毕业设计（论文）-可视听公交自动报站器系统设计.doc

目 录摘要2关键字2Abstract2Keyword2前言31 硬件系统设计31.1主控模块31.2 实时时钟模块41.3温度采集模块51.4.LCD显示模块61.5红外收发模块71.5.1 红外发送71.5.2红外接收81.6语音播报模块82. 软件系统设计92.1 主函数设计92.2实时时钟程序设计103 语音资源获取和处理134 字模的提取145 综合测试与分析146 结 论16参考文献17可视听公交自动报站器系统设计摘要：随着科技的飞速发展，人们的生活开始逐渐进入智能化、便捷化，出现了智慧城市。可视听公交自动报站器就是其中一个实例，该作品可以适时提示乘客上下公交车以及当前环境中的温度情况，使得乘客出行更方便。本系统采用基于51单片机的STC90C516RD主控制芯片实现对其他功能模块的控制，通过实时时钟模块和温度采集模块获取当前时间和温度值并显示在彩屏上供乘客观看，运用语音模块实时播报公交站名供乘客参考。该系统操作简单，可用性极强，可运用于现实的公交车系统中。关键字：公交自动报站器；51单片机；时钟模块；温度采集模块；语音模块The design of viewable and hearable Bus Station Reporting systemAbstract: With the rapid development of science and technology, the life of people gradually is into the intelligent, convenient, therefore smart city appeared. The viewable and hearable bus station reporting system is one of the instances. The work can be timely reminder passengers of gonging up and down the bus and the temperature in the current environment, which is for passengers to travel more convenient. This system based on 51 single chip microcomputer STC90C516RD master control chip to realize control of the other function modules, through the real time clock module and a temperature acquisition module for current time and temperature and displayed in the color screen for passengers to watch, using voice module real-time passenger bus stops for reference. The system operation is simple, strong usability, bus system can be applied to reality.Keyword: Bus Station Reporting automatically system; 51single chip microcomputer; clock module; temperature acquisition module; voice module前 言科技水平的提高，必定会推动人类社会的不断前进，改变人们的生活方式、生活水平。因而，智慧城市、智慧家居等等热点问题出现在我们的耳畔。随着人们生活水平的提高，以及当今生活节奏的加快，百姓对生活方式的要求也在提高，追求方便快捷。从之前的普通家居到现在的智能家居、从之前的普通人工公交到现在的智能公交的改变就是铁的印证。交通工具长期以来在生活中可谓充当着一个重要的角色，尤其是公共交通车辆。可视听智能公交报站器系统就是科技进步、人民对生活要求提高的产物。其实现了生活高效、低碳环保的作用，不像之前人工服务的普通公交，增加了人力成本，与社会向低碳环保的发展方向相违背，而是适时地、智能化地为乘客提示上下车、提供当前环境中的温度值，提醒乘客当公交车在转弯、急刹车等突发情况时候注意站稳扶好，让乘客不时地感受着温馨。本次毕业设计作品，以单片机为主控模块，结合语音模块、温度采集模块和显示模块共同实现了可视听智能公交报站器系统的功能。1 硬件系统设计由于51单片机编程简单，实用性好，价格便宜，运行稳定，性能可靠。而且具有运算速度快，存储容量大，运算能力强的特点。所以，决定了其应用非常广泛，如今它已经成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活等各个领域的智能化工具，对各行业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用，智能公交正是其应用领域之一。此次可视听智能公交报站系统的主控制芯片就采用51系列架构单片机，CPU为STC90系列增强型8位单片机，频率高达80MHz，可工作于6Clock,32 I/O,3定时器，内置WDT、EEPROM,支持ISP，ESD，晶振采用12M/11.0592M（可更换）。除此之外，还有外围的功能模块：实时时钟、温度传感器、LCD显示屏、红外收发模块、语音播报模块。以上除语音播报模块之外都集成到了由普中科技生产的HC6800-EM3开发板上。本系统除了播报、显示公交站名外，还可在空闲时候通过语音播报模块和LCD显示屏播报、显示安全提醒和当前温度、时间提示。系统各部分结构如图1-1所示。 图 1-1 系统结构图系统工作原理：在没有外部中断的情况下，51单片机不断读取温度传感器和实时时钟模块的数据，并将读取结果通过一定的格式显示在LCD彩色显示屏，当红外遥控器按下有效功能键时候，单片机进入中断，此时单片机会对红外遥控器发来的数据进行解码，当码值有效时，单片机会根据码值控制LCD显示屏和语音播报模块实现相应功能。系统各个模块工作原理及实现过程如下。1.1主控模块本次设计使用的开发板HC6800-EM3搭载的51主控芯片为由宏晶科技推出的STC90C516RD+，其为一款高速、低功耗的芯片，指令代码完全兼容传统8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择。其他参数如下：1.工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机）；2.工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的 080MHz；3.Flash用户应用程序存储器空间61K字节；4.片上集成 1280字节RAM；5.通用I/O口与通用的51单片机相同（32个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口/ 弱上拉；6.P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻；7.ISP（在系统可编程），无需专用编程器 / 仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3 - 5秒即可完成一片；8.支持EEPROM功能；9.看门狗；10.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；13.工作温度范围：0-75/-40-+85；14.封装：LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44。STC90C516RD+引脚以及最小系统电路如图1-2所示。图1-2 STC90C516RD+引脚及最小系统电路1.2 实时时钟模块本系统设计时，实时时钟模块采用的是由美国DALLAS公司推出的DS1302。它是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，而且具有闰年补偿功能。其他一些功能特色：1. 工作电压：2.5 5.5V；2. 工作电流小于320纳安（2.0V）；3. 双电源补给（主电源和备用电源）；4. 兼容TTL（5.0V）；5. 可选的工业级别，工作温度 -4085 摄氏度；6. 兼容DS1202。DS1302芯片封装图和引脚功能描述如图1-3：引脚功能描述 芯片封装图Vcc1，Vcc2 电源供电引脚 GND 接地引脚X1，X2 接32.768KHz晶振引脚SCLK 串行时钟I/O 数据输入/输出 复位图 1-3 DS1302封装及引脚功能DS1302电路原理以及外部控制电路如图1-4：图1-4 DS1302电路原理DS1302只通过SCLK、I/O、CE三引脚与CPU实现串行数据传输，CPU实现对其进行单字节数据读、写的时序图分别如图1-5和图1-6：图 1-5 单字节读时序图图 1-6 单字节写时序图在图1-5、1-6中的即为图1-4中的CE端口，在突发模式时，要保持高电平，并且保持SCLK周期发送，直到突发结束。1.3温度采集模块此次系统设计使用的是由DALLAS公司推出的DS18B20芯片，其提供9位温度读数，指示器件的温度。数据可以经过单线接口传入DS18B20或从DS18B20传出，因此从中央处理器到DS18B20仅需要连接一条线（除了地）。读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。DS18B20电路原理（左）和实物图（右）如图1-7： 图 1-7 DS18B20电路原理（左）和实物（右）DS18B20引脚定义：(1) DQ为数字信号输入/输出端；(2) (2)GND为电源地；(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。由于每一个DS18B20都有唯一的序列号，所以多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度采集模块。其测量范围从-55 到+125，增量值为0.5，等效的华氏温度范围是-67华氏度到257华氏度，增量值为0.9华氏度。除此之外，在1秒（典型值）内把温度变换为数字；用户可定义非易失性的温度告警值。器件从单线的通信总线获取其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间周期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上电容器为止。作为另一种可供选择的方法，DS18B20也可以用外部5V电源供电。DS18B20 温度传感器的内部存储器包括1个高速暂存RAM 和1个非易失性的电可擦除E2PROM，后者共3个字节，用于长时间保存高温报警温度设置值度TH、低温报警设置值TL和结构寄存器。暂存存储器包含了9个连续字节，前2字节为测得的温度信息，第1个字节为温度的低8 位，第2个字节为温度的高8 位。高8 位中，前4 位表示温度的正(全“0”)与负(全“1”)；第3个字节和第4个字节为TH、TL 的易失性拷贝；第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，此三个字节内容在每次上电复位时被刷新；第6、7、8个字节用于内部计算；第9个字节为冗余检验字节。1.4.LCD显示模块本次系统设计中，采用2.4寸TFT彩色LCD显示屏显示温度、时间、站名等信息，利用三星公司推出的S6D04H0芯片来驱动、控制显示屏。S6D04H0是单片TFT-LCD控制器，片上集成显示数据的RAM（240x320x18位=1,382,400位），支持240xRGBx320显示点阵数。电压输入：模拟电压范围为2.4V - 3.3V，I/O电压范围为1.65V - 3.3V。工作温度范围为 -40 +85。S6D04H0应用策略非常广，支持3线9位数据串行通信、4线8位数据串行通信、8/9/16/18位并行通信，支持6/18位RGB接口。本次设计使用的是16位并行通信，也可以使用8位的。S6D04H0与CPU进行16位并行通信时序图如图1-8：图1-8 S6D04H0与CPU进行16位并行通信时序图1.5红外收发模块1.5.1 红外发送本次使用的红外发送模块为基于WD6122芯片的红外遥控器，该芯片是通用红外遥控发射集成电路,采用CMOS工艺制造,最多可外接64个按键,并有三组双重按键。我们知道，红外遥控一般由指令键(或操作杆)、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。我们本次设计使用的是成品的遥控器，所以我们关注的是编码方式。WD6122发射的每一帧编码由一个引导码、16位用户编码、8位键码和8位键码反码组成。编码的结构如图1-9：图 1-9 WD6122编码结构图引导码由一个9ms的载波波形和4.5ms的关断时间构成，它作为随后发射的编码的引导，这样当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效地处理码的接收与检测及其它各项控制之间的时序关系。编码采用脉冲位置调制方式（PPM）。利用脉冲之间的时间间隔来区分“0”和“1”。当脉冲之间的间隔为1.68ms时代表“1”，脉冲之间的间隔为0.56ms时代表“0”。每次8位的码被传送之后，它们的反码也被传送，减少了系统的误码率。此次使用的红外遥控器各个按键对应的键码如图1-10所示：图 1-10 红外遥控器各个按键对应的键码1.5.2红外接收本次设计中红外接收部分为由普中科技开发板上提供的普通一体化3线红外接收头，内部集成了红外接收电路，包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流 信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出 高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制 载波的不同应选用相应解调频率的接收头。1.6语音播报模块本次设计中，语音播报模块由WT588D-U模块和扬声器组成，WT588D-U可以直接来驱动扬声器，无需功率放大器，使得设计和制作过程变得更加方便。WT588D-U语音模块是通过WT588D-20SS语音芯片进行控制的，内嵌独特的人声语音处理器，使得语音表现非常自然悦耳。其支持2M bit 32M bit容量的SPI-Flash，并且内置13Bit/DA转换器，以及12Bit/PWM音频处理，确保高品质语音输出。其他的功能特性如下：1. 支持加载6K22KHz采样率WAV音频；2. PWM输出可直接推动0.5W/8扬声器，推挽电流充沛；3. 支持DAC/PWM两种输出方式；4. 支持按键控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式；5. 按键控制模式底下可以设置多种IO口触发方式；6. 任意设定显示语音播放状态信号的BUSY输出方式；7. 最多可加载500段用于编辑的语音；8. 220段可控制地址位，单个地址位最多可加载128段语音，地址位内的语音组合播放；9. 语音播放停止马上进入休眠模式；10. 配套WT588D VoiceChip上位机软件，接口简单使用方便。能极大限度的发挥WT588D-U语音模块各项功能；11. 在软件中可完成控制模式设置、语音组合、调用语音、插入静音等操作；12. 可随意插入静音，静音时间范围为10ms25min；13. USB下载方式，支持在线下载/脱机下载；即便是在WT588D-U语音模块通电的情况下，也一样可以正常下载数据到SPI-Flash；14. 工作电压DC2.8V5.5V；15. 休眠电流小于10uA；16. 抗干扰性强，可应用在工业领域；此次系统设计过程中使用的是三线串口控制模式，三线串口控制模式可通过MCU发码端控制语音播放、停止、循环播放和音量大小，或者直接触发0219地址位的任意语音。应用方框图如图1-9：图 1-9 WT588D - U应用方框图三线串口控制模式由三条通信线组成，分别是片选CS，数据DATA，时钟CLK，时序根据标准SPI通信方式。通过三线串口可以实现对WT588D-U语音模块进行命令控制、语音播放。语音芯片引脚封装如图1-10：图 1-10 WT588D - U语音芯片引脚封装图2. 软件系统设计系统的软件设计是根据硬件模块而定的。本次智能公交报站器的硬件模块有CPU、实时时钟、温度采集、LCD显示、红外收发、语音播报6个部分，因此，软件设计也可分为6个主要的部分，即主函数、实时时钟函数、温度采集函数、LCD显示函数、红外接收函数、语音播报函数。将每一部分的程序测试成功之后，整合成完整的系统程序，即可对系统进行全面测试。由于本系统源程序量大，本节只是对实时时钟模块的驱动函数进行说明，其它模块也是采用这种模块化的程序设计的，在此不再赘述。2.1 主函数设计主函数的功能主要是对整个系统的初始化，引导系统进入相应的子函数，实现各种功能。在主函数中，实时时钟、温度传感器、LCD显示、语音播放、红外接收等模块进行初始化。主程序执行完初始化过程之后，就要对下一步要做的工作进行等待判断，如果发生红外中断，主函数将根据红外译码返回的键码值进行判断处理，引导程序进入相应的子函数进行处理，当子函数在处理数据时，也就实现了相应的功能，如：报站、显示站名等；如果发生了定时器中断，就会对当前的时间和温度进行采集并显示。主函数流程图如图2-1所示。图 2-1 主函数流程图具体的主函数代码为如下：void main(void)Set_RTC(); /写入时钟值，如果使用备用电池时候，不需要每次上电写入LCD_Init(); /TFT初始化IR_initi();/红外初始化system_Ini(); /系统初始化while(1); /等待中断2.2实时时钟程序设计实时时钟初始化函数实在系统上电后就执行，该部分程序实现的功能有：对DS1302的年月日时分秒周的设置，以及从DS1302中读取当前时间数据。在该部分程序中，单片机和DS1302是通过SPI通讯方式实现数据的交互的，所以，以下介绍了51单片机和DS1302通过SPI协议进行数据的读写的实现方式，以及实时时钟初始化时对时间设定的功能函数。其通信协议时序图如图2-2、2-3。图2-2 单字节读时序图2-3 单字节写时序各个功能驱动函数如下：void Write_Ds1302_Byte(unsigned char temp) /写一个字节 unsigned char i; for (i=0;i=1; /右移一位 SCK=1; void Write_Ds1302( unsigned char address,unsigned char dat ) /写入DS1302 RST=0;_nop_(); SCK=0;_nop_(); RST=1; _nop_(); /启动 Write_Ds1302_Byte(address);/发送地址 Write_Ds1302_Byte(dat);/发送数据 RST=0; /恢复unsigned char Read_Ds1302 ( unsigned char address ) /读出DS1302数据 unsigned char i,temp=0x00; RST=0;_nop_();_nop_(); SCK=0;_nop_();_nop_(); RST=1;_nop_();_nop_(); Write_Ds1302_Byte(address); for (i=0;i=1;/右移一位_nop_(); _nop_(); _nop_(); SCK=1; RST=0;_nop_(); /以下为DS1302复位的稳定时间 _nop_();RST=0;SCK=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();SCK=1;_nop_();_nop_();SDA=0;_nop_();_nop_();SDA=1;_nop_();_nop_();return (temp);/返回void Read_RTC(void) /读时钟数据，读取日历 unsigned char i,*p; p=read_rtc_address; /地址传递 for(i=0;i7;i+) /分7次读取 秒分时日月周年 l_tmpdatei=Read_Ds1302(*p); p+; void Set_RTC(void) /设定时钟数据，设定 日历unsigned char i,*p,tmp;for(i=0;i7;i+) /BCD处理tmp=l_tmpdatei/10;l_tmpdatei=l_tmpdatei%10;l_tmpdatei=l_tmpdatei+tmp*16; Write_Ds1302(0x8E,0X00); p=write_rtc_address;/传地址 for(i=0;i7;i+)/7次写入 秒分时日月周年 Write_Ds1302(*p,l_tmpdatei); p+; Write_Ds1302(0x8E,0x80);3 语音资源获取和处理由于每个城市的每一条公交路线都不一样，因此必须为每一条公交路线设置其相应的公交站名，本次是以民族大道光谷广场到武汉纺织大学6个站点为一条公交路线的，这6个公交站分别是：民族大道光谷广场、民族大道上钱村、民族大道时间广场、中南民族大学当代学生公寓、中南民族大学、武汉纺织大学。这六个站点是按循环顺序播放的。语音获取所用到的软件是笔记本电脑win7开始菜单附件中的“录音机”，在其界面点击“开始录制”按钮开始录音，录制完之后保存即可，其界面如图3-1所示。图 3-1 “录音机”界面由于所录制的音频资源已经是为16000Hz/16bits音频，能够非常清晰的播放，所以无需使用其他的软件对音频进行重新采样处理。可以将录制好的语音资源直接进行编号，只有对语音资源按顺序存放和编号后，语音播放模块才能正常识别序列，播放对应语音。此次对语音资源进行编号和地址排列时使用的是由厂家为语音模块专门提供的WT588D VoiceChip软件，其可以将导入的语音资源编译成BIN文件，然后通过USB线下载到语音模块存储单元里，如图3-2所示。图 3-2 WT588D VoiceChip软件界面4 字模的提取 由于LCD内部没有集成汉字库和ASCII字库，所以要在LCD上显示字符或汉字时，需自行使用字模软件提取汉字和字符的点阵数据，本系统采用的字模提取软件为字模提取V2.1，其软件界面如图4-1所示。图 4-1 字模提取V2.1由于此次程序设计时使用的是C语言，所以取模方式设置为C51格式，其他设置不用设置，将点阵数据复制到源程序中，系统中所涉及到的汉字和字符都可采用该软件获取它的点阵数据，除此之外，该软件还可以获取图片点阵数据。5 综合测试与分析公交报站系统由STC90C516RD主控模块、DS1302实时时钟模块、DS18B20温度测量模块、HS0038红外接收模块、LCD显示模块、语音播放模块等构成，STC90C516RD与其它各模块的引脚分配如表5-1所示。按表5-1引脚分配表进行连接，即可构成此次设计的硬件系统。接通电源，即可进行系统调试。外设单元单片机引脚功能描述WT588D-UP2.0片选使能P3.1数据传输P2.2时钟信号温度采集P3.7温度数据传输红外接收P3.2接收红外数据实时时钟P3.4数据传输P3.5片选使能P3.6时钟信号LCD显示P2.7片选信号P3.1读信号P2.5写信号P0、P1数据传送口P3.3RESTP2.6RS引脚表 5-1 引脚分配表调试步骤如下： 第一步：检查各模块之间的引脚是否按表5-1进行连接，电源及各指示灯是否正常显示，计算机与本系统的通信连接是否完好。 第二步：在keil uVision 3软件中编译好程序并生成HEX文件。 第三步：将程序用普中科技提供的PZISP程序烧写软件通过USB下载线烧录到STC90C516RD中。 第四步：使用遥控器进行调试。 由于本系统所用模块较多，所以在进行调试时，采取的方法是：逐个模块进行，其次序是，LCD模块红外接收模块MP3模块温度模块实时时钟模块。只有在各模块全部调试成功后，再进行整体调试。在系统调试过程中，出现的问题非常多，现将遇到的问题及解决方法叙述如下。 （1） 在进行LCD模块调试时，首先参照的是普中科技提供的源程序进行测试，测试没有问题，可以显示所需的内容。但在整体调试过程中，又出现LCD无法显示的情况，经过反复测试，发现是LCD与MCU之间的原始连接线出现了问题，改用杜邦线进行连接，LCD即可正常显示。由于采用了杜邦线的连接，使得引脚的定义与分配更加灵活，所以在开发商提供的源码基础上根据系统要求进行了修改，LCD就按预定的目标正常显示了。 （2） 在进行红外接收模块调试时，和调试LCD一样，首先使用普中科技提供的源程序进行测试，以确保硬件能正常工作，经测试硬件电路正常。在移植红外程序到自己的工程中时，存在无法译码和译出乱码的问题，在反复测试开发商源程序无法解决问题的情况下，本人再次参照了关于红外遥控译码的资料，发现要正常译码需要严格的时序要求，再返回自己的程序时，发现自己编写的延时代码与开发商提供的代码不同，于是修改了代码之后再次测试，测试成功。至此红外接收译码测试成功。需要说明的是，红外解码是在外部中断中进行的，在进入外部中断后要先关中断，译码完成之后返回译码值，最后开中断，返回到主函数中。 （3） 在进行语音模块、温度模块、实时时钟模块的调试中，没有出现太大的问题，小问题出现在实时时钟的测试中，起初是向DS1302写入数据再读出数据时，读出与写入数据不同，在翻阅许多资料之后才明白，DS1302芯片写入和读出的数据均是BCD码形式，所以要写入的十进制数据必须经过转换成BCD码之后才能写入到DS1302中，同样的，读出的BCD码数据需转换成十进制之后才能送到LCD中进行显示，在修改程序之后测试成功。（4） 在各模块的反复调试过程中，由于误操作或使用不当，出现了程序无法下载，怀疑是下载芯片PL2303损坏了。在网上参阅了51单片机下载烧录程序的相关资料之后，从网上购买了CH341串口转换芯片模块，最后放弃使用板载下载芯片下载程序，经测试，可以给51单片机下载烧录程序，无法下载程序的问题才得以解决。 第二步，实现温度和时钟显示功能。由于第一步调试时，已在LCD上占据了相应的显示区域，所以这一步的调试只是将前文中的时钟温度数据显示在合理的区域即可。刚开始没有任何操作时，时钟和温度显示是没有任何问题的，但是按下“下一站”或者其他按键时，时钟显示会有跳变，反复查看程序之后，才发现在第一步中有一步是等待语音模块处于空闲时单片机才进行下一步操作，也就是说，单片机在等待过程中没有读取时钟温度信息，所以才会出现跳变问题。因此在单片机等待的过程中，让它实时