基于单片机公交车乘客自助报站装置的设计说明书

本科毕业设计（论文）题目：基于单片机公交车乘客自助报站装置的设计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。我国在APTS领域的研宄起步较晚,国内就GPS技术应用于APTS系统是从90年代始,至今也就20年左右,受成本、技术等的影响,公共交通一直难以得到普及,1994-1995年期间,有上百家企业抢占智能交通系统的市场,但由于对市场需求估计不足,以及设备技术尚不够成熟,致使当时这些企业都不同程度的亏损。1996-1998年,技术经过几年的研发更新已经有了一定程度的提高,已经可以实现GPS定位以及车辆与控制中心的数据传输。到了1999年,市场逐渐趋向成熟,技术发展迅猛,但是市面上的设备成品很少,仅有的一些产品也大多应用于私家车、特种车等。经过几年的发展,设备才慢慢应用于公交系统,目前,我国很多城市已经建立智能交通调度系统,北京、天津、江苏南京与常州、浙江宁波与杭州、广东东莞与广州、辽宁大连、河北石家庄都己经在一些线路上建立智能交通调度系统;重庆、四川成都、山东济南、广东广州、湖北武汉等城市也在积极准备之中;上海地铁也安装了自动检票系统,可实现乘客的自动计数,从而统计客流量。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，但其投资昂贵，尤其是一些中小城市无法承受。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。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。1.3论文主要研究内容及章节安排本设计主要完成以下功能：（1）可以完整地播放一条公交线路的站名，包括上行线路与下行线路。（2）可以在LED的键盘显示模组上显示当前的站名，时间（日期），具有时间日期的设置功能。（3）可以播放音乐或广告。（4）通过更改存储器内的数据，不用更新单片机的程序，可以更换不同的公交线路。本文共六个章节,每个章节内容安排如下:第一章:绪论,主要介绍论文研究的背景、目的及意义,国内外智能公交系统的研宄现状。第二章:总体方案的选择，针对两种设计方案的比较，选择。第三章:报站器的硬件电路设计,本章介绍了智能公交报站器的硬件设计,首先进行了功能分析,根据其功能需求,我们对智能公交报站器进行了总体的一个设计,然后对各部分硬件电路进行了详细的分析设计,最后进行小结。第四章:智能公交报站器的软件设计和实现,本章介绍了智能公交报站器的软件部分的设计,首先依然是进行功能分析,根据其功能需求,我们设计了软件总体流程,然后就各部分分别进行详细的设计,最后进行小结。第五章：机械设计。本设计通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2方案选择2.1方案一OEM模块通过电平转换MAX232与AT89S54进行串行通信，其中GPS传入单片机的为GPRMC格式的语句，需要在单片机中进行数据拆分等操作。将取得的GPS数据发送到单片机中进行处理，或将数据存储到外置rom中，然后通过SD卡语音模块播报出当前所在站，再次期间，LCD12864始终显示当前位置的经纬度。2.1.1主要芯片器件GPS，GPS-OEM板；单片机，AT89S54；语音芯片，SD卡；液晶LCD12864；电平转换MAX232；外置ROM等。GPSOEMGPSOEM外设供电AT89S54MAX232LCD12864外置ROMSD卡语音图2.1硬件结构图2.1.2方案一特点（1）OEM板军用板，精确度高，是集成模块，易于携带。（2）键盘模块按键多，使用功能强大，可以实现多种功能。（3）AT89S54内存大，方便使用大程序。（4）外置ROM，便于存储数据以及调用。（5）GPS-OEM板需经过电平转化MAX232才可与单片机通信。并且OEM成本高，性价比一般。（6）AT89S54非常用芯片，不易获取。（7）使用外置ROM需要占用至少8个数据口，如图1所示，需要对某个数据口进行分时复用。加大了电路复杂性。（8）整个电路硬件多，布局难。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)2.2方案二GR-87模块与单片机STC89C52直接可以进行串行通信，其中GPS传入单片机的为GPRMC格式的语句，需要在单片机中进行数据拆分等操作。将取得的GPS数据发送到单片机中进行处理，单片机判断后进行操作，例如获得经纬度通过SD卡语音模块播报出当前所在站，在此期间，LCD12864始终显示当前位置的经纬度。2.2.1主要芯片器件GPS，GR-87；单片机，STC89C52；语音芯片，SD卡；液晶LCD12864等GR-87GR-87STC89C52外设供电LCD12864SD卡语音图2.2硬件结构图2.2.2方案二特点（1）电路硬件少，结构简单易懂。（2）GR-87成本低，性价比高。（3）STC89C52流行，内存8K足够使用。（4）数据口刚好够用。（5）结构简单，硬件及软件功能有一定的局限性。（6）GR-87以及接线不方便携带。2.3方案选择经过比较，最终选择了方案二，理由如下：（1）GPS选择GR-87，它可以满足课题要求，并且其性价比高，而且不需要电平转换。（2）STC89C52内存足够用（3）虽然缺少了外置ROM，但减少了分时复用的麻烦。（4）方案二的I/O口分配合理。

3硬件设计3.1系统总体结构图系统总结构图如图3.1所示，其中GR87与单片机串行通信,单片机的TXD连接GR-87的RXD1，GR-87的RXD2口闲置。LCD经上拉电阻与单片机P0口连接，SD卡相关控制口与P3口中的部分I/O口相连。系统由统一的电源5V供电。GR-87GR-87 TXD RXD2LCD12864数据口SD卡控制口外设供电单片机P1.2、P1.3 P0 STC89C52RXD1TXD P2.x图3.1系统总体结构图3.2单片机的配置本系统使用八位单片机作为控制器件。当gps模块收集的信息得到单片机处理时，单片机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，再通过语音输出电路，进行语音报站和提示。同时，单片机通过程序读取文字信息，送入液晶显示模组来进行站数和站名的显示。当汽车到达某站时，控制系统进行工作。而且，系统具有根据公交车的行驶方向确定报站顺序的功能。当系统进行语音录制时，语音信号通过语音录入电路送给语音合成电路中的语音芯片，由语音芯片进行数据处理，并将生成的数字语音信息存储到语音存储芯片中，从而建立语音库。图3.2单片机最小系统3.2.1STC89C52简介STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选如图3.2、3.3所示，本次课题中，P0口作为标准I/O口进行数据输出端，传入液晶；以P1^0到P1^4的标准I/O口功能进行按键控制，P1^5到P1^7作为下载器连接端口使用，利用P3^0、P3^1的串行数据传输功能与GPS进行数据通信，P3^4作为时钟信号接入语音芯片的时钟端，P2^0到P2^2作为语音芯片的控制端口，P2^5到P2^7作为液晶的控制端口。其他所用端口为：XTAL1、XTAL2、VCC、VPP、GND、RESET。3.2.2单片机STC89C52特性（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）（3）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz（4）用户应用程序空间为8K字节（5）片上集成512字节RAM（6）通用I/O口（32个），复位后为：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，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）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片（8）具有EEPROM功能（9）共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2（10）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒（11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART（12）工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）（13）PDIP封装3.2.3单片机引脚功能STC89C52引脚功能说明:VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地。P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向图3.3STC89C52引脚图I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX

@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE（30引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。（29引脚）：外部程序存储器选通信号是外部程序存储器选通信号。当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。VPP（31引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。

特殊功能寄存器。3.4GPS模块GR-87简介HOLUXGR-87是一个高效能、低耗电的智慧型卫星接收模组或称做卫星接收引擎，他采用美国瑟孚SiRFstarIII公司所设计的第三代卫星定位接收晶片，是一个完整的卫星定位接收器具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求与个人消费需求。GR-87的特性：采用SiRF第三代高效能晶片高灵敏度、低耗电量晶片STARIII,内建ARM7TDMICPU可符合客制需求。具备快速定位及追踪20颗卫星的能力。体积超小，仅25.4×25×7公分。晶片内建200,000个卫星追踪运算器，大幅提高搜寻及运算卫星讯号能力。内建RTCMSC-104DGPS和WASS/EGNOS解调器。低耗电量,具备有省电模式（Trickle-Power）功能，以及在设定的时间才启动的定时定位（Push-to-Fix）功能。支援NMEA-0183v2.2版本规格输出。VCCTXD AT89S52VCCTXD AT89S52RXDGNDVCCTXD AT89S52RXDGND天线天线GPS VCCGR-87 RXD1 TXD GNDGPS VCCGR-87 RXD1 TXD GND图3.4GPS模块GR-87与单片机连接图如图3.4所示结构图，GPS模块只有4个端口与单片机连接，其中VCC、GND为供电部分，TXD、RXD为串行通信部分。由于GR-87属于独立模块，所以在系统原理图、PCB中未加入其封装，而是采用从PCB中的单片机串行口以及VCC、GND分别引出4条线，采用引线的方式与GPS相连接。3.5LCD显示电路液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）广泛应用于微型计算机系统中，与LED相比，具有功率低，抗干扰能力强，体积小，价格低廉等优点。另外，LCD在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示文字和图形。字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和文字显示的要求。点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及文字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、分区开窗口、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。现在，随着液晶技术的突破，液晶显示器的质量有了很大的提高，品种也在不断推陈出新，不但有各种规模的黑白液晶显示器，还有绚丽多彩的彩色液晶显示器。在点阵式液晶显示器中，把控制驱动电路与液晶点阵集成在一起，组成一个显示模组，可与八位微处理器接口直接连接，不但使用方便，而且价格也比较便宜。LCD12864液晶显示模组是128×64点阵的文字图形型液晶显示模组，内置国标GB2312码简体中文字库（16×16点阵）、ASCII码字符集（8×16点阵）和64×256点阵显示RAM（GDRAM绘图区域）；可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机（八位并行及串行连接方式）；具有光标显示、画面移位和睡眠模式等多种功能。3.5.1LCD12864简介12864是128×64点阵液晶模块的点阵数简称，业界约定俗成的简称。带中文字库的128×64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。3.5.2LCD12864基本特性（1）低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）；（2）显示分辨率:128×64点；（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)；（4）内置128个16×8点阵字符；（5）2MHZ时钟频率；（6）显示方式：STN、半透、正显；（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS；（8）视角方向：6点；（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10；（10）通讯方式：串行、并口可选；（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压；（12）无需片选信号，简化软件设计；（13）工作温度:0℃-+55℃,存储温度:-20℃-+60℃3.5.3并行接口表3.1LCD12864并行接口介绍管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（见注释1）16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2）18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）（见注释3）20KVSS背光源负端（见注释3）注释1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平，也可以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。注释2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。注释3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。3.6语音电路NV070系列语音芯片工作电压为+3V,单片录放时间8到16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储陈列。芯片设计是基于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。芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存储在片内闪烁存储器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、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。采样频率可以是4.0,5.3,6.4或8.0kHz，频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存储器中,可在断电情况下保存一百年(典型值),可反复录音十万次。SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。3.6.1SD卡的引脚定义表3.2SD卡引脚功能详述引脚编号SD模式SPI模式名称类型描述名称类型描述1CD/DAT3IO或PP卡检测/数据线3#CSI片选2CMDPP命令/回应DII数据输入3VSS1S电源地VSSS电源地4VDDS电源VDDS电源5CLKI时钟SCLKI时钟6VSS2S电源地VSS2S电源地7DAT0IO或PP数据线0DOO或PP数据输出8DAT1IO或PP数据线1RSV9DAT2IO或PP数据线2RSV注：S：电源供给I：输入O：采用推拉驱动的输出

PP：采用推拉驱动的输入输出4软件设计4.1程序流程图液晶初始化单片机初始化液晶初始化单片机初始化中断服务程序中断服务程序取得数据取得数据判断GPRMC语句判断GPRMC语句液晶显示液晶显示接收数据并存储接收数据并存储P11是否为0？语音报地点P11是否为0？语音报地点图4.2中断程序流程图图4.2中断程序流程图P12是否为0？语音报坐标中断结束YP12是否为0？语音报坐标中断结束Y开始NY开始NYNN图4.1主程序流程图如图4.2所示，在该系统中，接收GPS的是NAEA0183协议输出的GPRMC语句，在中断程序中判断并且存储相关数据，在如图4.1所示，用函数提取出中断中存储的数据并且显示完成相应的功能，具体步骤见下面的介绍。4.2LCD12864流程图本次GPS定位系统中采用的液晶是12864，可以显示4行汉字，每行可以显示8个。对于该液晶，必须要编写液晶驱动程序。图10为液晶的程序流程图。12864通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。该程序主要完成的是液晶的驱动（驱动中主要的是液晶的读忙函数、读写数据函数、清屏函数、初始化函数）和系统开机的显示，系统工作时的实时状态的显示，各个显示界面的切换等。如下为液晶的初始化函数。图4.3液晶显示流程图4.3SD卡流程图由于ISD1730只是放音作用，不涉及录入等功能，所以流程图只是放音部分。放数字音和放位置音的过程类似，所以都可以用一个流程图表示。开始开始拉低片选信号？N拉低片选信号？N开始传输数据Y开始传输数据Y结束结束图4.4SD卡流程图5机械设计机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。本设计通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如图5.1。该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机2直接驱动一杯形柔轮谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮9、柔轮7和谐波发生器8三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。由柔轮7输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体5实现手臂的回转运动。齿形皮带传动4和位置传感器6作为机座用来检测手臂机座的角位移。图5.1腰部和基座结构图图5.2环形轴承的机器人机座5.1腰部和基座设计5.1.1结构设计通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料。该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。它由电动机2直接驱动一杯形柔轮谐波减速器。这种谐波减速器只有刚轮9、柔轮7和谐波发生器8三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。由柔轮7输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体5实现手臂的回转运动。齿形皮带传动4和位置传感器6作为机座用来检测手臂机座的角位移。图5.3腰部和基座结构图图5.4环形轴承的机器人机座5.1.2步进电机的选取工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动，下面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。表5.1各种驱动方式比较比较内容驱动方式机械传动电机驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对步进电机的型号进行选取。初选电机为BF反应式步进电机，型号为：90BF001。它的有关技术参数如下表：表5.2步进电机的技术参数电机型号相数步距角/（°）电压/V最大静转矩/N·m(Kgf·cm)最高空载启动频率/HZ运行频率/HZ转子转动惯量10Kg·m分配方式质量/Kg90BF00140．9803.922000800017.64四相八拍4．5A.传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。（1）电机转子转动惯量的折算由《机电综合设计指导》表2-18查出=1.764㎏•cm2（2）联轴器转动惯量的折算（5.1）式中：为圆柱质量（Kg），D为圆柱体直径（cm）,L为圆柱体长度。对于钢材，材料密度为,把数据代入上式得：（5.2）（3）滚珠丝杠转动惯量的折算查《机电综合设计指导》表4-2P119，得出1m长的滚珠丝杠的转动惯量为0.94㎏•cm2，丝杠长度L＝420mm，所以滚珠丝杠转动惯量：=0.94×0.42=0.39㎏•cm2；（4）手臂转动惯量的折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行计算：（5.3）式中，为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）。所以：（5）系统等效转动惯量计算(5.4)B.验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从《机电综合设计指导》表2-21中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为：(5.5)查《机电综合设计指导》表2-12P35得＝0.707。所以，步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：(5.6)式中：为空载启动力矩（N•cm）；为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N•cm）；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N•cm）；有关的各项力矩值计算如下：（1）加速力矩(5.7)式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；为脉冲当量。（2）空载摩擦力矩(5.8)式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数；齿轮传动降速比；为传动系数总效率，取＝0.8；为滚珠丝杠的基本导程。（3）附加摩擦力矩（5.9）式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取＝0.96。所以，步进电机所需空载启动力矩：初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即（5.10）从上式可知电机初步满足要求。C.启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。查看《机电综合设计指导》图2-21P36，从90BF001矩特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩＝对应的允许启动频率。查《机电综合设计指导》表2-11P34，步进电机150BF002启动频率，所以所选电机不会丢步。D.运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：（5.11）式中：为运动部件最大快进速度。算得。快进力矩的计算公式：（5.12）式中：为附加摩擦力矩，为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得：。查看《机电综合设计指导》图2-22P36，从90BF001运行矩频特性图中，可知：快进力矩＝对应的允许快进频率；所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的步进电机90BF001符合要求，可以使用。5.1.3轴承的选取（1）环形轴承3作为机座的支承原件，是为机器人研制的专用轴承，具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高（可承受径向力、轴向力和倾覆力矩）、装置方便等特点价格高。（2）丝杠下部装有圆锥滚子轴承，型号为30204，它的有关参数如下：表5.3圆锥滚子轴承的参数轴承代号基本额定极限转速r/min动载荷Ca/KN静载荷C0a/KN脂润滑油润滑3020428.230.58000100005.2工业机器人的机械传动装置的选择5.2.1滚珠丝杠的选择估算：等效载荷Fm=1000N,丝杆有效行程420mm,等效转速nm=1500r/min,要求使用寿命Lh=15000h左右，工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。A.计算载荷 Fc=(5.13)查<机电液设计手册>上册，表15-21得 =1.1，=1.0，=1.61，=1 Fc= =1.11.01.6111000 =1771N = = =19559NB.选择滚珠丝杆副的型号主要尺寸为：按=19559N，查《机电一体化设计基础》表2-9，选用汉江机床厂C1型滚珠丝杠，系列代号为FYC1-4008-2.5。=40mm,=8mm,=4mm,d=39mm，滚珠直径=3.969mm滚道半径R=偏心距e=丝杠内径 ≤27mm,=24000N,=1880N螺旋导程角γ=arctan=arctan=3º38′螺杆不长，无需验算稳定性。C.刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距(导程)内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： =+ 式中T1=··tan(γ+) =1000tan(+) =1321N·mm 磨擦系数f=0.025,当量磨擦角=，剪切弹性模量G=8.33N/mm2所以：=+ =0.0387μm 其中，危险截面=35.76，E=2.06每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形==6.6/m<()p=15/m因为滚球丝杆精度要求为3级精度，由表15-8查得()p=15/m所以其刚度满足要求。D.计算效率η===0.960=96%5.2.2谐波齿轮的选择谐波齿轮的特点，与一般齿轮传动相比，有如下特点：传动比大。一级谐波齿轮减速比可以在50～500之间，在只传递运动的装置中可达1000。采用多级或复波式传动时，传动比可以更大。这种传动同时啮合的齿数多，可达总齿数的30%～40%。故承载能力大。运动误差小，无冲击，齿的磨损小，传动精度高，传动平稳。效率高（减速传动下，一般可达0.7～0.9），结构简单，零件少，重量轻。在承载能力和传动比相同的条件下，比一般齿轮减速器的体积和重量约减少1/2～1/3。缺点是起动力矩大，柔轮易疲劳损坏，故柔轮的材料和热处理条件要求高。传动比小于35时不能采用谐波传动。由于谐波减速传动装置明显的优点，已广泛用于机器人和其它机电一体化机械设备中。本设计中的谐波齿轮采用带杯形柔轮的谐波传动组合件。它是由三个基本构件构成的，带凸缘的环形刚轮，杯形的柔轮和柔性轴承、椭圆盘构成的波发生器。型号XB1-80-100-2-3/3机型号100，既柔轮的公称内径为80mm减速比100三大件订货精度等级，最大空回小于3分（角）/最大传动误差小于3分（角）5.2.3联轴器的选择该机构利用锥环对之间的磨擦实现与毂之间的无间隙连接传递转矩，且可任意调节两面联接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可传递不同大小的转矩。图5.5所示为采用锥环（锥环夹紧环）无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。螺钉5通过压圈3施加轴向力时，由于锥环之间的楔紧作用，内外环2分别产生径向弹性变形，消除轴4与套筒1之间的配合间隙，并产生接触压力，通过磨擦传递转矩，而且套筒1与轴4之间的角度位置可以任意调节。这种联轴器定心性好，承载能力高，传递功率大、转速高、使用寿命长，具有过载保护能力，能在受振动和冲击载荷等恶劣环境下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小、噪声低。图5.5消隙联轴器6结论我毕业设计的题目是公交车自动报站器的设计，经过几个月的奋斗，终于完成了设计，使系统实现了自动报站功能。该设计的创新之处在于它应用89C52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。本系统功能强大，成本低，系统稳定，无需人工介入，语音音质好，很好的实现了车辆报站的自动化，具有很强的实用性。此次设计的公交车自动报站器初始值存入的方式是在车上,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，该方式在公交车改变路线时便于修改。系统选用NV070语音芯片，它的录音数据被存放方法是通过ISD多级存储专利技术实现的，用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器，从而提供高质量回放语音的保真度，使得该系统与其他语音报站系统相比较，语音质量较好。另外，本设计仍然存在的许多的不足之处，比如它在报站时刻上不能十分的精确，存在一定的误差。这些问题都需要在今后的研究工作中加以改进，使系统更完善，更好的为人们服务。在科技高速发展的今天，公交车在城市交通事业中占有举足轻重的地位，它给人们外出提供了方便快捷的服务，而报站器直接影响到公交车的服务质量，因此，我认为在不久之后，自动报站器将完全取代传统的人工报站，普遍使用于各大、中、小城市致谢从论文选题到搜集资料，从写稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。那种感觉就宛如在一场盛大的颁奖晚会上，我在晚会现场看着其他人一个接着一个上台领奖，自己却始终未能被念到名字，经过了很长很长的时间后，终于有位嘉宾高喊我的大名，这时我忘记了先前漫长的无聊的等待时间，欣喜万分地走向舞台，然后迫不及待地开始抒发自己的心情，发表自己的感想。这篇毕业论文的就是我的舞台，以下的言语便是有点成就感后在舞台上发表的发自肺腑的诚挚谢意与感想：我要感谢，非常感谢我的导师王沁老师。他为人随和热情，治学严谨细心。在闲聊中她总是能像知心朋友一样鼓励你，在论文的写作和措辞等方面她也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，王老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是王老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成。我要感谢，感谢我的专业同学们，尤其是同学，在进行系统板制作，以及调试过程中，他们给了我非常大的帮助，在第一次做实验板的过程中遇到了非常多的困难和问题，但在他们的帮助下一一化解了，所以在做第二块正式的系统板的时候，综合了他们的意见以及以前的问题，较为成功的做出了现在的这个板，感谢他们的帮助，如果没有他们的悉心帮助，我不可能这样较为顺利地做出板。

参考文献[1]韦宏利.语音芯片在报站器中的应用[J].现代电子技术.2003，（13）：30-31[2]袁成.自动报站设备[J].城市公用事业.2003,17(3)：42-43[3]GPS自动语音报站器.,2005[4]梁子伊.ISD4004系列语音芯片的单片机控制技术[J].单片机与嵌入式系统应用.2003,(7):61-62[5]王峰.基于单片机的公交车自动报站器.,2004[6]余永权.ATMEL89系列单片机应用技术[M].北京：北京航空航天出版社，2003[7]张俊谟.单片机中级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999[8]窦振中.单片机外围器件实用手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003[9]苏文平.新型电子电路应用实例精选[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004[10]付丽辉.汽车自动报站器的设计[J].世界电子元器件.2003,(3)：70-71[11]付蓉.LED点阵汉字显示[J].实用无线电.1998,(2)：7[12]ISD4004系列.,2005[13]ISD4004系列单片机语音录放电路.,2005[14]WEIHongli.Designofabusstopreporter[J].JOURNALofXI’ANINSTITUTEOFTECHNOLOGY.2003,23(3)：212-214[15]邹贵荣.半导体存储器.,2005[16]BixonMJortnerJ.Thedynamicsofpre-dissociatinghighRydbergstatesofNO.J.Chem.Phys.1996105:1363-1382[17]MerktFMackenzieSRSoftleyTP.RotationalautoionizationdynamicsinhighRydbergstatesofnitrogen.J.Chem.Phys.1995103:4509-4518[18]HerzbergGandSpinksJWT.Atomicspectraandatomicstructure.NewYork:Doverpublications1944.55-64附录1硬件电路原理图：附录2主程序：linelevelsource1#include<reg52.h>2#include"gps.h"3//#include"lcd1602.h"4#include"lcd12864.h"5#include"display.h"6#include"music.h"78#ifndefuchar#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#endif1213GPS_INFOGPS_Struct;//结构体变量，具体参数看gps.h文件1415bitstartflag=0;16bitgps_start=0;1718uchari,errow_num;//i作为dat_buf的下标19ucharxdatadat_buf[80];//接收GPS返回的一行字符串2021ucharcodeTableH[]={220x02,0x05,0x02,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,23};2425voidusart_init()26{271TMOD=0x20;//定时器T1工作在方式2281SCON=0x50;//串口工作在方式1，允许接受（REN=1）291PCON=0x00;//主要设置波特率为9600b/s301TH1=0xfd;311TL1=0xfd;321TR1=1;//启动定时器T1331341EA=1;//开总中断351ES=1;//串口1中断允许361371}3839voidmain()40{411uchari;421lcd_init();431441lcd_wcmd(0x40);//设定CGRAM地址,准备写入自定义图形"℃"451for(i=0;i<8;i++)461lcd_wdat(TableH[i]);471usart_init();481/*lcd_wcom(0x80);491lcd_wstr("TestByGPS...");*/501lcd_wstr(0,0,"GPS初始化");511521while(1)531{542if(gps_start==1)C51COMPILERV9.01MAIN03/19/201414:40:46PAGE2552{563if(IS_GPSRMC_Parse(dat_buf))//判断接收的字符串是否为$GPRMC，若是则解析，1：是，0：不是573{584ES=0;594GPS_RMC_Parse(dat_buf,&GPS_Struct);//解析$GPRMC604display(1,&GPS_Struct);//正常显示614bofang(0);//获取到第一个地理位置后，开始报站624Delay_ms(2000);//延时634display(2,&GPS_Struct);//正常显示644bofang(1);//获取到第二个地理位置后，开始报站654Delay_ms(2000);//延时664display(3,&GPS_Struct);//正常显示674bofang(2);//获取到第三个地理位置后，开始报站684Delay_ms(2000);//延时694display(4,&GPS_Struct);//正常显示704bofang(3);//获取到第四个地理位置后，开始报站714Delay_ms(2000);//延时724display(5,&GPS_Struct);//正常显示734bofang(4);//获取到第五个地理位置后，开始报站744Delay_ms(2000);//延时754gps_start=0;764startflag=1;774errow_num=0;784ES=1;794}803else813{824errow_num++;834if(errow_num==20)844{855