公车自动报站系统的设计.pdf
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1、第1章绪论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。1.1 课题研究的背景及意义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
2、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口。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
3、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
4、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,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。1.4 技术指标工作电
5、压 24V静态功耗(6W音频输出210W信噪比 34DB系统容量 可容纳300个站点信息和8分钟语音广告信息环境温度-30C80最大广告条数100条第2章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。本章介绍了两种不同的方案,并将其进行对比。2.1 方案比较2.1.1 方案一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、CP
6、U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 12MHzo3.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
7、: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。2.1.2方案二利用8031单片机作为CPU来进行总体控制,当汽车到达某站时,汽车司机通过键 盘来控制本系统进行工作,并且,系统将使用状态指示电路,向司机指示出当前的行驶 方向及站号(如与实际方向不符,司机可通过键盘来调整)。原理图框图如图2.2所示。图2.2原理框图本系统使用8031作为CPU,由CPU来控制语音合成芯片TC8830AF,使其工作在 CPU控制模式下。当系统进行语音再生时,由CPU控制语音合成电路中的语音芯片来 读取
8、其外接的存储器内部的语音信息,并合成语音信号,再通过语音输出电路,进行语 音报站和提示。CPU同时通过程序读取汉字信息,送入LED点阵显示电路来进行汉字 提示。当系统进行语音录制时,语音信号通过语音输入电路输入给语音合成电路中的语 音合成芯片,由语音合成芯片进行数据处理,并将生成的数字语音信息存储到语音存储 芯片中,从而建立语音库。2.2方案选择将方案一与方案二进行比较,方案二是采用8031单片机控制,通过键盘来控制报 站时刻,并不完全符合设计的要求,它仍然需要操作员员手动控制,所以本课题决定选 用方案一,它使用AT89C51作为主控制芯片,通过对里程的计数来控制报站时刻,完 全无需人工介入,
9、选用的语音芯片是美国ISD公司的ISD4004,该芯片与其它语音芯片 相比较,其语音音质好,录放时间长。第3章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所示。它主要由下面儿个部分组成: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
10、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。外部 中断计数器 输入图3.1 AT89C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-24Hz4.三级程序存储器锁定5.128*8 位内部 RAM6.32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另外,AT89c51是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0Hz,并提
11、供两种可 用软件来选择的省电方式 空闲方式(Idle Mode)和掉电方式(Power Down Mode)。在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工 作。在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,使一切功能都暂停,故 只保存片内RAM中的内容,直到下一个硬件复位为止。3.1.1.2 引脚功能说明AT89C51引脚图如图3.2所示。11111111S33333333 ppppppppppppppppR/-O 1T TO1234567TO123456701234567890 12345678311111111112 dddddddddddddd
12、ddddddi0987654321098765432143333333333222222222J VccD PO.O/ADO2 PO.1/AD12 PO.2/AD2J PO.3/AD32 PO.4/AD43 PO.5/AD5U PO.6/AD63 PO.7/AD73 EA/Vpp3 JLE/PROGU PSEN3 P2.7/AD15J P2.6/AD143 P2.5/AD 13J P2.4/AD12J P2.3/AD1 1J P2.2/AD1 03 P2.1/ADSU P2.0/AD8图3.2 AT89c51引脚图VCC:供电电压。VSS:接地。PO U:PO 口为一个8位漏级开路双向I/O
13、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: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
14、,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 口写入力”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(
15、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:口管脚备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2/INTO(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器。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 U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
16、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1/6o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
17、,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)oXTAL1: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,由一个单级反相器组成。XTAL1 为反相器的输入,XTAL2为反相器的输出。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
18、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。在图中给出了外接元件,即外接晶体及电容 Cl,C2,并组成并联谐振电路。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,Cl,C2通常都选择30pF。有时,在某些应用场 合,为了降低成本,晶体振荡器可用陶瓷振荡器代替。如果使用陶瓷振荡器,则电容Cl,C2的值取47pF。VCC
19、XTAL1XTAL2图3.3 AT89C51单片机内部振荡器电路NC外部振荡信号图3.4外部时钟接法XTAL2XTAL1CMOS|GND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366选取。CO(并联电容):最大7.0pF。CL(负载电容):30pF+3pFo通常,其误差及温度变化的范围要按系统的要求来确定。图3-6 ESR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弓|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
20、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。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期),则CPU就可以响 应并将系统复位。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
21、钟,并恢复ALE和/PSEN的状态。如果在系统复位期间将ALE和/PSEN引脚拉成低电平,则会引起芯片 进入不定状态。ALE:|S5|S6|S1|S2|S3|S4|S5|S6|S1|S2|S3|S4|S5|S6|S1|S2|S3|/PSEN:P0S吠DTSD刖SN吸VTS-bl.STN碑DVWM sIN 5min 6min和8min的单片声音录放器件ISD5008。其中ISD1100系列、ISD1200系列和ISD1400系列都是独立使用;ISD2500系列是 手动切换或则与微控制器兼容,放音时可以用边沿或电平进行触发;ISD4000系列、ISD5000系列都带有微控制器SPI或Microwi
22、re串行接口5。3.3.1.2 语音芯片 ISD4004TSD4000系列单片声音录放器件是用CMOS工艺实现的高语音质量、3V工作电压 的集成电路芯片,特别适用于移动电话和各种便携式产品。按录放时间又分TSD4002.ISD4003和ISD4004三个子系列。片内集成有振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、自 动静音电路、音频放大器和高密度多级Flash存储阵列。这个系列的新片要求用于微处 理器或微控制器系列,通过串行外围接口 SPI或Microwire串行接口进行寻址和控制。录音数据被存放方法是通过ISD的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中,从而提供高质
23、量回放语音的保真度。1.ISD4004的主要性能及其特点(1)单片实现声音录放功能(2)采用单一 3V工作电压(3)低功耗:典型的录音工作电流为25mA典型的放音工作电流为15mA 典型待机节能状态电流为luA(4)单片录放时间为8min、10min 12min和16min(5)高质量自然的声音/音频回放(6)自动静音电路可以在无声状态时消除背景噪音(7)不需要考虑实现算法(8)具有微控制器SPI或Microwire串行接口(9)可以对多段信息寻址控制(10)可以通过SPI或Microwire控制寄存器控制功耗(11)语音数据断电不丢失,可以保存100年(12)允许反复录音10万次(13)片上
24、带有时钟源(14)有PDIP、SOIC、TSOP和CSP多种封装形式(15)使用温度范围有商业用扩展型和工业用两种可供选择:商业品扩展型:-20+70C工业品:-40+852.外部引脚及其说明/SS MOSI MISO VSSD NCNCNC_NCNCNCVSSA VSSA-AUDOUTAMCAP-1 282 ISD4004 273 264 255 246 237 228 219 2010 1911 1812 1713 1614 15SCKJ-VCCDXCLKINT一RACVSSA-NC-NC-NC-NCVCCAANA 工N+-A.NA IN-NC图3.13 ISD4004引脚图电源(VCCA
25、,VCCD):为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电 端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。地线(VSSA,VSSD):芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入(ANAIN+):这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差 分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的 3KQ电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰 值16mV,为ISD33000系列相同。反相模拟输入(ANA IN-):差分驱动时,这是录音信号的反相
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