毕业设计论文毕业设计公交车可视化语音报站.docx

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毕业设计论文毕业设计公交车可视化语音报站

论文分类号：

TP学校代码：

13681

毕业设计说明书（论文）

题目：

公交可视化语音自动报站器的设计

——主控STC12系列

学生姓名：

郭璠

学号：

2611102

系部：

信息工程七系

专业班级：

电信1112班

指导教师：

陈明泽苏婕

二〇一四年四月

AutomaticDesignofConverterStationBusVisualSpeech

——MastercontrolSTC12Series

ABSTRACT

Inrecentyears,withthevigorousdevelopmentofChina'sinformationindustry,thestandardoflivingandimprovesecurityawareness,peopletravelforthesafetyandconveniencehavecreatednewdemand.Inadditiontothebus-stopsystemandoutofthestationbusstopoutside,howabouttoremindpassengerstothefrontofthestationnames,aswellastothosevulnerablegroupseffectivelyconveythestationinformationtofacilitatetheirtravel,isalsoanimportantpartofthesmart-stopsystem.

Thedesignismainlytoaddresshoweasilyandaccuratelyinstructpassengersarrivingproblemwiththehumanvoicesimulationandforecastingstationsreportingstation,reportedonthenumberofstationsandstationnameandstationnamefortextdisplayandvoicemessagerecordingstationnameselectioncontrolfunction.Thesystemincludesamicrocontrollermodule,speechsynthesiscircuit,stationnumber,stationnamedisplaymodule,infraredinterfacecircuit,resetcircuitandpowersystems.

STC12microcontrollertocontroltheuseofspeechsynthesischipandLCDmodules.SpeechsynthesischipSYN6288,usingsimulateddataisstoreddirectlypatentedsemiconductormemorytechnology,theupcominganalogvoicedataiswrittendirectlytoasinglestorageunit,eliminatetheneedforA/D,D/Aconversion,andthereforebetterabletoreproducethenaturaleffectsofrealspeechavoidthequantizationnoiseanddistortiongenerallysolidvoicecircuitsbecausequantizationandcompressioncaused.WithLCDdisplay,throughtheconstructionofmodelbuildingsimulationsystems,accesstorelevantinformationrelatedtothesensorandmicrocontrollercombinesknowledge,realizationstationVoicenewspaperstandanddisplay（LCDscreen）consistingstopsystem,giverelevantsites,remindingpreparetoenterthepassengertogetoff.Maximizetheuseofintelligentsystemsforefficientandconvenienttravelservices,thesystemwillgiveintelligentpeopletoimprovetravelefficiencyandimproveenvironmentalquality,itmakesthesystemmorepracticalnewspaperstand.

KEYWORDS：

Single-chipMicrocomputer,AudioPrompt,Bus-StopAuto-Announce

公交可视化语音自动报站器的设计

——主控STC12系列

摘要

近些年来，随着我国信息事业的蓬勃发展，生活水平与安全防范意识的提高，人们对于出行的安全性和便利性都产生了新的需求。

公交报站系统除了进行进出车站报站之外，如何提醒乘客前方即将到站名称，以及给那些弱势群体有效的传达车站信息，方便他们的出行，也是智能报站系统的重要组成部分。

本设计主要解决如何方便、准确地指示乘客到站的问题，具有模拟人声进行报站和预报站，对所报站数和站名进行文字显示和站名语音信息录放及站名选择控制等功能。

系统包括微控制器模块、语音合成电路、站数、站名显示模组、红外接口电路、复位电路及电源等系统。

使用STC12单片机来控制语音合成芯片和液晶显示模组。

语音合成芯片SYN6288,采用模拟数据半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需经过A/D、D/A转换，因此能够较好地真实再现语音的自然效果，避免了一般固体语音电路因为量化和压缩造成的量化噪声和失真现象。

配合液晶屏显示，通过建造模型，搭建仿真系统，查阅相关资料结合相关传感器与单片机知识，实现车站语音报站与显示屏（LCD显示屏）所组成的报站系统，给出相关站台提示，提醒乘车人员进入下车的准备。

最大化的利用智能系统，实现高效便利的出行服务，系统智能化也会给人们提高出行的效率和改善环境质量，就使得该报站系统更加实用。

关键词：

单片机，语音合成，公交报站

1绪论

1.1课题研究背景与意义

公交车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公交车的报站直接影响服务的质量。

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，在很多城市已经被淘汰。

近年来，随着科学技术的发展和进步，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，微机技术和各种语音芯片的相结合，即可完成语音合成技术，使得汽车报站的实现成为可能，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。

1.2报站器的动态发展趋势

公交车行驶在现代文明程度高的市区，它是一道流动的风景线，因而对整车外形及至色彩都有更高的要求。

作为公交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善及。

公交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。

目前公交报站有三种方式，一种是利用GPS全球卫星定位系统，在司机座位后面的隔板上，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，这样如果没有听清楚报站的话，通过显示屏，乘客也可以一目了然。

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，而他们都离不开司务人员，加大了乘务人员的工作强度。

手动电子报站一般由司机或者乘务人员控制，经常出现错报、误报的情况。

1.3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。

因此，如何设计一款能自动报站、成本低、报站语音效果好的报站系统成为本课题的研究重点。

2系统方案设计

2.1系统设计的任务

设计一个基于单片机控制的语音自动报站系统，要求实现的功能如下：

（1）可以设置上、下行路线；

（2）可以显示当前的站名、下一站的站名，车内温湿度显示；

（3）智能化自动报站功能；

（4）方便用户修改站名和站数，更新快捷方便。

2.2统设计原理

本系统使用八位单片机作为控制器件。

当系统进行语音再生时，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，司机或乘务人员无需控制报站系统。

而且，系统具有根据公交车站台信息确定报站名称的功能（司机或乘务人员可以通过按键来控制）。

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。

2.3系统方案选择

（1）采用STC12C5A60S2单片机作为系统设计的核心

STC12系列单片机具有高效能、资源占用率低等特点。

目前51系列单片机的应用非常广泛。

结合C语言、汇编等程序，单片机可以实现丰富的功能，并且部分设计可以直接在Proteus环境上进行仿真实现相应的功能。

（2）语音播报

方案一：

采用专门的语音芯片

该类芯片有ISD、PM、ALPHA等系列。

常用的如ISD4004，可以录入长达8分钟的语音，8K采样率。

虽然这些语音芯片音质失真度较小，但背景噪声很大，还得额外加功放，无额外发挥功能。

方案二：

采用SYN6288语音合成模块

SYN6288语音合成模块通过异步串口接收待合成的文本，实现文本到声音（TTS）的转换。

文本识别智能、语音合成效果和智能识别效果非常优越。

还具有体积小、硬件

接口简单、性价比高的优点。

考虑报站需良好音质，而且要求控制方便，所以决定采用方案二。

（3）自动报站实现方案

方案一：

采用GPS定位系统，对公交车定位，当公交车的经纬度与车站的经纬度相接近时便报站。

此方案精度高，稳定性好，但GPS价高几百，且必须先对车站的经纬度进行精确勘察，编程难度大、数据处理复杂、精确度要求很高，其工作量可谓艰巨。

方案二：

采用现成的红外收发模块，如PT2272/PT2262收发模块，价格只需10元左右，虽廉价但稳定性极高，距离几十厘米到几米，调节方便，信号传输的距离达到报站的要求；PT2272/PT2262最多可有12位（A0—A11）三态地址端管脚（悬空，接高电平，接低电平），任意组合可提供531441种地址码，对一个城市来说已够用，故选用此方案。

（4）人机界面信息的显示

采用LCD12864大液晶进行信息的显示。

LCD12864可以显示字符、汉字、图片等大量信息，而且控制简单。

传统的数码管、1602液晶等器件显示的信息有限，并且这些器件只能显示字符和数字，不能显示汉字。

所以本系统选择性价比高的LCD12864大液晶进行信息显示。

2.4系统框图

图2-1系统组成结构

2.5系统主控简介

为了降低控制仪器成本并减小体积，系统采用了STC生产的单片机作为主控芯片。

STC12C5A60S2内部没有程序存储器，需要外部扩展存储器，选用一片8KBUVEPROM存储器芯片2764就可以满足应用要求。

同时，STC12C5A60S2还需要外接晶振和复位电路。

语音提示模块选用SYN6288系列语音芯片，外接单片机和音箱组成语音合成和播放电路。

其中，音箱由音频功率放大器LM386驱动。

如图：

图2-2语音提示模块组成结构

文字显示模组采用12864液晶屏作为显示单元，其驱动芯片为带有中文字库的ST7920控制器系列。

模组使用ST7920作为控制器和行驱动器，同时使用ST作为列驱动器。

与单片机的连接，我们采用并行间接访问方式。

电源采用LM2576作为稳压器件，将公交车上的+5-9V直流电压转变为+5V直流电压。

LM2576是NS生产的3A电流输出降压开关型稳压集成芯片，能够较好地解决LM7805因输入电压过高而发热量较大的问题。

3系统主控

本系统硬件构架主要有几大模块组成：

单片机模块、录音模块、播放系统模块、电源模块、ISP下载模块。

以上五个模块构成了公交车报站系统。

3.1主控模块

3.1.1主控芯片（单片机）应用领域

由于单片机的体积小、使用灵活、成本低、易于产品化等特点，特别是有强大的、面向控制的能力，使它在工业控制、智能化仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等到方面得到了广泛的应用。

3.1.2主控的选择

本设计主要考虑了两块现在广泛用于生产生活中的、价格低廉的单片机。

STC公司生的STC12C5A60S2单片机系列和Atmel公司芯片。

本次的设计选用STC公司的单片机。

STC公司是是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。

通过这些核心技术的组合，STC生产出了各种通用目的及特定应用的系统级芯片，以满足当今电子系统设计工程师不断增长和演进的需求。

STC在系统级集成方面所拥有的世界级专业知识和丰富的经验使其产品可以在现有模块的基础上进行开发，保证最小的开发延期和风险。

导全球革新的公司都选择STC的高性能产品来加快自身产品上市，并使自己的产品能够从竞争的产品之中区分出来，不论是传统的市场还是正在发展的市场。

通过分布于超过60个国家的生产、工程、销售及分销网络，STC承诺面向客户，为北美、欧洲和亚洲的电子市场服务。

确保及时介绍产品以及对客户持续的支持已经使STC的产品成为最新电子产品的核心器件。

这些产品进而帮助最终用户完成更多的工作，享受更多的便利并保持与外界的沟通，不论身在何处。

STC帮助客户设计更小、更便宜、更多特性的产品来领导市场。

因此，那些领导全球革新的公司都选择STC的高性能产品来加快自身产品上市，并使自己的产品能够从竞争的产品之中区分出来，不论是传统的市场还是正在发展的市场。

3.2STC12系列单片机特点

STC12系列单片机是以STC12C5A60S2核构成的，所以，它和8051单片机是兼容的系列。

这个系列对于以8051为基础的系统来说，是十分容易进行取代和构造的。

故而对于熟悉8051的用户来说，用STC公司的89系列单片机进行取代8051的系统设计

是轻而易举的事。

3.2.112系列单片机的优点

12系列单片机对一地一般用户来说，存在下列很明显的优点：

（1）内部含Flash存储器

因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。

同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。

（2）与80C51插座兼容

12系列单片机的引脚是和80C51一样的，所以，当用12系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。

这时，不管采用40引脚亦或44引脚的产品，只要用相同引脚的12系列单片机取代80C51的单片机即可。

3.2.2引脚功能说明

STC12C5A60S2引脚图如图1所示：

图3-1STC12C5A60S2引脚图

引脚定义：

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。

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。

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，如下表所示：

管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（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。

P4口：

P4口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出2个串行数据的发送与接收。

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。

4硬件设计

4.1电源模块设计

控制系统一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。

我们多习惯采用线性稳压器件（如78xx系列三端稳压器件）来调节和稳定电压，将较高的直流电压转变为单片机所需的工作电压。

这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会产生较大的热损失（数值为压降U×负荷I），其工作效率仅为30%～50%；加之在高粉尘等恶劣环境下，我们往往将单片机控制系统置于密闭容器内，加剧了单片机的恶劣工况，使系统的稳定性变得更差。

开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管，要么是完全截止无电流流过。

所以，开关稳压电源的功耗极低，平均工作效率可达70%～90%。

在相同压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比热损失小很多。

因此，开关稳压电源可以大大减少散热片体积和印刷电路板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对单片机工作环境的有害影响。

采用开关稳压电源来替代线性稳压电源为单片机供电的另一个优势是：

开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自电源的高频干扰具有较强的抑制作用。

此外，由于开关稳压电源热损失的减少，设计时我们还可提高稳压电源的输入电压，使用一片LM2576就可以将公交车上的+5-8V直流电压转化为+5V直流电压，而不需要考虑芯片过分发热的问题。

LM2576开关稳压集成芯片是线性三端稳压器件（如78xx系列三端稳压器件）的替代品，具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为单片机的可靠、稳定工作提供了强有力的保证。

4.1.1芯片介绍

LM2576是NS生产的3A电流输出降压开关型稳压集成芯片，内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

它提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。

此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。

LM2576开关稳压集成芯片的主要特性如下：

（1）最大输出电流3A

（2）最高输入电压LM2576为40V，LM2576HV为60V

（3）输出电压3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选

（4）振动频率52kHz

（5）转换效率75%～88%（不同电压输出时的效率不同）

（6）控制方式PWM

（7）工作温度范围-40℃～+125℃

（8）工作模式低功耗/正常两种模式可外部控制

（9）工作模式控制TTL电平兼容

（10）所需外部元件仅四个（不可调）或六个（可调）

（11）器件保护热关断及电流限制

（12）封装形式TO-220或TO-263

LM2576的内部框图如下图所示：

图4-1LM2576的内部结构

该框图的引脚定义对应于五脚TO-220封装形式。

LM2576内部包含52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。

为了产生不同的输出电压，通常将比较器的负端接基准电压（1.23V），正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值，其中R1=1kΩ（可调-ADJ时开路），R2分别为1.7kΩ（3.3V）、3.1kΩ（5V）、8.84kΩ（12V）、11.3kΩ（15V）和0（-ADJ），上述电阻依据型号不同已在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。

将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较，若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。

由框图及芯片特性可以看出，以LM2576为核心的开关稳压电源完全可以