1、公交车站自动报站器的设计第 1 页 共 31 页 摘 要当今社会环境污染问题越来越严重，每年的 4 月 22 日为世界地球日，每年的 6 月 5日为世界环境日，可见人类对环境污染问题越来越重视。在城市中机动车的尾气成了污染环境的主要污染源，很多国家提倡人们乘坐公共汽车出行以减少污染，有的国家甚至设定某一天为禁止机动车日来告诫人们环境污染的严重性。由此看来，未来公共汽车将充当现代城市生活中的一个重要角色，而且无人售票的公共汽车成为了一个趋势。 公共汽车成为城市人们出行的必备选择后所面临的问题是乘客们如何能够在正确的车站下车，如何知道这辆车开向哪里，途中还会经过哪些车站。在一些需要提示乘客注意的情
2、况，比如车在转弯需要注意，或者需要让座等等，这时该怎么办？解决的办法就是利用公交车报站器播放语音，提示乘客。在当今社会，即使在私家车越来越多的今天，公交车仍然是人们出行的首选，因为公交车具有方便、快捷、车票便宜等优点。传统的公交车报站主要由售票员报站，但是有些售票员有着浓重的地方口音，给外地人乘坐公交车造成了困难，另外，随着无人售票车逐渐增多，公交车报站器就越显得重要了。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、输出显示等组关键字：AT89C51 单片机 公共汽车公交车站自动报站器的设计第
3、 2 页 共 31 页 目录第 1 章 绪论31.1 课题研究的背景及意义31.2 报站器的动态发展趋势31.3 设计的主要目标任务31.4 技术指标3第 2 章 设计的选择42.1 基本条件4第 3 章 硬件电路的设计63.1 主控电路的设计.63.2 脉冲检测电路的设计113.3 语言输出电路的设计133.4 LED 显示电路的设计17第 4 章 软件设计214.1 主控程序的设计214.2 语言报站程序的设计25致谢30 参考文献31公交车站自动报站器的设计第 3 页 共 31 页 第 1 章 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
4、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为了弥补改变传统语音报站器必须由司机操控才能工作的落后方式，我的设计能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
5、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
6、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。另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。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、汉字点阵显示电路等。1.4 技术指标工作电压
7、 24V静态功耗 6W音频输出 10W信噪比 34DB公交车站自动报站器的设计第 4 页 共 31 页 环境温度 -3080第 2 章设计的选择 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。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、CPU 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。运行原理图 2.2。图
8、2.1 原理框图图 2.22.1 基本条件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，当到站时就输出信号控制语言芯片进行报站。语音芯片控制信号脉冲计数CPU 控制 输出显示放音电路脉冲检测公交车站自动报站器的设计第 5 页 共 31 页 4. 控制按键：用于手动控制、手动调整、预置值的输入等5. 语
9、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：LED 点阵汉字显示（设计中没有编写） 。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。公交车站自动报站器的设计第 6 页 共 31 页 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 单片机它主要由下面几个部分组成：1 个 8 位中央处
10、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。3.1.1.1 主要性能1. 与 MCS-51 兼容 6. 32 可编程 I/O 线2. 4K 字节可编程闪烁存储器 7. 两个 16 位定时器 /计数器寿命：1000 次写/擦循环 8. 6 个中断源
11、 数据保留时间：10 年 9. 可编程串行通道3. 全静态工作：0Hz-24Hz 10. 片内振荡器和时钟电路4. 三级程序存储器锁定5. 128*8 位内部 RAM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A
12、T89C51 引脚图如图 3.1 所示。公交车站自动报站器的设计第 7 页 共 31 页 图 3.1 AT89C51 引脚图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
13、。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 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在
14、 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，如下所示：口管脚 备选功能公交车站自动报站器的设计第 8 页 共 31 页 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）
15、P3.5 T1（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 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
16、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，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
17、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。3.1.2 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。复位时序如图 3.2 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
18、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。 公交车站自动报站器的设计第 9 页 共 31 页 图 3.2 内部复位定时时序3.1.2.1 手动复位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
19、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。手动复位的电路如图 3.3 所示。图 3.3 手动复位电路3.1.3.2 上电复位AT89C51 的上电复位电路如图 3.4 所示，只要在 RST 复位输入引脚上接一电容至VCC 端，下接一个电阻到地即可。对于 CMOS 型单片机，由于在 RST 端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至 1uF。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给 RST 端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而逐渐回落，即 RST 端
20、的高电平信号必须维持| S5 | S6 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S1 | S2 | S3 |RST：INST ADDR INST ADDR INST ADDR INST ADDR INST ADDR INSTALE：/PSEN：P0： 11 振荡周期 19 振荡周期VccAT89C51RSTGND8.2k10uF+Vcc公交车站自动报站器的设计第 10 页 共 31 页 足够长的时间。上电时，Vcc 的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为 10MHz，起振时间为
21、 1ms；晶振频率为 1MHz，起振时间则为 10ms。在图 3.4 的复位电路中，当 Vcc 掉电时，必然会使 RST 端电压迅速下降到 0V 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器 PC 中将得不到一个合适的初值，因此，CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。图 3.4 上电复位电路3.1.3.3 复位后寄存器的状态当系统复位时，内部寄存器的状态如表 3.1 所列，即在 SFRS 中，除了端口锁存器、堆栈指针 SP 和串行口的 SB
22、UF 外，其余的寄存器全部清 0，端口锁存器的复位值为0FFH，堆栈指针值为 07H，SBUF 内为不定值。内部 RAM 的状态不受复位的影响，在系统上电时，RAM 的内容是不定的。表 3.1 各特殊功能寄存器的复位值专用寄存器 复位值 专用寄存器 复位值PC 0000H TCON 00HACC 00H B 00HPSW 00H SP 07HDPTR 0000H P0-P3 FFHIP 00000B IE 000000BTMOD 00H TH0 00HTL0 00H TH1 00HTL1 00H SCON 00HSBUF 不定 PCON（ CHMOS） 00000B在本设计中复位电路采用的是上电复位，即如图 3.5 所示。3.1.4 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+5VVccAT89C51RST8.2k10uF +VccGND
