.基于單片機的公交車報站器的設計Based on single chip design of bus stops精選范本.目 錄摘 要IIAbstractII第1章 緒論21.1 課題研究背景及意義21.2 國內外研究現狀21.3 主要設計目標21.4 本文研究內容2第2章 系統硬件設計22.1 基于單片機的公交車報站器系統總體設計22.2 電源系統設計22.3 中央處理單元22.3.1 STC89C52單片機主要特性22.3.2 單片機的最小系統22.4 語音播報模塊22.4.1 ISD4004語音芯片22.4.2 語音電路設計22.5 顯示模塊22.5.1 88點陣模塊介紹22.5.2 顯示電路設計22.6 按鍵控制模塊22.6.1 鍵盤掃描原理22.6.2 鍵盤電路設計22.7本章小結2第3章 系統軟件設計23.1 公交車報站器軟件總體設計23.2 錄音子程序設計23.3 報站子程序設計23.4 本章小結2第4章 軟件仿真24.1 仿真電路設計24.2 仿真結果24.3 本章小結2結 論2參考文獻2附錄A2附錄B2致 謝2精選范本摘 要如今公共汽車已經成為人們日常生活中必不可少的伙伴。一方面，城市空氣污染嚴重，政府鼓勵民眾少開私家車，更多的使用公共交通出行。有的國家甚至指定一天為禁止機動車日，來警示民眾環境污染的嚴重性。另一方面，大中城市交通擁堵不堪，如北京等特大城市不得不規定私家車限號出行，強制人們使用公共交通。由此以來，公交車還是大眾出行不可或缺的工具。傳統公交車采用人工售票的方式，浪費人力的同時還存在很多問題，比如很多乘務員帶有口音，普通話很不標準，使外地乘客無法準確得知乘車信息。因此，無人售票公交成為城市公交車的趨勢，公交車語音報站器的作用也日益凸顯了出來。公交車語音報站器的作用是告訴乘客這輛車要往哪開，即將到達的車站，以及一些提示信息，如車輛轉彎或者提醒乘客讓座等。公交車報站器彌補了傳統公交人工報站的不足，可以使乘客準確知悉乘車信息。本設計應用STC89C52微處理器、ISD4004語音芯片、8*8點陣顯示模塊及4*4鍵盤控制模塊實現簡易的公交車報站系統，通過語音控制電路進行公交線路的站名、各種提示語音的錄制和生成，用程序語句調用進行播放，同時使用LED進行當前到站名稱顯示。該報站器的硬件電路簡單，軟件功能完善，同時具備高可靠性的控制系統，性價比較高，具有很好的推廣價值。關鍵詞：STC89C52；ISD4004；公交車報站器AbstractNow the bus has become indispensable in Peoples Daily life partner. On the one hand, the urban air pollution is serious, the government is encouraging people less private cars, more use public transportation. Some countries even specify to prohibit motor vehicle, a day to alert people to the seriousness of the pollution of the environment. Traffic congested, on the other hand, large and medium-sized cities, such as large cities such as Beijing had to travel regulations limit private cars, forcing people to use public transport. Hence, a bus or travel indispensable tool of the masses. Traditional bus sells tickets in artificial way, a waste of manpower, while there are still many problems. For example, many flight attendants with accents, mandarin is not very standard, so that foreign passengers can not understand travel information accurately. Therefore, unmanned buses in cities will be a trend, the buses voice announcers role also increasingly prominent. Bus voice announcer role is to tell the passenger car to where to start, approaching the station name, as well as some tips, such as turning of the vehicle or to remind seats. Bus stations-reported up for the lack of traditional artificial bus stops, people can make an accurate knowledge of passenger travel information.The design application STC89C52 microprocessor, ISD4004 voice chip, 8 * 8 dot matrix display module and 4 * 4 keyboard control module for simple bus stations system. Record and generate all kinds of voice prompts and stops by voice control circuit. call program statement to play a voice, at the same time carry out the current station name using LED display. The newspaper stations hardware circuit is simple, software function is perfect, the control system is reliable. It is cost-effective, with good promotional value.Keywords: STC89C52；ISD4004；bus stations-reported精選范本.第1章 緒論1.1 課題研究背景及意義隨著中國城鎮化水平的提高，大量人口涌向城市，城市交通系統已不堪重負。同時，中國的持續高速發展及粗放型的開發方式，使環境污染日益嚴重，現在已經成為影響人們日常生活的重要問題。政府鼓勵人們更多的使用公共交通出行，以減輕對城市交通及環境的壓力。同時，公交車方便快捷的乘坐方式及實惠的價格也是普通大眾出行首選1。傳統公交車有很多需要解決的問題，乘務員在傳統公交系統中一直負責報站的重要任務。但是這種方法事倍功半而且工作強度很大，在很多發達城市已經摒棄不用了。近幾年來世界乃至我國的科學技術飛速發展，在許多領域微機技術已經變成主導。在現今聲學的領域里，公交車語音報站器已經成為可能，可以使用微機與語音芯片相結合來完成語音合成的技術來實現這個目標，從而使市民有了更加人性化完善的服務。因此，介于以上問題及原因綜合實際使用情況，為了解決傳統公交存在的報站問題，本文設計了公交車語音報站器，在即將到站時進行語音提示同時顯示到站名稱。1.2 國內外研究現狀最近幾年，我國經濟穩步快速發展，人口數量呈幾何遞增，人口及環境問題給城市帶來了雙重壓力。私家車的數量急劇增加，更是使原本就擁堵不堪的城市交通情況雪上加霜2。在現代城市里，公共汽車已經成為普通大眾出行所必不可少的交通工具，人們花費在路上的時間越來越長，公交車的乘車體驗直接影響到人們的日常生活。目前在國內的大中城市中，無人售票公共汽車已經成為主流，采用公交車語音報站器來提示到站信息。但是在一些不發達城市，仍然存在著人工售票方式，售票員報站會因為擁擠及口音給乘客帶來很多問題。在歐美的一些大城市，電子信息技術和計算機技術已經大范圍應用于公交系統，公交車上普遍使用自動定位報站器，極大的提升了公交車的經營效益和服務水平。公交車報站器在公共交通事業中的作用十分重要，它直接影響著公交車的服務質量和人們的出行體驗。現在，國內外普遍采用的報站方式主要有三種3。一種是利用GPS全球衛星定位系統的公交車自動報站器，這種報站器系統穩定，功能強大，可以根據衛星定位自動播報到站位置，美國的一些城市已經投入使用。我國也在研制此類產品，但是由于系統復雜，投資昂貴，較難在我國城市推廣使用。另一種是我國之前普遍采用的人工報站方式，它的服務質量直接依賴于售票員，容易給外地乘客帶來不便，在沒有售票員的情況下會大大增加司機的工作強度，這種報站方式現在已經越來越少了。最后一種是公交車電子報站器，到站時有司機進行手動控制，可方便快捷的進行語音播報及漢字顯示。這種報站器不像GPS報站器那么昂貴，很適合推廣使用，是最符合中國國情的公交車報站器。1.3 主要設計目標以單片機作為控制核心，采用鍵盤作為人機交互手段，并用LED點陣和語音模塊實現一套簡單、實用的公交車報站器，可以實現以下的功能：能夠在到站、離站時進行準確無誤的語音提示。能夠在顯示屏上準確顯示到站信息。能夠具有上車鍵、下車鍵、愛心鍵、轉彎提示鍵等主要功能鍵。能夠非常方便的修改語音提示信息。1.4 本文研究內容針對我國城市公交車的應用現狀，自主研發一套基于單片機的公交車報站器。改變之前公交車由售票員報站的落后模式，在公交車即將到站、即將離站以及車輛轉彎時由司機操作報站器，語音播報提示的同時在顯示器上顯示當前站和將要到達下一站的站名漢字。公交車報站器是安裝在公交車上的，屬于車載終端，在系統設計時除了要實現基本功能外，還要同時做到穩定供電、功耗較小、體積輕便等方面，而且也要兼顧易于開發、成本低廉、研發周期短等要素。因此本設計采用STC89C52單片機作為系統的主控制器。在系統設計中，本文將從單片機系統、顯示電路、語音電路方面分別展開研究，系統是基于單片機的公交車語音報站器，包括公交車報站器的總體研制方案、報站器硬件電路并實現、軟件系統并實現、軟件仿真驗證。精選范本.第2章 系統硬件設計2.1 基于單片機的公交車報站器系統總體設計系統以單片機STC89C52為控制核心，總體可劃分為中央處理單元、鍵盤單元、顯示單元和語言單元等幾部分4，如圖2.1所示。中央處理單元負責對控制器的整體控制和數據處理。鍵盤單元進行按鍵輸入，選擇所要播放的語音和顯示的漢字。顯示單元對所要播放的漢字進行顯示。語音模塊包括兩部分：錄音和放音。錄音部分的作用是進行站名的信息的錄入，放音部分是將所要播放的信息進行播放。圖2.1 硬件設計框圖2.2 電源系統設計為了滿足系統調試和正常工作兩種不同的工作環境下對于電源的要求，電源系統設計了兩個供電電源：一種是通過USB連接，另一種是3腳穩壓電源。當調試程序的時候，可以直接通過USB給本模塊供電，只需要簡單的雙向USB連接線與一條USB轉串口線就可以把程序下載到開發板上運行了5。三角穩壓電源采用了市場上常見的5V，1A直插式電源，不必為找不到合適的適配電源而煩惱。另外，本設計中所應用的ISD4004語音芯片的供電電壓為3.3V，所以需要用LM1117-33芯片來提供3.3V的工作電壓，具體的電路圖設計如圖2.2所示。圖2.2 電源系統電路圖圖2.2中，J1為USB接口，J2為汽車電瓶接口，輸入電壓為28V，7805的輸入電壓范圍寬達4.5V36V，完全能夠滿足電壓轉換需要，JP1為跳線接口，可以通過跳線將12相連或將34相連對系統進行供電，12相連是選擇USB供電，為程序下載模式，而34相連為工作狀態，由公交車電瓶對系統進行供電。最終得到的5V電壓（圖中VCC）為單片機、顯示電路等器件進行供電。圖中的LM1117-33芯片的作用是將5V電壓轉換為3.3V（圖中VCC33）電壓為ISD4004語音芯片進行供電。2.3 中央處理單元中央處理單元的作用是掃描公交報站器中的按鍵，根據掃描結果采取相應的動作，是整個報站系統的數據處理核心。本文將采用STC89C52單片機作為CPU進行設計。2.3.1 STC89C52單片機主要特性STC89C52是一種低電壓，高性能的CMOS8位微處理器，STC89C52單片機內部帶有大小為8K的只讀存儲器，可以進行擦除編程。STC89C52單片機采用ATMEL存儲制造技術，密度很高，而且數據安全、不易丟失，并且可以兼容MCS-51的標準輸出管腳和指令集。該款單片機是一種高效的微控制器，芯片封裝是40引腳封裝，分別有貼片和雙列直插兩種不同的封裝形式，本文將采用雙列直插（DIP40）的封裝形式，如圖2.3所示。圖2.3 STC89C52單片機的DIP40封裝圖2.3.2 單片機的最小系統單片機最小系統是一種最簡單的電路系統，也是保證單片機可以正常開機、運行程序的關鍵電路，是維持單片機正常工作所必不可少的電路系統。一般來說，單片機最小系統包含單片機本身和復位電路、時鐘電路、通信電路以及存儲器。從上面的介紹中我們可以看到，STC89C52單片機自帶程序存儲器，大小為8K字節，所以STC89C52單片機的最小系統主要包括單片機、復位電路、時鐘電路以及通信電路。單片機最小系統的原理圖如2.4所示。圖2.4 STC89C52單片機最小系統原理圖從圖2.4中可以看到，本設計的單片機最小系統由晶振電路、復位電路和串口通信電路三部分組成。本文選用12MHz的晶振來產生系統時鐘，方便進行比較精確地延時，從而減小與ISD4004芯片進行SPI通信時產生錯誤的概率，但這個頻率下的串口通信不能達到標磚的9600bps的波特率，本設計中串口只是用來下載程序，故綜合這兩點考慮，選擇了12MHz的晶振，晶振兩端的30pF的電容是用來協助啟振，并有一定的濾波作用。復位電路選用按鍵復位電路，這種電路方便進行硬件陶氏工作。串口通信線路選擇MAX232芯片進行電平轉換。2.4 語音播報模塊2.4.1 ISD4004語音芯片本設計中所采用的語音芯片是ISD4004語音芯片，由美國ISD公司推出，性能穩定，品質優良，具有很多其他語音芯片所不具備的優點。首先，錄音時不需要通過A/D轉換和壓縮，不會使聲音出現較大失真，對每段錄音的時間長度沒有限制；其次，存儲時間長，在不外接電源的情況下可保存數據一百年，可多次重復錄放至十萬次以上，該語音芯片使用快速閃存作為存儲介質，不需要額外擴充存儲器即可直接使用；第三，芯片需要的外圍電路十分簡單；最后，錄音時間長，最多可長達十六分鐘。2.4.2 語音電路設計本設計中，將采用ISD4004語音芯片來完成聲音錄放功能，采用LM386音頻放大芯片對ISD4004的輸出信號進行功率放大后接一個“8，1W”的喇叭進行語音播報，用一個麥克風作為聲音錄制的輸入，對站名等語音進行錄制，由ISD4004語音芯片和LM368功放構成的語音播報電路圖如2.6所示。圖2.6 采用ISD4004芯片的語音播報模塊電路圖從上面的介紹中可知，ISD4004語音芯片采用SPI串行通信協議與單片機之間進行通信，SS為片選端，每次寫入指令的時候都需要將SS拉低，之后將要發送的數據寫到MOSI端，由SCLK端產生一個脈沖，再寫入下一位，就這樣一位一位的寫入，對ISD4004進行操作。同時也可以根據地址選擇所要播放的語音片段。考慮到該系統運行在公交車上，工作環境較為嘈雜，而芯片本身驅動功率比較小，單獨使用揚聲器播報的聲音音量較小，無法滿足工作要求。因此本設計中，在ISD4004芯片口和揚聲器之間連接低頻功率放大芯片LM386，放大播報聲音，以確保乘客在嘈雜的環境下也能清晰的聽到報站信息。LM386是一種性能優良的音頻功率放大器，由美國國家半導體公司生產。LM386具有很多優點，如芯片功耗非常小、可使用的電源電壓范圍較大、總諧波失真小等等。目前，LM386在錄音機和收音機的生產中應用十分廣泛。在圖2.6中，R4為輸入阻抗匹配電阻，調整為5k左右即可，通過調整R5的值可以調整功率放大倍數，范圍是20-00。LM386的輸出阻抗為8，能夠完美與所選喇叭進行匹配。2.5 顯示模塊2.5.1 88點陣模塊本設計的顯示模塊采用LED點陣顯示系統，它包括靜態顯示和動態顯示兩種工作方式。其中，靜態顯示方式易于理解，且控制方便，但是在實際應用中硬件接線十分復雜，不適合批量生產使用。動態顯示方式的基本工作原理是逐行掃描，由較大的窄脈沖從上到下掃描顯示屏各行，同時向各列發送脈沖信號，該脈沖信號帶有想要顯示的圖形或文字信息。如此循環往復，顯示屏上就會顯示出我們所要表示的信息。在本設計中，我們選擇較易于實現的動態顯示方式。一個88的點陣是由64個發光二極管按一個規律組成的，如圖2.7所示是一個共陰型的88點陣，各行給高電平信號，各列給低電平信號。圖2.7 88點陣組成圖目前，LED顯示屏使用十分廣泛，而使之可以推廣使用的生理性基礎就是視覺惰性。視覺惰性是指當光源消失時，人眼的亮度感覺并不會立即消失，而是有一個延時。這是因為，人眼在處理和傳輸亮度信息時需要一定的時間，從而使視覺具有低通性。目前廣泛使用的掃描驅動方式就是人們充分利用人眼的視覺惰性而改良的驅動電路。掃描驅動方式的特點在于不是給每一給燈泡都提供單獨的驅動電路，而是將若干個燈泡劃分為一個小組，每個小組提供一個驅動電路。在掃描過程中，各組燈泡逐次點亮，在保證掃描頻率不低于臨界閃爍頻率的前提下，由于視覺惰性，人眼看起來就如同所有的燈泡都被點亮。采用這種掃描驅動方式可以減少驅動電路的數量，在顯示屏中LED燈數量較大時，能夠節約的成本還是較為可觀的。2.5.2 顯示電路設計為了在顯示復雜漢字的同時節約成本，本文采用4個88的LED點陣構成的1616LED點陣構成顯示電路，并用74LS595和74LS138芯片聯合進行LED點陣驅動，其中74LS595負責進行列掃描，74LS138負責列掃描，74系列芯片的管教的輸出電流為30mA，不足以驅動1616的點陣，會出現明暗不均的現象，故采用PNP型三極管作為功放管，并選用300的限流電阻，顯示模塊的電路圖如圖2.8所示。圖2.8 顯示模塊電路圖下面根據顯示模塊電路圖，來分析LED點陣顯示電路的控制原理。以顯示一行漢字為例，首先從字庫中取出這一行漢字的點陣，放入緩存中。之后調用掃描顯示函數，即可顯示出這一行漢字。掃描顯示函數的主要功能是顯示緩存的內容。如果我們想讓這一行漢字顯示出其他的效果，比如左移，只需要將緩存中的每一位進行左移，然后再調用掃描顯示函數顯示緩存的內容即可。如果我們不想顯示漢字，而是顯示英文或圖片等，只需要按照掃描顯示函數對這些內容顯示緩存的協議要求進行顯示即可。從圖2.8可以看到，顯示電路使用了74HC595移位存儲器，它需要一個簡單的驅動。在一位一位傳輸數據時，每傳輸一位給一個時鐘信號，一行數據全部傳輸完時給一個鎖存時鐘。然后由74H138選通改行。這樣，一行的操作結束，再按照相同的方式進行下一行的操作。如此循環往復，最終就會顯示出一幅完整的內容。需要注意的是，每送完一行數據內容，顯示屏需要短暫的黑屏一小段時間，也就是所謂的消隱動作。否則，在顯示過程中，人眼會看到拖影現象，影響顯示效果。2.6 按鍵控制模塊按鍵控制電路的作用是進行人機交互，進行錄音、放音、報站、愛心鍵提示燈功能的選擇，由于公交報站器的功能較多，故需要的按鍵數量也較多，同時單片機的I/O口數量有比較有限，綜合以上兩點考慮，本設計中即采用44鍵盤矩陣來構成按鍵控制模塊。2.6.1 鍵盤掃描原理在單片機按鍵使用過程中，如果按鍵的數量較多，就不能再使用傳統的鍵盤排列方式，而是要將鍵盤按照矩陣方式排列，以減少占用的端口數。這種排列方式比傳統的鍵盤排列方式更合理，但是結構相對復雜，對單片機來說，矩陣式鍵盤要比獨立式鍵盤更難于識別。在這種鍵盤結構中，每條水平線和垂直線相交，要注意相交處不能直接連通，而是要通過按鍵相連接。在掃描鍵盤上哪一個按鍵被按下時，通常采用行掃描法，它是最簡單應用最廣泛的多按鍵識別方法。2.6.2鍵盤電路設計44鍵盤掃過的過程如下：首先，判斷是否有按鍵被按下。方法是循環不斷的給低四位獨立的低電平。具體來說，將低四位P3.0至P3.3中的任意一列置為低電平，然后檢查高四位行線的狀態。如果檢查到某一行為低電平，先延時一段時間將抖動消除，之后再次檢查行線的狀態，如果這一行依然為低電平，則說明鍵盤中確實有鍵按下。如果這一行變為高電平，則繼續將下一列置為低電平，如此循環往復的檢查。如果最后，所有的行線都為高電平，則說明鍵盤中沒有鍵被按下。其次，判斷按下鍵的具體位置。方法是循環的給其中一位列線低電平，其他三位列線給高電平，同時檢測各行線的狀態。如果各行線都為高電平，則繼續給下一位列線低電平，其他列線高電平。如果有某一行行線是低電平，則說明該行線與置為低電平的列線交叉處的按鍵被按下。44的鍵盤電路圖如2.9所示。圖2.9 44鍵盤電路圖2.7本章小結本章對基于單片機的公交車報站器硬件系統的設計進行了詳細的說明。主要說明了硬件系統的設計方法、設計原則及設計過程。在硬件系統設計的過程中作者參考了大量的文獻，充分考慮了系統的各方面需求合理的選擇了元器件，同時對一些電路設計做了改進。本章根據系統的主要設計目標，完成了基于STC89C52單片機的公交車報站器的硬件系統設計，介紹了STC89C52單片機的特性，著重分析了語音模塊、顯示模塊和按鍵模塊，并給出了實際應用的電路圖。.第3章 系統軟件設計3.1 公交車報站器軟件總體設計在上一章中對公交報站器的硬件系統進行了詳細設計，本章將對單片機軟件系統進行設計，軟件系統的主流程圖如圖3.1所示。報站器加電后系統首先進行初始化，主要是會單片機的I/O口狀態和寄存器狀態進行初始化；然后，程序進入循環掃描過程，對鍵盤進行按鍵檢測，判斷是否有鍵被按下。如果檢測到有按鍵被按下，則進一步判斷被按下的按鍵是否為錄音鍵，如果是錄音鍵被按下，系統進入錄音模式，調用錄音子程序進行錄音，完成后返回到主程序繼續進行掃描；如果檢測到其他按鍵被按下，則調用報站子程序，報站完成后，返回到主程序繼續進行循環掃描。圖3.1 系統主流程圖3.2 錄音子程序設計錄音子程序的主要功能是進行公交站名播報時所需語音的錄入，該程序在檢測到錄音鍵被按下時被調用，完成后返回主程序。錄音子程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2 錄音子程序流程圖從圖3.2中可以看到，進入到錄音子程序后，首先要通過SPI通訊協議向ISD4004發送錄音指令，使ISD4004進入到錄音模式，并設置錄音的初始地址（錄音基址），開始錄音；在錄音的過程中不需要單片機進行干預，此時單片機做兩項工作：一是播放“正在錄音”提示字樣；二是進行按鍵掃描，判斷stop鍵是否按下，如果按下，則停止錄音，返回到珠城路中，否則繼續錄音并播放錄音提示文字。3.3 報站子程序設計報站子程序的功能是在檢測到有語音播報按鍵被按下時，進行相應的播報，并進行站名顯示功能，完成后返回主程序，報站子程序流程如圖3.3所示。圖3.3 報站子程序流程圖從圖3.3中可以看到，進入到報站模式后，首先要向ISD4004發送語音播報命令，將ISD4004設置為語音播報狀態，然后進行按鍵消抖工作，并讀取鍵值，根據鍵值選擇相應的操作，當按值大于9時，重新進行判斷；小于9時，根據讀到的鍵值，將地址送到ISD4004中，并發送播放指令，同時啟動LED顯示，進行站名的顯示，延時一定的時間后，返回到主程序之中。3.4 本章小結本章主要完成了報站器的軟件系統設計。公交車報站器的單片機軟件系統主要包括主程序、錄音程序和報站程序三部分組成。通過對報站器軟件系統的設計，配合硬件電路，就能夠實現報站器站名的錄入與修改；站名的播報與鍵盤掃描等公交車報站器的基本功能。.第4章 軟件仿真在第二章和第三章中，我們分別對公交報站器