1、汽车自动报站器设计毕业论文汽车自动报站器设计毕业论文1 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.2 报站方式的分类1.3 国内外现状分析及未来发展趋向1.4 设计的主要目标任务2 原理框图3 系统各硬件模块设计说明3.1 AT89C51单片机各端口说明 3.2 振荡器电路的设计3.3 复位电路的设计3.4 电压变换电路的设计3.5 脉冲检测电路设计3.6 LED显示电路3.7 语音电路设计3.8 硬件总图4 主要模块的重要知识4.1 AT89C51的中断 4.2 中断允许控制寄存器IE 4.3 模式控制寄存器TMOD4.4 控制寄存器TCON4.5 LED状态字 4.6 7段LED的段选码 4.7
2、 语音芯片串行外围接口SPI 4.8 语音芯片指令表5 软件总体设计5.1 按键功能设置5.2 工作原理5.3 程序主流程图5.4 主程序5.5 预置值设置的程序设计5.6 手动操作程序设计5.7 数码管显示程序设计5.8 语音报站程序设计结论 致谢 参考文献1 绪论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
3、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。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 报站方式的分类自公交事业发展至今，报站方式也随着科技的进步而不断更新。纵观公交车报站器的发展史一共可分为三个阶段：人工报站，自动化报站，智能化报站。1.3 国内外现状分析及未来发展趋向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
4、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。 我国土地辽阔，各城市之间经济文化差异悬殊。目前，我国城市的公交车报站主要有三种方式，人工报站，一般报站人员都是当地人，用方言进行报站，这给外地的乘客带来了很大的不便，此种报站方式一般都我国在中小城市使用。自动化报站，这种报站方式一般是司机控制的，比前一种有较大的改进，但是由于司机的疏忽，也会出现错报、误报的现象，同时，由于司机的参与，也有一定的安全隐患。且前两种报站方式对于一些听力不好或者失聪的乘客或者在特别喧闹的道路上行驶时，由于乘客无法接收到电脑语音提示而漏下或漏上的也屡见不鲜。全自
5、动报站，这种报站方式实现了智能化，彻底改变了公交车语音报站器必须由司机操控才能工作的方式，系统自动识别车站，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，比较准确。虽然国内外都在研究公交车的智能化报站系统，但他们实现的技术手段是不一样的。尽管如此，但他们却有一个共同点，都是利用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，
6、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。除此之外，智能化控制系统还有诸多优点：（1）使用GPS技术，无需手动操作，分担司机的劳动强度，安全运行。（2）可同时存储8条线路语音，分上/下行方向，每个方向可存储80个站，方便于一车行驶多条线路。（3）支持多种语言，满足各地实际需要。（4）配套上位机软件，使得语音编辑，制作，下载，拷贝十分方便，方便用户自行修改语音内容。（5）对于行驶相同路线的车辆，可以只学习其中一台，通过拷贝，就可以完成其它车辆的学
7、习。（6）通过USB口对内容进行拷贝，十分方便。（7）蕴含丰富广告资源：报站广告冠名、地理定位广告、整点报时冠名广告。（8）可存放MP3音乐，满足乘客需要。（9）可实现内/外报站对车内车外乘客都起提醒作用。（10）具备整点报时功能，如一到12点，它就会爆：12点整。在这里十分适合加广告。但其投资昂贵，尤其是一些中小城市无法承受，且这种基于GPS的智能化报站器一旦GPS故障就处于瘫痪状态，给城市公共交通事业带来诸多不便，由此使得这种报站方式无法推广。近年来单片机技术迅猛发展，广泛应用于诸多领域。由于单片机具有可编程性及优良的存储扩展性等许多优点，使得基于单片机的自动化报站方式也具备了智能化报站的
8、优点且与智能化报站相比有成本低廉、性能稳定等优点。这种报站方式在近年来发展迅猛，并在市场中占据主导地位。在未来若干年中，这种价格低廉、高性能、体积小、节能环保的基于单片机的报站系统必将成为主流。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。1.4 设计的主要目标任务实现公交车的语音自动报站，即公共汽车的全程设置若干停靠站，当车到达1站，扬声器发出：“1站到了，乘客请下车”的语音提示，系统处于等待状态，一旦检测到汽车的启动信号，扬声器发出“车开了，乘客请购票，下一站是2站”。同时数码管显示站名。本课题要求设计一公
9、交车自动报站系统，此系统既可以通过司机按键报站，也可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电路进行站名显示。本设计利用AT89C51作为主控芯片完成主控电路的设计，辅助电路主要包括语音电路、数码管显示电路、电源电路、语音电路等。2 原理框图此系统对车轮轴的转动圈数的脉冲进行计数，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、CPU控制、控制信号、语音芯片、输出显示等组成。如图2.1所示。脉冲检测对车轮转轴所转过的圈数进行检
10、测并通过单片机进行计数，到站，则由LED显示电路显示站名，语音电路通过预存在语音芯片存储器中的语音报站，键盘是用于输出控制信号，状态指示电路用于显示状态，复位用于手动复位。图2.1 原理框图3 系统各硬件模块设计说明3.1 AT89C51单片机各端口说明VCC：供电电压。VSS：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O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
11、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口：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，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
12、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“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：表3.1 AT89C51特殊功能口口线第二功能名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0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
13、.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。 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1/6。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
14、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，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）。 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。3.2 振荡器
15、电路的设计89系列单片机的内部振荡器电路如图3.1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，便构成一个完整的振荡信号发生器，此方法称为内部方式。振荡器的等效电路如图3.2所示。在图中给出了外接元件，即外接晶体及电容C1，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，C1，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C1，C
16、2的值取47pF。图3.1 AT89C51单片机内部振荡器电路图3.2 片内振荡器等效电路3.3 复位电路的设计89系列单片机与其他微处理器一样，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。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
17、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。手动复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，保证能满足复位的时间要求。手动复位如下图所示图3.3 手动复位3.4 电压变换电路的设计公交车上所使用的电源电压为24V，而AT89C51芯片的工作电压为5V，所
18、以需要将24V的电压转换成5V电压。设计中采用了三端固定正电压集成稳压器7805，来得到+5V稳定电压。集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。根据输出电流值的不同，选用不同系列的芯片，当电流小于100mA时，可以
19、选用78L00系列；当电流在0.5A以内时，可选用78M00系列；当电流在1.5A以内，应选用7800系列的芯片。7805的最大输出电流为1.5A。图3.4 电压变换电路由于语言芯片工作电压是3V，因此需要设计一个稳压电路，将5V电压转换为所需的3V电压，这就用到集成稳压器LM317。稳压电路如图3.5所示。图3.5 稳压电路3.5 脉冲检测电路设计本设计的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，而霍尔元件具有耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点，故采用可靠的霍尔元件DN6848作为信号采集装置，再经过光电耦合器4N25输入给单片机。霍尔器件具有许多
20、优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达um级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55150。光电耦合器的电流传输比为10%250%，响应时间小于10us。图3.6 脉冲检测电路3.6 LED显示电路LED显示方式有动态显示和静态显示。静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出
21、口进行控制。动态显示方式它利用了人眼的“视觉暂留”效应，它是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。相对于动态显示，静态显示有LED的亮度高，软件编程也比较容易等优点。基于对I/O口资源综合分配考虑，本次设计采用了静态显示。设计图如下图3.7 LED显示电路3.7 语音电路设计3.7.1 语音芯片外部引脚及其说明图3.8 ISD4004引脚图电源 (VCCA,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
22、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(ANA IN+)： 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3K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输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV音频输出(AUD OUT)：提供音频输出,可驱动5K的负载。片选(/SS)：此端为低,即向该ISD4
23、004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入(MOSI)：此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。串行输出(MISO)：ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端呈高阻态。串行时钟(SCLK)：ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。中断(/INT)：本端为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。OVF标志-指示ISD的录、放操作已到达存储器的未
24、尾。EOM标志-只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。行地址时钟(RAC)：漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存贮器共2400行)。该信号175ms保持高电平，低电平为25ms。快进模式下，RAC的218.75s是高电平，31.25s为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟(XCLK)：本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外
25、部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。自动静噪(AMCAP)：当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。10,133.7.2 极限参数（1）支流
26、电源电压范围（VccVss）：-0.3+0.7V（2）输入电压范围（所有引脚）：（Vss-0.3V）（Vcc+0.3V）（3）输入电压范围（所有引脚，输入电流不超过20mA）：（Vss-1.0V）（Vcc+1.0V）（4）输入电压范围（MOSI、SCLK、INT、RAC、/SS引脚，输入电流不超过20mA）：（Vss-1.0V）5.5V（5）结温：+150(6)存储温度范围（Tstg）：-65+150(7)引脚焊接温度（10s）：+30010,133.7.3 功放电路的设计ISD4004芯片的音频输出引脚AUD OUT可以驱动一个5k的负载，当器件上电后，该引脚输出的电源为1.2V。本设计中选
27、用的放大器是LM386，LM386是为低电压应用设计的音频功率放大器，其工作电压为6V，最大失真度为0.2，功率频响为20100kHz。如图所示。由于功率放大器LM386要接+6V电压，因此还需要一个电压变换电路将24V电压变换成+6V的电压。这里选用的是芯片LM317。LM331是三端可调式集成稳压器，其电路结构和外接元件如图315所示。它的内部电路有比较放大器、偏置电路（图中未画出）、恒流源电路和带隙基准电压等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压（约1.2V）接至比较放大器的同相端和调整端之间。若接上外部的调整电阻R1、R2后，输出电压为
28、 （2.1）LM317的=1.2V，=50uA，由于调整端电流 ，故可以忽略，所以上式化简为 （2.2）图3.9 功率放大电路3.8 硬件总图图3.10 硬件总图4 主要模块的重要知识4.1 AT89C51的中断中断处理可分为3个阶段，即中断响应、中断处理和中断返回。所有计算机的中断处理都有这样3个阶段。如果中断条件满足，且不存在中断阻断的情况，则CPU将响应中断。此时，中断系统通过硬件生成长调用指令（LCALL），此指令将自动把断电地址压入堆栈保护起来，然后将对应的中断入口地址装入程序计数器PC，使程序转向该中断入口地址，执行中断服务程序。在AT89C51机中各中断源于之对应的入口地址分配如下:中断源 入口地址外部中断0 0003H定时器T0中断 000BH外部中断1 0013H定时器T1中断 001BH串行口中断 0023H4.2 中断允许控制寄存器IE在AT89C51中断系统中，中断的允许或禁止是由片内的中断允许寄存器IE控制的。IE寄存器地址为A8H,位地址为AFH-A8H.寄存器的地址及内容如表所示：表4.1 中断允许控制器IE位地址AF AE AD AC AB AA 99 A8位符号EA / / ES ET1 EX1 ET0 EX0E
