智能公交车报站系统0602A.docx
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智能公交车报站系统0602A
智能公交车报站系统
摘要
随着时代的进步,公交车已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具。
公交车的发展程度也是衡量一个城市发达程度的表现。
我国总理温家宝说:
优先发展城市公共交通是符合中国实际的城市发展和交通发展的正确战略思想。
传统公交车由乘务员人工报站,由于其效率低,效果差,工作强度大,现在已经逐渐被淘汰。
本文采用AT89C51系列单片机作为主控CPU,控制ISD4004语音控制电路以及LCD液晶显示作为智能公交车报站系统的主要控制设备,利用89C51单片机作为CPU来进行总体控制,通过语音控制电路进行各种提示语音的播放,同时使用LCD液晶进行显示,实现了公共汽车的语音自动报站以及文字提示的功能,实现了图文、语音一体化协调工作。
ISD4004语音系列芯片是美国ISD4004公司推出的产品,具有多次重复录放,存储时间长,使用时不需扩充存储器,所需外围电路简单等特点。
本系统是以C语言来进行软件设计,指令的执行速度快,节省存储空间。
为了便于扩展和更改,软件的设计采用模块化结构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了,使硬件在软件的控制下协调运作。
关键词:
AT89C51ISD4004报站系统
IntelligentAutomaticBusStationSystem
Abstract:
WiththeprogressofTheTimes,thebushasbecomeageneralapplicabilityandstudentsgotothefamilytransportation.Thelevelofdevelopmentofbusmeasuresacity’slevelofcovilizition.OurPrimeMinisterWenJiaBaosaid:
Prioritytothedevelopment ofurbanpublictransport istherightstrategicideainlinewith China'sactualdevelopmentof urbandevelopment andtransport proper strategicthinking.
Duetothemicrocontrollertechnologyandelectronicvoicetechnologyrapidlydevelope.Atpresent,inthebusstops,alsofromthetraditionalartificialstops,graduallychangingintousingthemicrocomputercontrolsystemofbusstopannouncement.ThispaperintroducesthedesignprincipleofanewkindofbusautomaticstopsdisplaysystemandprovidesanewplantocontrolISD4004pronunciationchipandLCDdotmatrixtodisplaychinesecharactersby89C51MCU.
ISD4004seriespronunciationchipistheproductsofISDcompany,withthecharactorofrepeatedrecording,longtimestorage,withoutexpandedmemorywhenusingandsimplecircuitoftheperiphery,etc.
ThissystembasedonClanguageforsoftwaredesign,theinstructionexecutespeedlyandsavestoragespace.Inordertofacilitateexpansionandchange,thedesignofsoftwareadoptmodularstructure,maketheprogramdesignoflogicalrelationshipmoreconcise,makethehardwareunderthecontrolofthesoftwareoperationharmoniously.
Useing89C51asCPUtooverallcontrolandthroughthespeechcontrolcircuittoplayvariouskindspeechhint.Realizingthebusstopsandcharactersofthevoiceoffunction,thetext,voiceintegrationarerealizedcoordinationlytoo.Reducethelaborintensityofsalespersonneldepartment,improvingthequalityofbusservice.Itisakindofnewproductsoftechnologyandfashion.Atthesametime,itgetsridoftraditionalelectronicscreen"line",tomakeitsapplicationbecomemoremarket-oriented.Thecharacteristicsof"flow"showsispraisedhighlybyadvertising.itisakindofnewmedia.
Keywords:
AT89C51ISD4004Stopannouncementsystems
第1章前言
1.1论文背景及研究意义
公交车为人们的工作、出行提供了方便快捷的服务,是城市发展、人们出行的重要交通工具之一,而一个公交车报站系统的优劣也决定了人们对公交车的评价的好坏,因此公交车报站系统对于发展城市公交有着重要的意义。
传统的公交车采用人工报站的方式,效率低,工作量大,不仅浪费了大量人力物力,而且效果也不好。
随着科技的发展,微型计算机已经进入了诸多领域,本文设计的系统采用AT89C51系列单片机,AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
在一些公交车自动语音报站系统中,广泛采用的是通过使用语音芯片进行设计电路,然后通过MIC录音电路以及功放电路进行语音的录制与播放,同时通过单片机对语音芯片进行相应的选择以及功能的控制,从而完成语音报站。
但是由于传统的语音芯片的外围电路比较复杂,所以实现复杂、易受干扰、不易控制并且精度不高。
而ISD4004系列语音芯片,不需复杂的外围电路和A/D转换电路就能直接与单片机完成语音的录制与播放,其优点是实现方便、精度高,可根据不同需要应用于不同场合。
基于提高对语音芯片的认识和了解,尤其是对ISD4004系列的深入研究以及其用法与用途,结合实用、可行和典型的原则而设计了本系统。
1.2发展趋势
公交车作为一座城市重要的交通工具,给人们提供便捷的出行的同时,也是城市一道亮丽的风景,因此公交车的语音报站对于整个城市的发展有着重要的意义,人性化的报站系统给乘客提供更舒心的服务。
如今,公交车报站系统有几种形式,一种是语音报站系统和LED显示屏的结合,乘客不仅能听到报站的声音,与此同时还能够通过LED显示屏看到播放的信息,这种系统的优点是能看到当前的站位信息。
还有一种是全自动报站系统,该系统通过GPS定位系统以及安装在车内的液晶显示屏组成,当公交车到站时,不用司机手动按钮,通过GPS定位确定到站的位置,实现自动语音报站以及显示的功能,这种系统的优点是完全不用司机通过按键来实现,更加人性化,但其造价昂贵,相应的投资也会增加。
考虑到便捷和成本问题,本文涉及到的是利用单片机和语音芯片组成基本的系统,通过司机按键实现相应的功能。
1.3主要研究内容及相应功能
本系统的主控器是AT89C51单片机辅助电路为ISD4004语音芯片组成的语音电路以及电源电路等,附加驱动电路、按键、等组成,可实现对各种信息的播放,比如到站信息,警示语等。
不仅给司机乘务员减轻了压力,而且给乘客提供更直观、人性化的服务。
第2章总体方案
2.1系统总体框架
系统主要要五大模块组成,包括:
CPU、电源、语音、显示部分以及键盘电路,如图2-1.
2.2方案比较
2.2.1方案一
公交车语音自动报站器的设计,对车轮轴的转角脉冲进行计数,将计数值与预置值对比,就可以确定报站时刻,最终达到准确自动报站的目的。
以AT89C51为主控芯片,对所获得的脉冲进行计数,并结合语音芯片ISD4004输出语音。
系主要统由脉冲检测、脉冲计数、CPU控制、控制信号、语音芯片、放音电路、输出显示等组成。
原理框图如图2-2所示。
图2-2原理框图
1.脉冲检测:
该系统主要是对轮轴所转过的圈数进行计数,因为车辆运行的环境比较复杂,故采用霍尔元件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:
光电耦合信号进入89C51后,采用中断方式对脉冲计数。
外部晶振12MHz。
3.CPU控制:
程序中将计数值于预置值进行比较,判断是否到站,如果到站就输出信号控制语言芯片进行报站。
4.按键控制:
用于手动控制、手动调整、预置值的输入等
5.语言芯片:
采用ISD4004语音芯片,其主要特点是可擦写,便于在不同公交线上使用。
6.输出显示:
LED点阵汉字显示。
2.2.2方案二
第二种方案是利用8031单片机作为CPU来进行总体控制,当公交车到达某站时,汽车司机通过键盘来控制该系统进行相应的报站操作,并且系统将使用状态指示电路,给司机提供出当前的行驶方向以及站名(假如运行方向与实际方向不符,司机可通过键盘来调整)。
原理图框图如图2-3所示。
图2-3原理框图
本系统使用8031作为主控CPU,由CPU来控制语音合成芯片TC8830AF,使其工作在CPU控制模式下。
由CPU控制语音合成电路中的语音芯片来读取其外接的存储器内部的语音信息,并合成语音信号,然后再通过语音输出电路,进行相应的语音报站以及提示信息。
CPU同时通过写入的程序读取汉字信息,送入LED点阵显示系统来进行信息的汉字提示。
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,通过语音合成芯片进行数据处理,并将生成的数字格式的语音信息存储到语音存储芯片中,以此建立语音库,实现语音报站。
2.2.3方案三
第三种方案采用的是AT89C51作为主控CPU,附加相应的语音录放电路、语音播报电路、LCD液晶显示电路,按键电路等,组成整个系统。
原理框图如图2-3
图2-3原理框图
该系统语音芯片采用的是ISD4004,其特点是可擦除次数多,掉电保存数据时间长,高品质的音质,可对多段信息进行寻址等。
LCD显示用的是LCD1602,可以对其进行两行的显示,工作电压与单片机的工作电压相同,因此不需要再进行电压变换。
此系统的优点是造价低,操作简单,由于考虑到价格方面,故有些功能,比如GPS定位等硬件并未安装到本系统中。
2.3方案选择
通过将方案一与方案二以及方案三进行比较,方案一使用AT89C51作为主控制芯片,通过对里程的计数来控制报站时刻,优点是无需人工操作,但其对精度要求较高,并且需要较大的成本投入。
方案二是采用的是8031单片机控制,通过键盘来控制公交车报站,8031是intel公司较早的产品,但由于其内部没有程序存储器,实际使用方面已经被市场淘汰,所以本课题决定选用方案三,它使用AT89C51作为主控制芯片,通过按键、LCD液晶显示来显示当前的信息,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。
系统由主控器以及电源电路、语音电路、键盘电路等组成,其中主控器采用AT89C51单片机,语音电路中的语音芯片采用ISD4004。
2.4AT89C51介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦鞋的flash只读存储器和128kbytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。
在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用,因他不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写,一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。
显而易见,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密,这又很好地保护了你的劳动成果。
再着,AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低,市场供应也很充足,因此本系统中用到的主控器是性能比较高的AT89C51单片机。
2.4.1AT89C51主要性能参数
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.4.2功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.4.3AT89C51封装模式
AT89C51有如下几种封装,如图2-4
图2-489C51封装
2.4.4引脚功能说明
·Vcc:
电源电压
·GND:
地
·P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在FIash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时要求外接上拉电阻。
·P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
FIash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
·P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。
·P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
除此之外P3口还有很重要的第二功能,如表2-1
表2-1P3口第二功能表
端口引脚
第二功能
端口引脚
第二功能
RXD(P3.0)
串行输入口
T0(P3.4)
定时/计数器0外部输入
TXD(P3.1)
串行输出口
T1(P3.5)
定时/计数器1外部输入
INT0(P3.2)
外中断0
WR(P3.6)
外部数据存储器写选通
INT1(P3.3)
外中断1
RD(P3.7)
外部数据存储器读选通
·RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的l/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的DO位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
·PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN信号不出现。
·EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接VCC端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
·XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
·时钟振荡器:
AT89C5l中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器,振荡电路
外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,我们推荐电容使用30pF±10pF,而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。
2.5ISD4004语音芯片介绍
ISD4004具有8到16分钟的录音时长,工作电压是3V,高品质的录音回放,并且不需要考虑其算法,掉电保存时间可达100年,可反复录音10万次,可对多段信息进行寻址。
具体的ISD4004系列的录放时长以及输入采样等数据如表2-2
表2-2ISD4004系列芯片录放时长
型号
时间(min)
输入采样(Hz)
典型带宽(Hz)
ISD4004-08
8
8
3.4
ISD4004-10
10
6.4
2.7
ISD4004-12
12
5.3
2.3
ISD4004-16
16
4
1.7
2.5.1ISD4004语音芯片概述
WINBOND公司的ISD系列语音芯片采用了“直接模拟量存储”(DAST)专利技术,信号无需经过D/A,A/D转换,数字压缩和语音合成等复杂的数字信号处理过程,减少了失真,使其声音存贮效果较以前产品有大幅提高,实际试听主观评价可以达到磁带录音机的水平,是目前市场上录放效果最好的语音电路之一。
ISD4004是美国ISD公司制造的一种新款语音芯片。
与ISD其它系列语音产品不同的是,ISD4004是一种微控制器“从”设备,而“主”控制器可以是内置有SPI兼容接口的微控制器,也可以用I/O仿真SPI通信协议。
ISD4004系列工作电压为3V,单片录放时间为8~16分钟,本系统采用的是8分钟的ISD4004语音芯片,其优点是音质好,适用于移动电话及其它便携式电子产品中。
该芯片采用CMOS技术,内含振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。
芯片的所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。
ISD4004采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能非常真实、自然地再现语音、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。
采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。
ISD4004语音芯片内部结构如图2-5所示
图2-5ISD4004语音芯片内部结构
2.5.2ISD4004引脚功能说明
图2-6ISD4004芯片结构
ISD4004的引脚排列如图1所示,各引脚功能如下:
·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小,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+):
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3kΩ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,与ISD33000系列相同。
·反相模拟输入(ANAIN-):
差分驱动时,为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(AUDOUT):
提供音频输出,可驱动5kΩ的负载。
·片选(SS):
此端为低,即向该ISD4004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MIS
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