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基于单片机的公交车自动报站系统设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

公交车经过了将近两百年的发展,越来越人性化,例如语音报站这样方便乘客了解站台信息的系统被广泛地使用。但是目前大多数公交车所使用地语音报站系统都是由按键操作,需要司机在进入站台时按下按键。然而在进出站时路况比较复杂,司机不仅需要操控车辆还需要开关门,手动按键播报到站语音给司机师傅增加了不小的工作量,同时也给车子的行驶带来了较大的安全隐患。本系统用STC89C52单片机作为核心来实现公交车语音自动报站。分为车站设备和车载设备,通过PT2262、PT2272作为编码和解码芯片来实现两台设备之间无线信号地发送和接收并解码;用SYN6288中文语音模块来对语音进行合成及播放等各种操作控制;在无线模块接收到信号后使用STC89C52RC控制SYN6288中文语音模块进行播报。

关键词:公交车报站;单片机;语音播放;无线收发

Abstract

After nearly two hundred years of development, the bus has become more and more user-friendly. For example, a system such as a voice station that facilitates passengers to understand platform information is widely used. However, most of the current voice station reporting systems used by buses are operated by buttons, which require the driver to press a button when entering the station. However, when entering and leaving the station, the road conditions are more complicated. The driver not only needs to control the vehicle but also needs to open and close the door. The manual button broadcasts the station voice to the driver's master, which adds a lot of work, and also brings a big safety hazard to the driving of the car. This design uses the STC89C52 single-chip microcomputer as the core to design a bus voice automatic reporting system. It is divided into station equipment and vehicle equipment. It realizes wireless signal transmission and recognition between two devices through DF wireless transceiver module and PT2262 and PT2272 codec chip. It uses SYN6288 Chinese voice module to synthesize and play voice. Control; finally, through the STC89C52 control of each module to achieve wireless transceiver and identification and voice reporting tasks, and use Proteus software for simulation.

Keywords:bus station information;Microcontrollers;voice module;wireless transceiver

目 录

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 本次设计的主要研究内容与方向 4

第2章 方案分析 5

2.1 方案对比 5

2.1.1 实现方法选择 5

2.1.2 无线收发模块选择 5

2.1.3 语音播报模块选择 7

2.2 本章小结 7

第3章 系统设计 9

3.1 设计思路 9

3.2 系统框图 9

3.3 系统流程图 10

3.4 系统的软件组成 11

3.4.1 PROTEUS仿真 11

3.4.2 程序 12

3.5 系统的硬件组成 14

3.5.1 STC89C52RC 15

3.5.2 无线收发模块 15

3.5.3 无线收发模块调试 16

3.5.4 SYN6288中文语音合成模块 18

3.5.5 语音模块调试 20

3.6 实物连接图 23

第4章 总结与展望 24

参考文献 25

附录 27

致谢 35

绪论

研究背景及意义

自从公交汽车诞生在这个世界上,到今天已经过去了将近200年的时间。作为城市里较为方便快捷的交通工具,公交车因为其环保和低成本的优点而受到了广泛地欢迎和推广。但伴随着现代都市的建设与开发,公共交通工具的配套设施也需要跟着城市化的进程一起完善,提高城市公共交通建设的数字化程度以及智能化程度成为了城市建设中的一项重大课题。对公共交通系统的数字化和自动化研究起步较早的几个发达国家将这称为APTS(Advanced Public Transportation System),APTS将先进交通管理系统(Advanced Transportation Management System,简称ATMS)与先进车辆操控与安全系统(Advanced Vehicle Control and Safety System,简称AVCSS)技术联合运用于城市公交中,用以提高公共运输行业的服务质量,公交车自动报站就是其中重要的一个环节。

由于公交车站的路线较为繁杂,很多乘客公交线路不熟悉,而且有时车上太过拥挤看不到站牌,或是因为忙于其他事情忘记公交车行驶到站,经常会坐过站或提前下车,造成诸多不便,所以公车会提供语音报站服务,提醒乘客上下车。

早期的公交车报站由售票员人工报站,随着技术的发展以及人们自觉性地提高,售票员的工作已被取缔,而同时报站工作也交由语音广播完成,目前公交车大多是使用手动报站系统,司机的操作台上有下行播报按键和上行播报按键,当你到达一个站台时司机主动按下按键,播放语音提示,但这存在有诸多局限性,比如有时由于司机处于疲劳、专注驾驶的状态时或是炎热、寒冷等恶劣天气下,容易发生失误遗漏某个站点的播报,并由此会导致下个站点报站错误,导致乘客下错站或是忘记下站,这便会给很多不熟悉路线的乘客带来许多不便。而且司机在进出站时除了需要操作车辆进行停靠或起步,同时需要负责手动报站和开关门,工作负担相当之大,并且在准备停靠或是起步之前操作按键导致注意力被分散,行车容易发生意外。

鉴于传统公交车报站系统人为因素对报站的准确性有着较大的影响,并且对于公共交通的从业人员是一个不小的负担,全自动的公交汽车报站方式则会是未来先进的公共交通运输业中重要的需求以及研究方向。

国内外发展现状

由于经济的较早发展和汽车保有量的急剧上涨,为解决并改善城市中出现的交通问题,美国智能交通协会从系统的概念引申,提出了高智能化程度的交通体系的概念(Intelligent Transportation System ,简称 ITS),先进公共交通系统(APTS)是智能化交通体系(ITS)的重要组成部分,旨在实现公共交通设施的智能化、信息化。在大力发展智能公共交通系统的基础上,美国、日本等发达国家对车辆的双向无线通信、GPS定位和自动语音报站系统的研究开始得较早,包括美、日以及欧洲各国增添了大量的人力物力将计算机科学和GPS 卫星定位等技术联合运用在城市的公共交通建设上,并取得了一系列的研究进展。

美国是对智能公共交通系统系统研究得比较成功的国家之一。1994 年,身为卫星导航以及卫星定位技术行业内中流砥柱的美国Navsys公司把GPS卫星定位技术跟蜂窝移动通信技术融会贯通,提出了TIDGET先进导航的概念,把在监控范围内的车辆的实时位置用GPS卫星定位出来然后通过无线网传导到监控中心,这同时也是现在车辆救助系统的雏形。在2000年美国政府宣布将GPS的可用性选择改为零,这在很大程度上促进了 GPS 在普通民众间的使用率大幅上升,其技术也在各民用公司的竞争中不断发展。Motorola(摩托罗拉)公司也依靠自己在通信产业和卫星定位方面的技术优势,基于通信模块开发了各种功能强大、种类繁多的定位监控产品。美国的这类系统还有Ford(福特)公司的 RESCU 系统等[1]。美国利用其雄厚的经济实力促使以GPS为基础的智能公交系统在本国快速的发展,并于2006年公布了在智能公共交通研究领域的五年计划方案。这个研究计划的目的是设计实现一个覆盖整个美国的系统,在这个系统中将车辆和乘客的便携设备比如手机、平板会跟基站连接起来。在这个连接的环境中,充分利用电子控制和通信传输技术,最大限度地保护环境和提高安全性、流动性。该方案的核心是研究连通性问题,包括车辆之间、车辆和道路基础设施之间以及道路基础设施和无线消费电子设备之间的通信交互[2]。近几年,现阶段通过GPS技术实现的公交车自动报站方式大多数会把卫星定位跟无线传输联合在一起,可行性相当高。

日本也是先进公交领域研究计划开展的较早的国家之一,1996年日本开发出了VICS(道路交通情报通信系统),这个系统是现在车载信息通讯系统的雏形,它能够广泛地获取道路信息以及汽车的数据然后实时地报告给司机。基于道路交通情报系统,日本又开发出了更加先进的SmartWay。截至2010年,日本已实现了SmartWay的全国部署[3]

韩国近年来也成为智能交通领域的后起之秀,该国计划的一部分就是从2008年到2020年部署投资32亿美元。韩国的先进交通体系基础设施以都市建设为基础,并建立了四个示范点,从自适应信号灯控制到实时交通情报再到公共运输业管制再到加快违规执法四个方面建造城市的先进公共交通服务。截止2009年,已经有9300辆公共汽车和大约300个巴士站部署了实时定位和状态通知系统[2]

自从改革开放以来我国的经济高速发展,我国的自动公交报站系统的研究相较于发达国家起步较晚,许多城市仍然在使用传统的按键播报的方式,因此容易发生漏报或者误报等情况,可靠性不高,且由此给司机所带来的工作负担以及行车的安全情况亟需引起重视。通过资料查找所了解到国内目前正在研究的公交车自动播报器主要有以下几种类型:

(1)基于GPS(Global positioning system)的自动报站系统[4],GPS是一种基于空天卫星的实时定位系统具备授时功能和高适用性、大范围等特点,我国的北斗卫星导航系统与GPS类似也归入这一类报站方式中。在无障碍通信情况下需要4颗或以上卫星才能实现精确定位。全球定位系统由美国政府拥有和维护,世界上任何一台接收机都可以从导航卫星中获取数据。可经由GPS或是北斗卫星导航系统对公交车所处的地点进行定位,然后自动播报站点信息,还可以连接车内的液晶显示幕滚动显示站点信息,并且它还能够跟 GPRS(General Packet Radio Service)进行通信链接,完成公交车运营的监管与控制,基于GPS的自动报站系统具有较高精度、全天候、可延伸性强、易连接易操作等特点,但是其系统运行成本较高,需要投入较大财力物力去完善其对应的基础建设。

(2)运用通电磁线圈的公交汽车站台播报方式[5]。这一研究的核心在于公交车底盘上携带有通电的线圈;然后公交车经过站台之前的道路下铺设线圈。当公交车到达铺设地点的时候,完成闭合线圈切割磁感线运动,运用电磁感应原理给报站系统通电进行报站。由于铺设价格昂贵,如果要在城市公共交通系统里大范围地运用的话其成本难以想象,因此并未投入实际使用。

(3)计算车辆轮胎滚动次数的公交车自动报站实现方案[6],这一方案是记录车轮转动时转轴产生的脉冲次数,在车辆上路之前记录好到达车站应有的次数,当脉冲次数达到时,就会进行语音播报,实现报站功能。但是这一技术面临车辆转轴磨损后报站精确度下降以及在改变线路等情况下修改程序比较复杂等问题,暂时无法取得进一步的研究成果。

(4)以Wi-Fi位基础的公交站点播报方式,Wi-Fi网络可以方便地完成语音、视频、定位无线传感等多种功能,将公交车站作为Wi-Fi信号的发射平台,公交车一旦经过车站接收Wi-Fi信号传输过来的语音信息并播放,但是由于Wi-Fi的广泛应用,在城市这一复杂的无线环境下,Wi-Fi的防冲突能力弱,容易受到干扰,不适宜使用。

(5)Zigbee标签定位系统在公交车自动化语音播报中应用的研究,其实现原理与基于Wi-Fi的公交车自动报站系统类似,但是相较于Wi-Fi的大范围使用,Zigbee并未有如此广泛的应用,被干扰的概率也大大降低,是一种较为合理的研究方向。

(6)基于无线射频识别原理(Radio Frequency Identification,简称RFID)的公交车智能站点信息模块,这一模块依托于时下正在飞速发展的无线数据收发技术,在公交车站放置无线发送设备,将无线信号编码向公交车发射信号,公交车在接收到信号后解码,向车内乘客播放语音

本次设计的主要研究内容与方向

本次设计将公交车自动语音播报设计分成了车载部分以及车站部分两个部分,通过车站设备中的DF无线发射模块和PT2262芯片编码发送频段为315Mhz的无线信号,车载设备接收到信号后,使用PT2272芯片解码,通过SYN6288中文语音合成模块在车内播报站点信息,完成公交站进站的语音播报。

第二章主要描述了设计开始时拟采用的不同方案及各个方案之间的对比,首先是报站方式的选择,在查阅资料后从基于Wi-Fi技术、基于Zigbee技术和基于RFID技术三种方式中选取了较为可行的基于RFID技术作为实现方法;其次在无线收发模块的方案选取上有考虑过nRF401AG、nRF24l01、CC2500以及PT2262/PT2272五种选择,最终采用了了PT2262/PT2272;而在语音播报实现方式的选择上在对比过SYN6288中文语音合成芯片以及ISD1700语音模块后最终选择了SYN6288中文语音合成芯片。

第三章先是简要介绍了该设计的整体思路和思路分析,其中包含有系统框图和系统各个模块的分析。之后对系统实现方案进行了详细的描写,分为硬件电路设计和软件设计两个部分。其中软件设计部分主要包括设计的程序分析以及仿真分析。硬件电路设计对51单片机的最小结构、PT2262/PT2272解码译码芯片以及SYN6288中文合成语音芯片进行了详细的介绍。硬件描述中还包含有对设计的各个部分的实物调试与测试的记录,包括了串口通讯调试和各个部分的功能检验。

第四章是对本次设计过程的一个总结,回顾了在这次毕业设计中的所学与所得以及碰到的问题。

方案分析

本章主要对比了在实现无线收发和语音播报时拟采取的不同方案,比较各个方案之间的优劣势,以及选定最终方案的原因。

方案对比

实现方法选择

首先排除掉了成本较高的以GPS为主的依靠卫星定位实现的播报模式和基于通电磁线圈产生的电磁感应来播放语音信息的方案以及精确度难以保障的基于车轮转动的语音播报模式,最终方案在基于Wi-Fi技术、基于Zigbee技术以及基于RFID技术的这三个方案中讨论、选择。

Wi-Fi技术在当今社会有着广泛的应用,它的普及性较高,支持802.11b/g国际标准,支持WEP、WPA、WPA2等国际标准加密方式,可低成本地实现室内外无缝覆盖,但是正因为它的普及性较高,城市环境中存在着太多的信号干扰与冲突,在公交车进站的这一小段时间内,车载设备很难快速有效地连接上车站设备的Wi-Fi信号,因此排除这一方案。

Zigbee技术也是一项常见的物联网信息传输技术,但它在城市生活中的普及率并没有像Wi-Fi那样高,使它具备了一定的可行性,但是考虑到它不论接收设备还是发射设备的成本都略高于RFID,并且它的布网需要十分专业的人员来进行,因此放弃基于Zigbee技术的方案。

RFID技术是时下信息物联网发展的一项重点发展方向,相比较于Wi-Fi或是Zigbee它无法完成双向传输,但恰好此次设计研究也并不需要双向传输,只需要由车站设备发送信号,车载设备接收信号并播放语音即可,而且它可以以极低的成本来实现室内外的无缝覆盖,施工简单方便,极大的减少了人工和布网成本。

对比了以上各个实现方案的优劣势后,最终选定基于RFID技术作为本次设计的实现方案。

无线收发模块选择

无线收发模块按照发射以及接收的速率大小区分大抵能够分为低速传输以及高速传输两大类[7]

高速传输主要是指每秒的传输速率能达到500kbit的收发模块,大多数达到这一速率的模块的工作频段在2.4GHz,在没有障碍物的开阔空间里,可用的直线距离最远可达到几十米。主要常用的高速无线模块有以下四种:

(1) nRF2401AG:

nRF2401AG无线模块是由挪威最大的2.4G频段半导体器件研发公司Nordic公司研发,总共有125个频道。nRF2401内置了CRC纠检错硬件电路和协议。通过程序编写可以对它的发射功率和工作的频率进行编程,它的工作电压在1.9V到3.6V之间,可以实现较低功耗的电路设计。通过编程可以对最多40个地址位进行编码,只有得到来自本机的中断信号时才会发射数据。

(2) CC2500:

CC2500无线模块是美国的TI的产品,跟nRF2401AG相比,具有OOK/ASK/2-FSK/MSK等多种调制方式,可以根据实际情况来更改它的工作模式,极大地提升了工作效率;CC2500的输出功率高于nRF2401AG,最高可以达到1dbm;能够支撑每一个数据包单独链接质量指标;芯片内部包含各类型错误纠察反馈电路,是一种适合用于对误码率由较高要求的数据传输模块。对于一般应用,500kbit/s的速率也足够了。

(3) SX1280:

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