC2272解码，SC2272对从Din端子送入的信号进行解码。
所送入的编码波形被译成字码，它含有码地址位，数据位和同步位，解码出来的地址码以及数据送入单片机控制语音播放。
本系统主要通过SC2272的10、11、12、13脚输出的地址码送入单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口进行控制语音播放。
而SC2272做以下动作：
1、当解码得到有“1”数据时，驱动相应的数据输出端为高电平[15]。
2、驱动VT输出为高电平，将此信号送反相器取反后，触发中断INT1。
而且本系统通过74LS04的A4脚的高低电平控制Y4脚的输出来进行单片机的复位操作。
具体的接收电路如图6所示：
图6接收电路
3.3语音播放电路
当接收的地址编码通过SC2272解码出来以后，送入单片机的4个P口，通过串口RXD、TXD向语音播放模块发送指令（0～15的地址码），控制语音播放模块里面对应的0～15的景点介绍。
通过单片机接收从SC2272输出的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3的地址编码控制语音芯片相对应的景点，语音播放模块开始播放相应景点的语音介绍。
而且通过SC2272输出的VT脚的高电平，将VT脚的高电平送反相器取反后，74LS04的Y1脚就会输出低电平，触发中断INT1，通过中断控制子程序控制单片机不用再次扫描[17]。
单片机的复位和语音播放模块的复位连在一起，当K1闭合时，74LS04的A4脚就输入低电平，Y4脚输出就为高电平，让RST管脚保持高电平（通常0.7Vcc以上电压）维持至少两个机器时钟，就会让单片机复位，之后RST管脚恢复为低电平。
语音播放芯片miniC-A100FS的复位与单片机的相反，可以用同一个复位电路，闭合开关K1，语音芯片的RESET
图7语音播放电路
脚就为低电平，芯片开始工作，反之不管单片机有无数据，语音芯片都会停止工作，而且此复位电路的复位逻辑稳定、可靠。
而且本系统只会播放一次，不能重复播放同一景点两次[18]。
语音的播放驱动电路通过LM386进行驱动喇叭进行语音的播放。
如上图7所示：
3.4GSM模块
3.4.1GSM模块电路
TC35应用非常广泛，使用人数更多，资料介绍比较全面详细。
网络上也有很多电子爱好者、工程师对TC35i比较感兴趣，讨论的话题比较多，更有很多调试笔记等可以参考。
而且采用TC35i作为信息传输、控制的系统越来越成熟，因此我们考虑选用该模块，这样风险较小，成功率较高，遇到问题方便解决。
图8T35的外围接口电路
TC35是SIEMENS公司推出的GSM专用调制解调器，它可在GSM网中完成语音、数据、短消息以及传真的传送，TC35具有标准的工业接口和完整的SIM卡阅读器，因此使用非常简单，它提供的命令接口符合GSM0705和GSM0707规范，并提供RS232数据口，模块和单片机接口通过40针数据电缆相连接。
TC35模块有40个引脚，通过一个ZIF（ZeroInsertionForce，零阻力插座）连接器引出。
这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。
可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真。
TC35i模块的工作电压为3.3—5.5V。
模块有AT命令集接口[19]。
此外，该模块常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。
通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。
通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。
TC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
作为TC35i的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。
TC35模块的第1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第6～10引脚是电源接地。
11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压（共外电路使用），14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。
15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1ms[20]。
16～23为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。
tc35模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS232接口标准。
它有固定的参数：
8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps~115kbps之间可选，默认9600。
硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。
其中18脚RxD0、19脚TXD0为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。
TC35使用外接式SIM卡，24～29为SIM卡引脚。
TC35的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。
30、31、32脚为控制脚，其中30为RTCbackup，31为Powerdown，32为SYNC。
35～38为语音接口，35、36接扬声器放音。
37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）。
由于电源电压要求为+5.0V±5%（即+4.75V~+5.25V），因此模块引脚1、引脚2，引脚3均接系统的+5V电源。
由于该模块无需初始化，上电后模块即可自动接收和发送定位数据，故不需要对其进行控制操作，即系统不必
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