基于单片机的车站自动报站系统设计.docx
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基于单片机的车站自动报站系统设计
基于单片机的车站自动报站系统设计
摘要
公交车是城市发展不可或缺的一部分，并随着科技的进步，公交车的报站系统也得到了很大的改善。
本设计采用模块化设计了由单片机控制的公交车自动报站系统。
该系统由硬件电路部分和软件程序部分共同实现的。
其中硬件部分是由一个微型计算机作为控制主体，该微型计算机采用STC芯片，并且在控制主体上分别安装ISD语音模块和LCD液晶显示模块。
利用无线通讯原理，在站台和控制主体上分别安装NRF无线收发模块，来实现站台与控制主体之间信息的传递。
信息传递的原理是站台向一定范围内发射信号，当公交车行驶到这个范围内，就会接收到信号。
信号通过NRF无线接收模块送给单片机，利用单片机控制语音播报模块和LCD显示模块。
系统的软件部分是利用C语言编程，然后利用Keil软件把编程好的程序编译生成文件，再用开发板把生成好的文件烧录到单片机中。
本设计的优点是节省人力资源、价格便宜、安全性强，准确性高。
关键词：
单片机，液晶显示器，无线收发模块，语音模块
DesignofTheAutomaticStationReportSystemBasedonMCU
ABSTRACT
Asweknow,bustakesimportantpartinthedevelopmentofcities.Bus-stopauto-announcesystemimprovesgreatlywiththetechnologicalprogress.WedesignedtheautomaticstationreportsystembasedMCU,usingthepatternofmodularization.Thesystemconsistedoftwoparts-hardwarecircuitandsoftwareprogram.
ThecorecontrolofthehardwarecircuitismicrocomputerwhichtakestheSTCchipfurthermoreinstallsISDvoicemoduleandLCDmodule.Usingthewirelesscommunicationprinciple,respectively,weinstalledwirelessreceiverandtransmittingmoduleonthecorecontroltoachievetheinformationtransmissionbetweenstationandcontrollingcore.Themechanismoftheinformationtransmissionisthatstationsendsthesignalwithinacertainrange,sothatthebusinthisrangecanreceivesignal.ThesignaltransmitstomicrocontrollersthroughNRFwirelessreceiverandtransmittingmodule,whichregulatesISDvoicemoduleandLCDmodule.
ThesoftwareofthesystemwasprogrammedinC.DevelopmentboardburnsthedocumentcompiledbyKeilsoftware.Ourdesignisoutstandingbecauseoftheeconomyinhumanresources,materialbenefit,strongsecurityandhighaccuracy.
Keywords:
Microcontrollers,Liquidcrystaldisplay,Wirelessreceiverandtransmittingmodule,Voicemodule
第六章结论34
第一章绪论
1.1课题背景与研究意义
1.1.1课题背景
中国工业迅速发展，空气质量严重下降，原来的蓝天白云似乎很少出现了。
大部分因素是因为工厂废气的排污，汽车尾气的污染等。
近年来我国为了保护空气环境，提倡节能减排的号召，十八大的召开也提出了生态的文明建设，可见国家对此是非常重视的。
居民为了减少二氧化碳的排放量，工作和外出时都不驾驶自家的汽车，而该乘坐公交车或骑自行车，甚至有些人步行。
正是因为这样人们乘坐公交通工具的意识越来越强烈，使得公交车的客流量很大。
公交车中人工报站和人工售票已经无法满足现在人们的需求，而且消耗大量的人力资源。
所以我们应该改变公交车的售票方式和报站方式。
近些年由于发射卫星的成功，一种叫GPS的定位系统在轿车上运行工作，但GPS定位系统价格昂贵，一些城市的公交车承受不起。
结合实际情况，本设计采用微型计算机（单片机）控制系统为主体，利用无线收发装置发送和接收信号来传递信息，并配上液晶显示模块和语音播报模块等外设来呈现居民想要的信息，设计了一个单片机的公交车自动语音提示报站系统。
该系统结构简单、价格低廉、节省人力、安全性高、准确性好，适合城市的公交车使用。
1.1.2研究意义
本设计研究的意义是让公交车售票和报站的效率提高，让居民过上幸福的生活。
该设计能让公交车安全有效的报站，让更多居民选择乘坐公交车，从而能够减少汽车尾气的排放。
这样做的目的是有效地控制空气中二氧化碳、碳化物，硫化物等垃圾气体的排放，有效地抑制全球变暖和雾霾等。
而且此项技术使公交车报站自动化，对提高人民生活水平和改善乘车环境起到了关键的作用。
1.2国内外发展
1.2.1国内发展现状
20世纪初，第一辆有轨电车在上海诞生，标志上海近代公共交通诞生。
当时那辆有轨电车是靠人工售票和报站，经过几十年的发展路程，售票形式有人力操作变化到自动化无人售票，报站形式也由人工进步到不到语音自动报站。
当然在我国这么大的国家，每个地域的报站方式也存在着差异。
例如，有手动按钮操作报站和语音自动报站等。
根据地域的需要选择合适的报站形式。
在大城市，公交车选择自动语音提示报站系统，因为它能采集站台发射的信息，并且准确无误的显示出来。
其中采用的方法是借助无线通讯的形式，这种技术操作简单，深受欢迎。
在中小型城市，公交车采用手动按钮报站，这种报站方式虽然操作简单，但是会影响司机的注意力和判断，安全系数不是特别高。
而在贫困城市，因为买不起报站器而选择人工报站，但这样会消耗大量的人力，影响城市的发展。
1.2.2国外发展现状
美国是发达国家，必然公交车报站技术水平也是相当高的。
他们的报站技术采取的方式主要有两种。
一种是射频识别的自动语音报站，该技术相当于无线通讯技术，在站台和车载上分别安装无线模块。
通过站台发射无线信号，车载同时接收信号来实现的自动语音播报系统。
这种方式不怕有障碍物阻拦，其他信号的干扰。
因为这种装置信号发射广，接收能力强，能做到报站的准确无误。
另一种是利用GPS定位系统的公交车自动报站。
GPS定位系统是一种无线电导航系统，其工作原理是测量用户到卫星的距离，然后根据全球24颗人造卫星进行测量具体位置。
GPS公交车自动报站也是根据这一原理，利用GPS多公交车进行定位，当公交车行驶到一个站台时，会自动报出对应站台的信息。
该系统准确度极高，几乎没有什么误差。
但是GPS定位系统价格昂贵，不适合我国中小城市公交车使用。
1.2.3国内外发展总结
根据国内外的发展情况来看，适合我国公交车的报站器系统的是基于单片机控制，利用无线收发模块的自动报站系统，因为此报站系统结构设计简单、软件编程容易、使用方便、价格合理、定位较准确，非常适合安装在我国的公交车上使用。
目前一些大城市公交车上用到报站器，图1.1为公交车报站器。
图1.1公交车报站器
1.3研究的主要内容
本设计研究的主要内容是利用无线发射接收模块实现当公交车接近站台时，不同站台发射不同的信号，当车载接收到这些信号时，会根据不同信号来播报站台的名字和显示站台的信息。
无线收发模块用的是NRF系列芯片，液晶显示模块是LCD12864，语音模块是ISD4004芯片，单片机是STC12芯片，这些芯片模块的使用方法，参考这些芯片的使用说明书。
用到的软件Keil或者是AltiumDesigner等需要从相关书籍学习了解并且要掌握如何运用这些软件。
本设计需要通过这些步骤来进行：
（1）研究公交车语音提示自动语音播报站台系统的共内外发展现状，技术发展趋势。
（2）系统硬件设计：
设计电路图，绘制PCB板。
（3）系统软件设计：
能根据站点信息实施语音提示功能。
（4）系统调试和优化。
1.4本章小结
环境的污染亟待解决和人们生活品质的提高决定着公共交通技术的革新。
传统的报站系统过于浪费人力物力，已经跟不上时代的进步，不适合我国目前的发展。
再一个是GPS的成本过高不易普及，推广起来不方便。
但是通过基于单片机的自动报站系统能够克服前两者的弊端。
因此，本设计对公交车语音提示报站系统进行了实践探究。
第二章系统总体设计
2.1功能介绍
利用单片机控制车载主体和站台，采用无线收发形式来进行信息的传递。
当公交车行驶到站台附近时，车载主体会接收到来自站台发射出来的信息。
车载主体上配有语音芯片ISD4004组成的语音模块和LCD12864显示屏，通过ISD4004实现语音的录入及播放，通过LCD12864显示对应站台的信息。
它能根据不同的信息识别不同的站台。
2.2系统的总体设计思路
本设计采用一款STC12C5A60S2单片机作为车载主体，作为控制整个系统的枢纽，并且在车载上安装一款NRF24L01型号的无线接收模块和一些显示模块、语音模块等外设。
在每个公交车站牌上各安装一个同款型号的无线发射模块，且该模块在不停的向一定范围内发射信号。
公交车在行驶过程中，每当进入到无线发射模块发射信号的范围内，车载上的无线接收模块就会接收到来自不同站牌的信号，经过编译和译码功能，把信号发送给单片机，单片机接收后调用语音芯片的地址，让它在指定的地址报站，到达下一个站牌时重复上述功能，依次报站，完成一辆公交车行驶的全部路程。
为了保证公交车报站的准确性，合理的选择硬件和设计硬件电路是不可或缺的一部分。
其中本试验用到的硬件电子器件包含：
电源部分、单片机控制部分、无线通讯部分、语音播报部分，显示屏等。
一个电子产品的设计，硬件和软件是分不开的，本设计用到的软件有Keil编程软件和AltiumDesigner制图软件。
本设计采用C语言编程，通过Keil软件把编写好的程序保存生成编译，再用单片机开发版把编译生成后的文件烧录到单片机中，从而达到要求完成本次试验。
2.3系统的设计概念
本设计是用模拟公交车报站系统的形式，制作了一个车载主体，配有两个站台。
这两个站台向外发射无线信号，车载主体一直是等待接收站台的发射信号的状态，当接收到信号时，系统会做出相应的反应。
根据这个系统绘制了一个概念图，该图的意思是表达无线收发信号的一个过程。
图2.1是本设计无线收发信号概念图。
图2.1概念图
第三章报站系统硬件设计
3.1单片机简介
3.1.1STC12c5a60s2单片机
本设计选用STC12单片机作为控制核心芯片，它是STC生产的单时钟单片机，工作效率高。
STC芯片的开发环境很多，例如Keil软件能开发STC系列单片机，所使用的指令结构和编程设计语言都非常简单易学，便于新手使用，并且它的处理速度快，效果明显，很适合这次的设计。
STC12C5A60S2单片机是一种高速、消耗功率小，受干扰影响较小的单时钟单片机，内部集成专业的复位电路，数模或者模数转换功能等。
它的工作电压是5V很省电，工作频率0-35MHz，有通用的I/O口，并且能设置四种模式，在线可编程，无需仿真器。
STC12中I/O口工作方式的设定可由表3.1来展现：
表3.1I/O工作方式
PxM1[7:
0]
PxM0[7:
0]
I/O口工作模式
0
0
准双向口，灌电流可达20MA
0
1
推挽输出
1
0
仅为输入
1
1
开漏，内部上拉电阻断开，要外加
3.1.2引脚图及引脚说明
STC12的单片机引脚可由图3.2表示：
图3.2STC引脚图
引脚说明：
P0：
P0口能充当普通I/O口，也能当成AB/DB所共用的总线使用，是低8位AB/DB,当P0口作为I/O口时，无需外接上拉电阻。
P1/ADC:
标准I/O口，ADC输入通道0-7。
P2:
不仅可以当作高8位地址总线，而且还可以用作I/O口，但没有上拉电阻。
P3:
第一功能是普通的I/O口；
第二功能：
INT0:
中断0，低电压有效。
INT1:
中断1，低电压有效。
T0：
定时器0，下降沿有效。
T1：
定时器1，下降沿有效。
WR：
外部数据寄存器写数据。
RD：
外部数据寄存器读数据。
RST:
复位端。
XTAL1/XTAL2:
接12M外部晶振。
PSEN:
外部程序的选通信号。
EA:
处于低电压状态下访问外部ROM，处于高电压状态下访问内部ROM。
VCC:
电源正极（5V）。
GND：
电源负极。
3.1.3特点
在同样晶振条件下，STC12单片机较普通类型有更快捷的处理效率，大约是普通类型的10倍左右。
STC12C5A60S2单片机有8路10位AD、SPI借口、EEPROM、1K内部扩展RAM、看门狗等，可以定义多种中断优先级。
3.2显示模块
3.2.1lcd12864简介及引脚说明
LCD12864是由128*64个液晶显示点排列组成的，每个点对应一个2进制数，0代表该点灭，1代表该点亮。
LCD12864功能很强大，能显示数字、字母、汉字，图形等。
其中汉字和图形是自己编辑的，操作的原理在于液晶屏显示的具体位置与地址间的关系。
LCD12864是一个具有128×64的分辨率的液晶屏，内部含有八千一百二十九个简体文字与一百二十八个ASCⅡ字符集。
本液晶屏采用多样的接口形式以及简易、便捷的指令，使它能够把人工相互交流界面能以简体汉字的形式呈现出来。
本模块供电电压5V，2MHz的时钟频率，串并口通讯模式，内置DC-CD转换电路，不用外接负电压，并且无需片选信号，软件设计简单。
通过以上描述，本模块突出的特点包括：
有LCD12864液晶屏模块无论在硬件电路结构还是在显示程序都比同类型液晶屏有突出的好处并且它工作环境是5伏电压、功率消耗小，节省能源。
所以本设计选用LCD12864液晶显示模块。
LCD12864显示模块实物可由图3.3所展示：
图3.3LCD12864实物图
LCD12864引脚图可有图3.4所展示：
图3.4LCD12864引脚图
LCD12864是一个具有并行和串行多种形式的带汉字库的液晶显示模块。
它有20个引脚，其引脚说明如表3.2:
表3.2LCD12864引脚功能表
引脚号
名称
引脚功能
1
VSS
电源负极，接地
2
VCC
电源正极（5V）
3
VO
调整亮度
4
RS
片选端
5
R/W
处于高电压状态下读数据，处于低电压状态下数据编写
6
E
使能信号端
7
DB0
数据线位0
8
DB1
数据线位1
9
DB2
数据线位2
10
DB3
数据线位3
11
DB4
数据线位4
12
DB5
数据线位5
13
DB6
数据线位6
14
DB7
数据线位7
15
PSB
高电压并口，低电压串口方式
16
NC
空引脚
17
RST
复位端，低电平有效
18
NC
空引脚
19
BLA
背光正极，一般为5V
20
BLK
背光负极，接地
3.2.2接口电路
LCD12864与单片机引脚相连如图3.5所展示：
图3.5LCD与单片机连接图
3.3语音模块
3.3.1ISD4004简介及引脚说明
ISD芯片是来自美国的一项专利技术。
他们采用的是多电平直接模拟储存。
这些系列芯片采集原始声音是直接存储到芯片中，并不需要数模转换和压缩等。
所以这系列的芯片可以切实地还原声音，曲调以及响声等。
这种芯片相较于同种形式的芯片要好的多。
本试验运用的是ISD芯片中很常见的名为ISD4004语音芯片。
ISD4004芯片采取CMOS技术，内部带有很多装置，包括自动消除噪声装置、振荡装置、存储装置、滤波装置等。
该芯片录音时间较长，一般能在6到18分钟左右，工作电压3.3V，功率消耗小。
这个芯片利用采样频率制件存在差异，录音质量效果便会有所差异。
当采样频率越来越高时，音质就越来越高，但录音时间较长；随着采样频率越来越低，录音时间会逐渐缩短，而声音的质量下降。
该芯片还有个很大的优点是在断电的情况下，录音的内容能保存好多年，并且可以擦除反复录音十几万次。
ISD4004芯片实物图可由图3.6所展示：
图3.6ISD4004实物图
ISD4004芯片引脚图可又图3.7所展示：
图3.7ISD4004引脚图
引脚说明如表3.3表达:
表3.3ISD4004引脚功能
引脚号
名称
引脚功能
1
CS
片选端，两指令间是高电压
2
MOIS
串行输入端，上升沿有效
3
MISO
输出端，上升沿有效
4
VSSD
地线
5-10
NC
空引脚
11-12
VSSA
地线
13
OUT
音频输出端，驱动5KΩ负载
14
AMCAP
自动消除噪音，
15
NC
空引脚
16
IN-
反向模拟输入端
17
IN+
同向模拟输入端
18
VCCA
电源
19-22
NC
空引脚
23
VSSA
电源
24
RAC
行地址时钟
25
INT
中断
26
XCLK
外部时钟，不对外使用时，该端接地
27
VCCD
电源
28
SCLK
时钟输入端，用于同步数据传输
注：
为了减少噪声，芯片的模拟电路和输出电路要分开使用电源，也要使用不同的底线。
3.3.2接口电路
ISD4004和单片机引脚连接图如图3.8所展示：
图3.8ISD4004与单片机连接图
3.4无线收发模块
3.4.1NRF24L01简介及引脚说明
本芯片为NORDIC公司最新开发的一种无线通讯芯片，依据FSK调制功能，内部带有NORDIC公司自身的EnhancedShortBurst协议。
这种芯片能够达成一对一或者多个对应一个的无线信号的发射和接受，并且速度很快，接近2M的传输速度。
使用该芯片就需给单片机预先流出5个I/O口和一个中断口，就能够达成无线通讯的目的。
这类芯片适用于为单片机系统创建具有无线通讯特点的装置。
NRF24L01芯片有8个操作指令编程简单操作方便，两个NRF保持通讯，必须实现几个要求。
第一是有同种频道，第二是有同种地址，第三是发射的字节数要和接受到的字节数一致（n不超过32）。
NRF24L01芯片的SPI接口指令可由表3.4所表达：
表3.4SPI指令操作
指令名称
指令格式
操作
R_REGISTER
000AAAAA
读配置寄存器，AAAAA指出读操作的寄存器地址
W_REGISTER
001AAAAA
写配置寄存器，AAAAA指出写操作的寄存器地址，只能在掉电模式或者待机模式下操作。
R_RX_PAYLOAD
读RX有效数据：
1-32字节。
读操作全部从字节0开始，当读RX有效数据完成后，FIFO寄存器中有效数据被清除。
应用于接收模式下。
W_RX_PAYLOAD
写TX有效数据：
1-32字节。
写操作从字节0开始，应用于发射模式下。
FLUSH_TX
清除TXFIFO寄存器，应用于发射模式下。
FLUSH_RX
清除RXFIFO寄存器，应用于接收模式下。
REUSE_TX_PL
应用于发射端重新使用上一包发射的有效数据。
NOP
空操作，可用来读状态寄存器。
NRF24L01产品的优点：
低功耗无线发射模式、同时双向无线接受、无需外置SAW滤波器、收发与接受地址数据校验，可恢复数据等。
它的工作电压是3.3V，功率消耗小，价格便宜，使用方便。
NRF24L01模块实物图可由图3.9所展示：
图3.9NRF24L01实物图
根据NRF24L01的PCB板简化其引脚原理图为图3.10所示：
图3.10NRF24L01引脚图
NRF24L01引脚说明如表3.5所展示：
表3.5NRF引脚说明
引脚号
名称
引脚功能
1
GND
电源负极，接地
2
VCC
电源正极（3.3V）
3
CE
RX或TX选择模式
4
CSN
SPI片选信号
5
SCK
SPI时钟
6
MOSI
从SPI数据输入端
7
MISO
从SPI数据输出端
8
IRQ
可屏蔽中断脚
3.4.2NRF24L01工作模式
NRF24L01无线通讯模式通过设置寄存器有四种工作方式。
它们可以说是发射、接收、空闲和关机这四种工作方式。
工作方式是有CE和内部寄存器共同控制，可由表3.6可知：
表3.6设计寄存器工作方式
模式
CE
PWR
PRIM
寄存器状态
发射模式
1
1
1
数据在寄存器中
1-0
1
0
数据没法送完一直保持发送模式
接收模式
1
1
1
-
空闲模式
1
1
0
寄存器为空
0
1
-
没有数据在传送
掉电模式
-
0
-
-
3.4.3接口电路
NRF24L01与单片机引脚连线图可有图3.11可知：
图3.11NRF与单片机连接图
3.5原理图设计和PCB设计
把电子设计方案表现出来的最好方法就是绘制清晰、简洁、正确的电路原理图。
根据设计的需求选择合理的元件，并且把所选用的元件和相互之间的关系表达出来，这个就是设计电路原理图的过程。
对原理图的操作是绘制电路图的前期工作，其中包括创建原理图文件、原理图编辑环境、原理图设计、原理图管理，元件库的操作等。
完成这些操作才能方便地制作原理图。
制作原理图时应该注意：
应该保证电路图的电器连接正确，信号流向清晰；其次应该使元器件的整体布局合理、美观，简洁。
制作原理图的过程可由图3.12所表示：
图3.12原理图制作过程
根据上述原理再结合实际情况，设计了单片机支持自动报站的电路原理图，可有图3.13所表示：
图3.13报站原理图
印制PCB板是从设计原理图实现产品形成的必要过程。
所以PCB板制作是生产制作中起决定性作用的环节。
我们采用AltiumDesigner设计软件，其制作PCB板的具体流程可由图3.14所表示：
图3.14PCB板设计流程
其各项的作用如下：
（1）创建文件为广大使用者能够调用电路板服务器提供了平台。
（2）元器件制作用于创建封装库中为包含的元器件。
（3）电路板尺寸大小可以用国画电路板来判断，界定电路板为单层板还是双层板，还有其他多层板。
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