精品基于蓝牙的无线语音安全提示系统的研究本科毕业论文设计.docx
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精品基于蓝牙的无线语音安全提示系统的研究本科毕业论文设计
本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统的研究
摘要III
AbstractIV
第一章绪论1
1.1背景分析1
1.2课题意义1
1.3技术现状2
第二章相关技术3
2.1MCS-51单片机系统3
2.1.1MCS-51单片机硬件结构3
2.1.2本设计中涉及到的主要通信技术5
2.1.3本设计中涉及到的主要单片机技术7
2.1.4软件编程技术11
2.2蓝牙技术11
2.2.1蓝牙系统基本结构11
2.2.2蓝牙网络连接13
2.2.3蓝牙协议14
第三章系统总体设计16
3.1系统功能及配置16
3.1.1系统功能16
3.1.2系统配置16
3.2系统硬件结构17
3.3系统总体流程19
第四章模块设计与实现21
4.1通信模块的设计与实现21
4.1.1底层通信平台实现21
4.1.2高层通信软件设计22
4.2蓝牙模块的设计与实现23
4.2.1蓝牙模块接线23
4.2.2蓝牙模块在单片机之间的应用23
4.3语音模块的设计与实现24
4.3.1WTV020-SD模块简介24
第五章系统测试与应用28
5.1系统测试及性能分析28
5.1.1系统测试28
5.1.2性能分析28
5.2系统特点及优势29
5.3系统应用30
5.3.1收费站应用30
5.3.2加油站应用30
5.3.3十字路口应用30
5.3.4学校门口应用30
5.3.5雨雾天气应用30
5.3.6家庭厨房应用31
5.3.7公交车、火车站应用31
5.3.8工业基地应用31
第六章结束语32
参考文献33
致谢34
附录a核心代码清单35
附录B实物照片40
基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统的研究
摘要
随着经济的发展，人们的生活质量日益提高，人们对生活就有了更高的要求，各个家庭、企事业单位以及大型的公共场所都装有品种繁多的电器用具。
但是，由于私家车的数量的日益增多，盲人群体生活的不便捷，以及许多电器和生活必需品都存在多多少少的安全隐患，这些都对社会安全构成了威胁。
例如，在家庭中，由于人们的疏忽忘记了关闭煤气，这样的事情很多，轻则伤身，重则丧命，从而带来人间的悲剧。
当一些企事业单位或商场发生火灾的时候，又没有人注意到，时间长了就会引起严重的后果。
私家车增多，许多驾驶员对复杂的道路信息或路标不熟悉，很有可能会引发一些交通事故，而目前道路信息的提示主要依靠公路边的路牌，若遇到阴雨或大雾天气，这些路牌的能见度就会大大降低，所以可能使驾驶员错过一些重要的道路信息，带来不必要的麻烦。
盲人群体由于视觉上的障碍也时有危险的事件发生。
本文将单片机技术和蓝牙无线通信技术相结合，设计了一个基于蓝牙技术的安全提示系统，应用非常广泛，该系统由两部分组成，一部分是安全提示点，用来给携带了另一个系统的人发送危险提示信号；另一部分是接收安全提示点发来的信号且选择事先存好的语音信息，然后用语音的形式播放出来。
本文首先介绍了该系统的背景和研究意义，其次简单介绍与其相关的技术，再次提出本系统的总体设计思想，最后分模块来介绍本系统的设计和实现过程。
本文中实现的系统模型为道路信息提示提供了一套可行的解决方案，随着系统功能的不断完善和扩展，基于蓝牙技术的安全提示系统必将得到广泛的应用和肯定。
关键词：
蓝牙，单片机技术，无线通信
SAFETYREMINDINGSYSTEMBASEDONBLUETOOTH
Abstract
Withthedevelopmentoftheeconomyandtheimprovementofpeople’slivingstandard,people’srequirementoflifehaveincreased,sofamilies,enterprises,institutionsandpublicplacesareequippedwithawidevarietyofelectricalappliance.Whilethenumberofprivatecarsisincreasing,theinconvenienceoftheblind,what’smore,theappliancesandnecessitiesareunsafetosomedegree,thestateofaffairsabovehavethreatenthesafetyofoursociety.Infamilies,peopleforgetclosingofthegasbecauseofnegligence,suchsituationsareverycommon.Lightly,theyarepernicioustohealth,seriously,theywillkillpeople,thusbringtragedytopeople.Whensomeinstitutionsorstorescatchfire,andnoonenoticethat,inthelongrunitwillcauseseriousconsequences.Thenumbersofprivatecarshasincreased,manydriversarenotfamiliarwiththecomplexityoftheroadinformationorsigns,theyarelikelytocausesometrafficaccidents,whilethetipreliesmainlyontheinformationonthehighwaysidesofthesignpostcurrently,ifitisrainyorfoggy,thesesignswillbegreatlyreducedvisibility,whichcouldmakethedriversmisssomeimportantinformationandcauseunnecessarytrouble.Thedangersareoftenhappentotheblindbecauseofvisuallyimpaired.
Thispapercombinethesinglechipmicrocomputerwithbluetoothwirelesscommunicationtechnology,anddesignasafetyremindingsystembasedonbluetooth,technology,whichiswidelyapplied,thissystemisconsistsoftwoparts,oneissafetyremindingusedtogivehintsofanothersystemwhichcarriestherisk,Theotherpartisreceivingsafetyremindingandchoosethevoiceinformationwhichhasbeenstoredinadvance,thenitwillbroadcastit.
Firstly,thispaperthebackgroundandthestudyingsignificanceofthesystem,secondly,itgivesabriefintroductionandsometechnologyinvolved,thirdlythepaperputsforwardthedesignconceptofthesystem,finallyitintroducetheprocessofthedesignandrealizeofthesysteminmodule.
Themodelofthesystemrealizedinthepapersupportaseriousoffeasibleprogramfortheinformationremindingofroads.Withtheconsummatementandexpandingofthesystem’sfunction.Thesafetyremindingsystembasedonbuetoothtechnologywillbewidelyusedandobtainpeople’sapproval.
Keywords:
Bluetooth,STC89C51SingleChipComputer,WirelessCommunication
第一章绪论
1.1背景分析
随着中国公路和交通事业的蓬勃发展，中国的公路网规模在不断的扩大，公路网不断变得密集，据中国交通部权威人士介绍，2020年前中国公路仍将处于较快的发展阶段，仍将进行全球最大规模的路网建设。
根据规划，到2020年，中国公路网总里程将达到300万km。
除此之外，中国城市的交通也由平面向立体化发展，立交桥盘旋交错。
如此复杂和密集的交通网，将会给驾驶员的驾驶带来很大的挑战，很多驾驶员会因为对道路的不熟悉带来很多不必要的麻烦。
由于车辆不断增多，公路不断变得复杂，许多驾驶员都是非专业驾驶员，由于一些驾驶员对道路信息的不熟悉，导致行驶到岔路口的时候就会减速，从而影响了后面的车辆，还有可能造成交通事故；也可能由于人们的疏忽、精力不集中没有看清楚交通要道设立的提示路牌和警示语，如果这些提示语是关于前面路段的危险情况，那么就很可能造成事故的发生；再者如果遇到阴雨或大雾天气，此类路牌的能见度比较低，就削弱了它们原有的作用；另一方面，驾驶员可能对某些路牌和路标不能正确的理解，造成误导，从而引发严重的后果。
因此我们提出了一个新型的解决此类问题的方案——基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统。
1.2课题意义
为了解决目前道路信息提示工具的缺陷以及生活中存在的各方面安全隐患，我们融合单片机技术和蓝牙无线通信技术，提出并设计了一种基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统。
本系统不受阴雨或大雾天气的影响，即使再恶劣的天气，驾驶员也能够得到可靠的道路信息。
另外通过图标与语音相结合的方式，能够使驾驶员充分了解道路状况，避免误解。
本系统解决了一个非常明显的社会问题，相信随着系统性能的不断优化和功能的不断扩展，定会有非常广泛的应用前景。
蓝牙技术是近年来发展迅速的短距离无线通信技术, 可以用来替代数字设备间短距离的有线电缆连接。
利用蓝牙技术构建数据采集无线传输模块, 与传统的电线或红外方式传输测控数据相比，蓝牙系统因采用了跳频扩频技术, 故可以有效地提高数据传输的安全性和抗干扰能力。
无须铺设线缆, 降低了环境改造成本, 方便了数据采集人员的工作。
可以从各个角度进行测控数据的传输, 可以实现多个测控仪器设备间的连网, 便于进行集中监测与控制。
1.3技术现状
本系统融入了单片机技术和蓝牙无线通信技术。
MCS-51单片机应用领域非常广泛，已经渗透到我们生活中的点点滴滴，技术也非常成熟。
如今单片微型计算机发生了巨大的变化，归纳起来有：
1.单片机在片ROM应用技术得到发展。
目前单片机已广泛使用在片存储器技术，最广泛应用的是Otprom、Flasrom及Maskrom，提供了在线编程（ISP）和在应用可编程（IAP）技术，使系统开发技术更趋于方便、高效。
2.全盘COMS化。
COMS电路具有工作电压范围宽、极佳的本质、低功耗及功耗管理特性，因此已成为目前单片机及外围器件流行的半导体工艺。
3.以串行方式为主的外围扩展技术得到发展。
当前单片机外围器件普遍提供了扩展方便，灵活、电路系统简单的串行扩展方式。
目前，蓝牙技术也日趋成熟，被广泛的运用到各种无线网络中。
第二章相关技术
本章介绍系统采用的主要相关技术。
首先介绍MCS-51单片机系统，包括MCS-51单片机的硬件和软件编程技术；接着介绍本设计用到的蓝牙模块的基本结构、基本功能、无线通信技术等。
2.1MCS-51单片机系统
在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。
单片机实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。
另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。
单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。
从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。
2.1.1MCS-51单片机硬件结构[9]
（
）单片机的引脚功能
1）主电源引脚Vcc和Vss
2）时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1和XTAL2分别用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端。
在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。
3）控制信号引脚
RST为复位信号输入端；VPD为内部RAM的备用电源输入端；PSEN外部程序存储器的读选通信号；ALE地址锁存允许信号。
4）P0、P1、P2、P3端口
⏹P0口（P0.0～P0.7）
第一功能：
是一个8位漏极开路型的双向I/O口，这时P0口可看成用户数据总线；第二功能：
是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址和8位双向数据总线，这时先用做地址总线再用做数据总线。
⏹P1口（P1.0～P1.7）
内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。
⏹P2口（P2.0～P2.7）
第一功能：
一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。
第二功能：
在访问外部存储器时，输出高8位地址。
⏹P3口（P3.0～P3.7）
第一功能：
内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。
在系统中，这8个引脚都有各自的第二功能。
（
）单片机的内部结构
1）一个8位CPU；
2）4KB程序存储器，采用ROM或EPROM（8031无ROM）；
3）通用数据存储器；
4）21个特殊功能寄存器（SFR）；
5）4个8位并行口，其中P0、P2、P3是复用口；
6）具有5个中断源，两个优先级嵌套结构；
7）两个16位定时/计数器；
8）一个片内振荡器与时钟电路。
图2.1单片机内部结构示意图
2.1.2本设计中涉及到的主要通信技术
（
）计算机串行通信基础
随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。
计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。
通信有并行通信和串行通信两种方式。
在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。
计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。
可以分为两大类：
并行通信与串行通信。
（本设计用到的是串行通信，下面主要介绍串行通信）
⏹并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。
⏹串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。
图2.2串行数据传输示意图
串行通信的特点：
传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。
1）串行通信（异步通信与同步通信）
⏹异步通信
异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。
为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。
图2.3异步通信示意图
异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。
异步通信的数据格式：
图2.4异步通信格式示意图
异步通信的特点：
不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。
⏹同步通信
同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。
此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。
发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。
2）串行通信的传输方向
⏹单工
单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。
⏹半双工
半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。
⏹全双工
全双工是指数据可以同时进行双向传输。
单工半双工全双工
图2.5串行通传输示意图
说明：
本设计中用到的蓝牙模块就是全双工模式。
2.1.3本设计中涉及到的主要单片机技术
（1）80C51的串行口
1）80C51串行口的结构
有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H；接收器是双缓冲结构；发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误。
图2.680C51串行口的结构示意图
2）80C51串行口的控制寄存器SCON是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志：
表2.1SCON寄存器
SM0和SM1为工作方式选择位，可选择四种工作方式：
表2.2工作方式选择
●SM2，多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。
当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB8＝0时不激活RI，收到的信息丢弃；RB8＝1时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。
当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。
通过控制SM2，可以实现多机通信。
在方式0时，SM2必须是0。
在方式1时，若SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。
●REN，允许串行接收位。
由软件置REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。
●TB8，在方式2或方式3中，是发送数据的第九位，可以用软件规定其作用。
可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。
在方式0和方式1中，该位未用。
●RB8，在方式2或方式3中，是接收到数据的第九位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。
在方式1时，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。
●TI，发送中断标志位。
在方式0时，当串行发送第8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。
在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。
●RI，接收中断标志位。
在方式0时，当串行接收第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。
也必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请。
PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关：
表2.3PCON寄存器
SMOD（PCON.7）波特率倍增位。
在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。
复位时，SMOD=0。
3）80C51串行口的工作方式（方式1）
方式1是10位数据的异步通信口。
TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图所示。
其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。
图2.7异步通信传送帧示意图
⏹方式1输出
图2.8方式1输出示意图
⏹方式1输入
图2.9方式1输入示意图
用软件置REN为1时，接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。
接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。
当RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，将接收到的9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8，并置RI=1，向CPU请求中断。
4）波特率的计算
在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。
通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。
串行口的四种工作方式对应三种波特率。
由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。
方式0的波特率=fosc/12
方式2的波特率=（2SMOD/64）·fosc
方式1的波特率=（2SMOD/32）·（T1溢出率）
方式3的波特率=（2SMOD/32）·（T1溢出率）
当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以启动定时器）。
这时溢出率取决于TH1中的计数值。
T1溢出率=fosc/{12×[256－（TH1）]}
在单片机的应用中，常用的晶振频率为：
12MHz和11.0592MHz。
所以，选用的波特率也相对固定。
常用的串行口波特率以及各参数的关系如表所示。
表2.4常见比特率选择
串行口工作之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。
具体步骤如下：
▪确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）；
▪计算T1的初值，装载TH1、TL1；
▪启动T1（编程TCON中的TR1位）；
▪确定串行口控制（编程SCON寄存器）；
串行口在中断方式工作时，要进行中断设置（编程IE、IP寄存器）。
2.1.4软件编程技术
本系统所使用的编程软件是KEILC51，KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。
C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。
C51已被完全集成到uVision2的集成开发环中，这个集成开发环境包含：
编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。
而且可以实现C语言和汇编的混编，使用非常方便。
uVision2编辑器包含了所有用户熟悉的特性。
彩色语法显像和文件辩识都对C源代码进行和优化。
可以在编辑器内调试程序，它能提供一 种自然的调试环境，使你更快速地检查和修改程序。
uVision2允
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