公交车语音报站器的设计.doc

摘要 本设计介绍了一种以凌阳十六位单片机spce061a为核心，结合led显示屏， 无线接收模块，无线发送模块等公交车报站器。本文详细研究了报站器的控制 部分、显示部分，存储系统的设计方案。以及硬件系统和软件系统的设计。整 个报站过程不需要驾驶员的参与，达到了减轻驾驶员的工作量，提高公交车的 安全性目的。经过不断的调试和改进本设计能准确的报站。且该系统语音音质 好，功能强，成本低，为公交服务提供了很大方便，具有很大的应用价值。 关键词关键词：spce061a 单片机；公交车报站器；led 显示；公交车 abstractabstract this paper explains the principles of a bus-stop device, and offer a hardware and software design program that the microcontroller core，spce061a, controlls the led display ，wireless receiver module and wireless transmit module. it discusses the total design idea and the realization method of voice control, display system and memory system. then it describes the design project of hardware system and software system in detail. the entire process runs without the bus driver participation. it not only abates the bus driver s work intensity, but also ensures the security of bus and veracity of station broadcasting. this design can be reported accurately station as a constant debugging and improvement. this system will provide a well bus service with its high quality voice, strong function and low cost. the design has great value. keywords: spce61a scm; bus station broadcasting; led display; bus 目录 第 1 章 绪论1 1.1 选题的目的及意义.1 1.2 研究现状.1 1.3 论文的主要内容.3 第 2 章 硬件设计5 2.1 整体系统介绍.5 2.2 led 显示部分6 2.3 音频输出模块 .7 2.4 无线接收与无线发送模块 .7 2.5 键盘模块 .8 第 3 章 软件设计9 3.1 总体设计.9 3.2 键盘扫描模块.11 3.3 语音播放模块.12 3.4 显示模块.13 第 4 章 调试与结果14 第 5 章 展望及不足15 参考文献16 致谢18 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 选题的目的及意义选题的目的及意义 在交通工具日益发达的今天，公交车以其快捷，方便，依然是人们出行的 首选，在技术落后的以前公交车上有一个司机一个售票员，报站主要依赖售票 员，由于售票员大多有浓厚的家乡口音，给乘客带来了很多的不便，且随着公 交公司的裁员，实现了无人售票，司机又兼职报站员，给安全带来了一定的隐 患。随着科技的发展，虽然现在部分公交车报站系统具有语音报站的基本功能， 但由于报站时采用司机手动切换，一方面增加了司机的劳动强度，另一方面由 于司机的误报或漏报，造成乘客误下或漏下，对于公交运营产生了很大负面影 响，更会对乘客造成很多不必要的影响。为此，研究公交车自动报站系统是非 常必要的。1 基于单片机控制技术已广泛应用于工业控制、家用电器、智能玩具等众多 领域，给人们的生产和生活带来极大的方便。本文设计的以spce061a单片机为 核心的公交车报站系统具有硬件电路简单、成本低廉、软件编写较容易等优点。 本设计实现了自动报站，不仅为公交公司节约了成本，而且为大众带来了方便。 更重要的是它是服务人性化的一个新的发展，是用科技方便人们生活一个典型 的例子。 1.21.2 研究现状研究现状 过去的人工报站已逐渐被淘汰，取而代之的是电子报站系统。现在公交车 上采用的公交报站系统具有语音报站的基本功能。本设计采用全自动的方式进 行自动报站，完全不需要驾驶员在进站前操作键盘，防止司机分散注意力，真 正实现自动报站功能，将公交报站器提高一个新档次，是传统公交报站器更新 换代的产品。2同时可以与led电子显示条屏配套使用，实现语音、文字同时报 站功能，使公交车装备现代化，提高了服务档次。 现在的报站系统大体可分为三大类：手动报站、基于单片机的自动报站器、 基于gps的自动报站。 第一类：手动报站。手动报站是简单利用电子产品，减少劳动力的简单有 效的方法。但它已经不可以满足大众的需要，因为它加大了司机的劳动量，但 在经济不发达的地区还在使用。3 第二类：基于单片机的公交车自动报站系统。 其中一种技术关键是对车轮转轴的转角的脉冲进行计数，将计数值与预置 值对比，即可报站时刻确定，达到准确自动的目的。以 at89c51 为处理器在中 断程序中对外来脉冲计数，并利用 isd4004 输出语音。系统完成以后就可以上 机调试，在使用时应用配套的烧写器将车站与车站之间的距离写入单片机内， 如果不知道距离可以在单片机上采用手动方式输入，使装置处于输入状态，出 站时按下录入键，到站时按下确定键，就可以将站与站之间对应的数据写入单 片机。使用中如果出现错报，即可采用手动调整。4该方式应用 at89c51 单片 机的高速计数器端口进行脉冲计数，以距离来控制报站时刻，该报站器改变现 有设备的不足，实现了模糊控制，使报站器有了一定的改进。做到简单实用自 动化程度高。其中传感器在公交车上的应用，极大的提高了设备功能。5 但是在改变线路或者增加站台等情况时，修改程序比较复杂，尤其是遇到 突发状况时司机的任何解决突发状况的方法都将使该系统不能正常运作，目前 该系统在实际中使用较少。6 另外一种基于单片机的公交车自动报站系统就是利用无线收发模块来实现 的。每个站牌上设一个发送装置，每辆公交车上设一个接收装置，发送装置不 断发送信号，接收装置在公交车在离站 20 米范围内接收到信号，然后就自动语 音报站，这种就是该论文中设计的报站系统，但在此基础上有所改进。7接下 来的论文将详细介绍这种报站系统。这种报站系统软件编写简单，修改容易， 而且芯片价格低廉，具有很高的性价比，是公交车自动报站系统的较佳选择。 第三类：基于 gps 系统的报站系统。 gps 系统是由美国国防部开发的高精度卫星导航系统。用户通过用户设备 接收 gps 卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用 gsp 进行导航和定位的目的。gps 语音自动报站系统，采用先进的卫星定位技 术彻底改变了传统公交车语音报站器必须由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，准确、及时、完全不需要人工介入，是公 交车语音报站器的一项技术革命，它将为公交车的管理人员和乘客带来福音， 实现了公交车报站器的完全智能化。目前，国内 gps 语音自动报站系统处于试 验阶段，仅有北京，广州、青岛等几个城市采用 gps 语音自动报站技术。8兰 州石化职业技术学院电子电器工程系的权建军，邹益民利用 gps 技术与 51 单片 机结合实现了自动报站的功能9。 基于 gps 自动报站系统，现在在国外已经正式上市，他可通过 gps 全球定 位技术确定公交车位置，自动报出车辆所在站名，以及服务用语，在特殊情况 下还可以把手动报站，车内呼叫等功能一并实现，还可以连接车内 led 大屏显 示广告以及站台信息，该系统还可以和 gprs 通讯系统连、接，实现实时监控公 交车运行请况，实现总调度过程。10 基于 gps 的公交车自动报站系统能完全实现预定的功能，能大大降低司乘 人员的劳动强度，加大公共交通运营管理力度，增强公交车管理的科学性。对 维护运营秩序、提高运营效率、保证运营安全和促进智能公交的发展都具有积 极意义。11目前的系统还存在一些不足，在有些城市，因为树木、高楼的遮挡， 存在有些路段接收不到 gps 信号的问题，这就需要利用陀螺仪等其它辅助定位 系统和 gps 定位相结合进行定位。系统下一步发展趋势，是 gps 自动报站系统 和 gprs 技术和 gis 相结合，即把 gps 定位、gprs 无线交通网和城市地理信 息系统结合起来，对城市的车辆进行实时的控制与管理，形成城市的智能交通 络，进一步促进城市交通的发展。 1.31.3 论文的主要内容论文的主要内容 本文简要介绍了一种以凌阳 spce061a 单片机为核心的公交车报站器的各部 分原理及其功能。其主要功能：在公交车靠近站牌时能进行自动报站，很大程 度上减轻了司机的劳动量；在行驶的过程中可以插播广告，为公交公司提供了 额外的收入；报站前可以播放文明用语，从而提高人们的自觉程度，对社会的 文明进步有一定的推动作用；在行驶到平稳路段时可以播放音乐，使乘客疲惫 的身心得到放松。 以前的报站器大都是语音报站，然而在繁华的街道由于汽车的马达声以及 各种噪声的干扰，使语音报站不能准确的达到预期的效果。本设计就此加以改 进加入了 led 显示屏，这样就可以使语音报站和屏幕显示结合起来，即使无法 听清楚站名也可以看的到。这样就增加了报站的高效性。而且 led 显示条屏具 有电压低，亮度高，响应速度非常快，体积小，很高的可靠性,颜色鲜明等特点， 已成为了目前应用最广泛的屏幕显示器件之一。12 以前报站器大都采用手动报站，而本报站器采用了无线接收与无线发送模 块，使得整个过程不用司机的参与，实现了自动报站。将减轻司机的负担，使 得公交车更加人性化。13 主要功能如下： （1） 实现上，下行线的自动报站； （2） 可以在播报完站牌的间歇播报广告与音乐； （3） 在播报不准确的情况下可以进行手动调整，即具有手动报站、 自动报站两种功能； （4） 可以通过led显示屏显示报站信息和广告等信息。 （5） 备有下载口，用户可直接下载更新站名和站数，更新快捷方 便。 第第 2 2 章章 硬件设计硬件设计 2.12.1 整体系统介绍整体系统介绍 系统以 spce061a 为核心，可以划分为键盘输入、spr4096 资源存储，led 显示与语音播放等部分，如下图所示。 图 1 原理框图 如上图所示，在公交车站台处设置无线发射器，当公交车离站台一定距离 时，接收到发射器的信号，经过编码验证后,将信号送入主控制电路板。主控制 电路板由单片机来进行控制, 通过编写程序,按照顺序发出控制信号给语音存储 模块，调用语音模块中录制好的语音信息，再通过功率放大电路放大后,就可驱 动扬声器，自动播报如“车站到了，下车的乘客请准备”、播报完后再调 用程序中的文字显示程序，在显示屏上显示。13播报完后根据程序设定循环播 放文明用语和广告，整个过程完全由单片机控制自动完成，无需公交车驾驶员 参与。但为了应对紧急情况及突发事件，特地的安装上备用键盘，以备不时之 需，即如果出现错误可以由司机用键盘调节。 键盘 输入 存储器 spce061a 站 牌 无 线 发 送 led 显示屏 语音报站 无线接收 键盘 2.2 led 显示部分显示部分 本系系统采用可显示 16 个汉字的 16 行*16 列型点阵，整个显示屏共 256 路 列线和 16 路行线，采用单片机的 ioa0-ioa11 共 12 个口控制 led 点阵的显示。 行信号控制：通过一片 74ls154(4-16 线译码器)芯片译码，再通过两片 74ls240 芯片，逐一对 16 路行线进行扫描。 列信号控制：点阵的 256 路列信号，可以分成 32 页，每 8 路信号为一页， 单片机的 ioa5-ioa7 控制一片 74ls138 芯片(3-8 译码器)，可以对 8 路信号进 行扫描。为了扫描每一页中每一列信号，需要对 32 页进行逐一选通。可以用两 片 74ls154 组成一个 5-32 线译码器，其 5 路信号可有 ioa0-ioa4 提供。并且每 一页的 8 路信号可加一个 74ls244 芯片，共需 32 个芯片。14 总体电路实现：ioa8-ioa11 控制一片 74l154(4-16 线译码器)再通过 74ls240，可以使 16 路信号中一路为高电平而其他为低电平，再通过 npn 型三 极管，可实现 15 路截止只有 1 路选通。通过单片机的 ioa0-ioa4 控制有两片 74ls154 组成的 5-32 译码器，可以唯一的选通 32 个 74ls244 中的一片，即一 页，而其他页处于高阻态，而 ioa5-ioa7 控制 74ls138 对一页中的某一路进行 选通，使一路为低电平其他为高电平。因此可以实现 16*256 中某一个 led 的点 亮，通过循环可以选通每一个 led。15 页 控 线 . 图 2 led的电路连接图 spce61a ioa0 ioa1 ioa2 ioa3 ioa4 ioa5 ioa6 ioa7 ioa8 ioa9 ioa10 ioa11 单字屏幕 4-16 译 码 器 5-32 译 码 器 3-8 译 码 器 2.32.3 音频输出模块音频输出模块 spce061a内置2路10位精度的dac，只需要外接功放电路即可完成语音的播 放。spy0030是一款音频驱动放大芯片，可以工作在2.46v范围内，最大输出 功率可达700mw，由于它的便携性而有着广泛的实际应用。16 如下图所示使用 时用跳线将j2的1、2端连接起来即可。如下图所示 图 3 音频输出电路原理图 2.42.4 无线接收与无线发送模块无线接收与无线发送模块 公交车报站器自动报站功能可以有效的减轻乘务人员的负担并能防止误操 作，具有很强的应用价值。目前采用的方法有很多，如、门控自动报站 等方式，这里我们采用无线收发电路实现。如下图所示，收发电路由无线发射 芯片和无线接收芯片组成。无线发射电路放在车站站牌 里，当公交车行驶到靠近站台时，报站器接收到无线电信号就会自动播报当前 车站站名，实现自动报站。17 一片可实现路独立的无线电发射，若将多片与多 片并联应用，仅需改变相配套的电路外接 的阻值，进而改变其基准频率，即可方便地实现路、路、 路甚至更多路的无线发射，这样就可以实现一个站台多路公交车自动报站 的需要。 图 4 无线收发模块 2.52.5 键盘模块键盘模块 由于本设计为自动报站系统，按键只是起辅助作用，所设键比较少共上调 键，下调键，启动/关闭健以及音乐播报键四个键，所以应用独立式按键方式， 用 ioa12-ioa15 作为四个按键端口。独立式按键就是各按键相互独立，每个按 键单独占用一根 i/o 口线，每根 i/o 口线的按键工作状态不会影响其他 i/o 口 线上的工作状态。18因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按 键被按下了。其优点为电路配置灵活，软件结构简单。 上调键：将当前报站名减 1，播报上一站名。 下调键：将当前报站名加 1，播报下一站名。 启动/关闭键：接通电源后，按一下启动，再按一下系统关闭。 音乐播放键：播放存储在存储器中的音乐。 spce061a ioa12 ioa13 ioa14 ioa15 上 下 启 乐 图 5 键盘连接图 第第 3 3 章章 软件设计软件设计 3.13.1 总体设计总体设计 本设计分为手动报站和自动报站。手动报站主要时在报站错误是进行修改。 将软件进行分模块设计。主要包括主程序，语音报站程序模块，显示程序模块 等。当无信号接收时，按默认的循环模式进行播报广告，文明用语等，一旦接 收到信号退出其它显示及其播报，进行报站。 y n y n 播报对应站 名 接受无线信号？ 循环播报音乐，广告，文明用语 清看门狗 开始 初始化 初始化 spr4096，键盘， led 屏显示 键盘有按下？ 根据键盘设置播报 根据键盘设置播报 图 6 软件流程图 程序设计流程如上图所示。 首先对系统进行初始化设置，确定公交车的初 始位置。如无特殊情况，默认为公交车从起始站出发。在公交车运行过程中， 不断对信号进行检测，当检测到某一站台的信号时，首先进行防干扰处理，防 干扰程序按照相同站台编码信号只触发程序工作一次的思路来编写，这样就避 免了公交车在靠近站台过程中因反复接收到遥控信号而引起的程序错乱。19 接下来对遥控信号进行编码验证。将接收到的信号编码与存储在单片机内 部存储器中的编码进行比对，以确定调用语音模块中语音信息的顺序，以保证 不会发生错误报站的情况，还可以很好地解决多路公交车停靠同一站台时的相 互影响问题。当出现一些特殊和意外情况时，司机按下控制按键，可强制对报 站程序进行修正；意外情况解除后，公交车接收到新的站台信号，通过编码验 证后,程序又可以恢复自动运行。 该程序在设计过程中考虑了公交车在实际运行中可能出现的各种问题，能 满足系统在实际运行中的各项要求。 3.23.2 键盘扫描模块键盘扫描模块 n 图 7 键盘扫描子程序流程图 程序循环对 ioa12-ioa13 进行扫描，当有按键按下去时执行相应的功能： 当上调键按下时播报上一站名；下调键按下时播报下一站名；音乐键按下时播 放音乐；单片机运行时按下启动/关闭键单片机停止运行。单片机处于关闭状态 时按下启动/关闭键，单片机运行。20扫描完之后返回主程序。 开始 读 ioa12-ioa15 是 0? 上 调 健 按 下 报 上 一 站 下 调 健 按 下 报 下 一 站 按 启 关 健 启 动 或 关 闭 音 乐 健 按 下 播 放 音 乐 返回 读 ioa12-ioa15 y 3.33.3 语音播放模块语音播放模块 y y 图 8 语音子程序流程图 语音播放部分主要有播报站名的功能。在有键按下时进行站名的更正或音 乐的播放。在无按键时，看是否接受到信号，当接受到信号时，先播放文明用 语。例如：“请为老弱病残让座！”21然后根据相应的编码播报站名。 开始 初始化部分参数 按键？ 执行相应功能 有信号？ 播报文明用语 播报对应的站名 返回返回 n n 3.43.4 ledled 显示模块显示模块 y n y n 图 9 led 显示子程序流程图 led 显示屏主要作为语音报站的补充。且加入了广告，可以提高公交公司 的收入，也会为大众带来方便。当有按键时（上调，下调键） ，显示相应的站名； 当无键按下时，且有信号时，显示相应的站名。无信号时显示广告和文明用语。 开始 初始化部分数据 是否按健？ 是否有信号？ 显示广告、文明语 返回 执行按键功能 显示站名 第第 4 4 章章 调试与结果调试与结果 系统的调试可以分为软件调试与硬件调试。软件调试可以在其集成开放环 境中进行，编译完之后，分别对各子程序进行仿真。仿真之后在下载到单片机， 根据实际要求，进行逐一测试。如果不满足则进行修改。直到可以准确的报站 以及显示各站名为止。 对于硬件的测试，要对电路板的各个部分进行测试，尤其对虚焊要严格检 查，因为如果发生短路可能是其他元件损坏。用万用表对电路板进行反复检查， 再分别测试键盘部分，i/o部分，语音播报部分，无线收发部分，led显示部分 等。22 在理想效果下报站器可以在 40 米范围内接收到信号，并进行精确报站。可 是在实际测试中发现在 20 米之内才能很好的接受信号，并且当有障碍物时，会 妨碍信号的接受，以至于出现报站延时，或接受不到信号不报站等情况。 刚开始运行时有时发生错报等错误。经过反复修改程序可以达到准确报站 的目的，如果将发送设备安装于高处，可以很好的发送信号，可是增加了建造 方面成本，同样也给维修方面带来了不便。 第第 5 5 章章 展望及不足展望及不足 未来的世界是将是高科技的时代，随着高科技产品的不断发展。人们日益 感受到了高科技给人们带来的巨大方便。公交车报站器也不例外，随着科技的 不断进步它将变的更加智能化与人性化。gps 卫星定位系统现在已经在发达国 家应用开来。随着我国航天技术的不断发展，我们将在不远的将来享受这一科 技成果。 本设计虽然价格便宜，电路简单，但也存在着不足之处，由于无线发送模 块位于站牌中，供电以及检修将成为一个比较繁重的任务，有得必有失，在不 久的将来这一问题将被解决。另外，公交线路多处于繁华地带。如果采用有线 方式来传输数据,不但铺设线路的施工复杂、成本高,而且,如果日后公交线路需 要变更(如车站位置更改) ,改变线路会十分麻烦。23 对于发送设备可以考虑蓄电池供电，随着电子技术的不断发展，会有高耐 用电池的出现。同时可以通过降低发送设备的用电量，提高接受器的灵敏度来 解决这一问题，即使在很微弱的信号下也可以进行准确接受信号，进行报站。 不过随着我国航天技术的不断发展，gps 定位技术的报站器在不久的将来 一定会惠及到每一个人。 参考文献参考文献 1 王俊. 基于单片机的公交车报站器的设计j. 科技经济市场 , 2008,(06) 2 周波,冯顽童,胡建龙,罗洪波. 公交车自动报站系统的设计j. 四川 理工学院学报(自然科学版) , 2008,(03) 3 黄艳国,许伦辉,眭相林. 基于gps公交车自动报站系统的设计j. 交 通信息与安全 , 2009,(01) 4 周国雄,许明情. 城市公交车自动报站系统设计及其应用j. 装备制 造技术 , 2007,(04) 5 颜世强,李树广. 公交车自动报站系统的设计j.工业控制计算机 , 2004,(06) 6 北阳公司.c语言在凌阳十六位单片机中的应用.北京:北阳电子内部技 术资料，2005.26-177. 7 童诗白主编模拟电子技术基础第三版，北京：高等教育出版社， 2000 8 曹云川,周