公交汉字显示与语音播报系统的设计

1、公交汉字显示与语音播报系统的设计摘 要：现代的城市化发展愈加迅速，公共交通作为一个城市重要的基础建设之一，是大多数市民的首选出行方式。当下的科学技术的发展突飞猛进，微型计算机已在很多领域得到广泛的应用。出于为市民提供更便捷，更完善的服务，设计了一种由单片机控制的公交汉字显示与语音播报系统。 公交汉字显示与语音播报系统的设计应用单片机，LCD液晶显示，语音芯片，使得到站信息及提示信息以语音和文字显示的方式告知市民，方便市民在没听清语音播报的情况下也可以从显示屏上得知到站信息。关键词：单片机；语音播报；LED显示The design of the bus to Chinese characters

2、 display and speech broadcast systemAbstract：Modern increasingly rapid development of urbanization, public transportation as an important infrastructure of a city, is the first choice for most citizens way to travel. Now the development of science and technology by leaps and bounds, a microcomputer

3、has been widely used in many fields. For citizens to provide more convenient, more perfect service, we design a controlled by single chip microcomputer bus to Chinese characters display and speech broadcast system. Bus to Chinese characters display and speech broadcast system design and application

4、of single-chip microcomputer, LCD liquid crystal display and voice chip, arrive station information and message informed citizens, in the form of voice and text display for citizens in didn't catch the case of speech can also learned to information from the display screen. Keyword: Single-chip M

5、icrocomputer; Voice broadcast; LED display目录前言1第1章 课题任务与方案设计21.1 课题任务21.2 方案设计2第2章 硬件设计42.1 单片机最小系统42.1.1 AT89C51芯片介绍42.1.2 AT89C51单片机最小系统设计52.2 显示模块设计62.3 语音模块设计82.3.1 ISD1760芯片介绍82.3.2 语音信号拾取电路设计82.3.3 音频放大电路设计92.3.4 ISD1760操作规则112.4 按键模块设计12第3章 软件设计133.1 主程序设计133.2 子程序设计143.2.1语音模块录音设计143.2.2 语音模

6、块放音设计143.2.3 显示模块设计15第4章 结论174.1 系统调试174.1.1 硬件调试174.1.2 软件调试174.1.3 系统调试184.2 结论19参考文献20致谢21附录一22实物拍照22 前言城市的发展越来越迅速，公共交通对普通百姓平时出行越来越重要。公交系统的建设代表着一个城市基础发展的好坏，最直观的体现城市的人民生活指数。公交能创造良好的社会和经济效益。公交服务是一件利国利民的基础服务，所以公交的发展是及其重要的。如今单片机技术得到了极大的发展，使得其在多个领域被大量的使用。由于单片机的可编程性以及出众的存储拓展性等优点，因此决定采用单片机来实现公交的语音播报及汉字显

7、示功能。当下公交车报站系统主要分为以下几种：第1种，即将到站时由司机或乘务员按下进站按钮并开始报站，出站时由司机或乘务员按下出站按钮开始预报下一站的站名；第2种是车门感应语音报站装置，将开关门所感应的信号传给语音报站系统，达到开关门时自动播报的目的；第3种是定点无线语音报站系统，它是在每个公交站点放置信号发射器，公交车到达站点的信号发射器范围内会收到信号，并开始自动播报，等到出站后脱离信号发射器范围，播报下一站的信息，此报站系统优点为报站准确，缺点是需要为每1个站点建设无线信号发射器，建设难度大、成本高，并且大部分站点无法提供电源，以及当公交车数量过多时会有频率干扰的问题。并且需要调整站点时极

8、其不便，且成本过高。第4种GPS语音报站系统，该报站系统是在公交车上安放GPS定位语音报站装置，通过定位来识别站点并进行站点的播报。本设计采用人工按键控制，实现司机或乘务人员在车辆到站时用按键控制语音播报以及文字显示。当公交车即将进入站台时，公交车司机可以通过按键控制单片机进行语音提示和文字显示。此时乘客们便可以听取语音播报和LED显示的文字信息得知到达站点的信息，以便防止过站或误下车。系统由AT89C51单片机，ISD1760，1602工业字符型液晶和稳压芯片等组成。目的是能通过使用按键控制语音播报和文字显示。第1章 课题任务与方案设计1.1 课题任务1.设计使用ISD1760语音芯片的语音

9、模块，实现预录音及汽车到站的语音播报；2.通过按键控制语音模块的录音和放音；报站系统的信息播报和文字显示。3.使用液晶显示器显示报站信息。1.2 方案设计关于公交报站系统，我将公交报站系统电路总体上分为主芯片控制部分（即AT89C51单片机）、ISD1760语音芯片部分和1602工业字符型液晶。以AT89C51单片机最小系统作为核心控制电路，控制语音芯片来读取外接存储器中信息，然后合成音频信号，之后经过音频输出电路，进行语音播报。通过使用独立按键来实现控制功能，具体显示内容及方式由软件来完成。语音部分由ISD1760芯片来实现，它是一个多功能的语音芯片，录放电路简单，可以多次重复录放。当系统录

10、入语音信号时，语音信号通过音频录入（MIC）传输到音频合成电路中的语音控制主芯片（ISD1760），由该芯片进行音频信号的处理，并将转换得到的数字信号储存进外部储存芯片中，建立报站信息库。并且锁存进相对应的地址中，通过控制按键实现播放需要的信号。显示部分通过1602工业字符型液晶进行文字显示。系统的电路设计原理图如图1-1所示：图1-1系统的电路设计原理图第2章 硬件设计2.1 单片机最小系统2.1.1 AT89C51芯片介绍图2-1 AT89C51芯片引脚图AT89C51系INTEL的MCS-51系列单片机产品中的基础产品，它是通过使用ATMEL精良的CMOS制造工艺产出的高性能的8位单片机

11、产品，属于标准的MCS-51产品。它拥有CMOS的高速以及高密度等技术特性并继承了CMOS的低功耗优点，它是标准的MCS-51系列单片机系统，内部拥有时钟输出以及向上、向下的计数器等功能。AT89C51拥有8位CPU、128×8位内部RAM、8kb的ROM、32 个I/O端口 (输入/输出端口)。此外，AT89C51还拥有低功耗膜式，可通过软件控制空闲和掉电两种工作模式的切换。选择空闲模式时，除了CPU其它部件继续工作。当选择掉电模式时，RAM内数据自动保存、并停止其它所有功能。AT89C51的封装拥有两种形式，一种是PDIP(40pin)，另一种则是PLCC(44pin)。2.1.

12、2 AT89C51单片机最小系统设计单片机的最小系统的组成部分：1、复位电路：是为了保证单片机系统电路可以稳定工作的组成部分，所以复位电路很重要。单片机的复位电路的设计是否合理,直接影响到单片机系统在工作时的稳定性。复位电路的作用是将系统进行复位以解决“卡死”、“程序走飞”等一系列问题。常见复位电路：上电复位跟手动复位两种，本设计采用手动复位。设计中复位电路的工作电压选定为5V，电阻的规格则使用10k欧，电容的规格选定为20uf。和复位电路相接的RST端口设置为低电平，电源则对电容进行充电。当按下复位键时，电容开始放电，让RST端口改变为高电平。当RST端口维持高电平超过两个机器周期（2us）

13、时，系统电路则开始复位。图2-2复位电路2、时钟电路：时钟电路主要由晶振与电容组成。该电路只能在XTAL1以及XTAL2两端接入石英晶体振荡器和2个电容组成的振荡电路，一般C1和C2的取值为15pf-50pf，晶振频率固定为1.2MHz12MHz之间。当时钟电路为外接时，则需要XTAL1接地，XTAL2接入外接的时钟电路，外部的时钟信号无特别的要求，只要保持一定的脉冲带宽，时钟的频率小于12MHz。晶体振荡器的振荡信号由XTAL2引脚传输进内部时钟电路，内部时钟电路再将振荡信号一分为二，分成两相的时钟信号：P1和P2，提供给单片机。在电工学里，该网络设置2个谐振点，通过频率的高低来区分，频率低

14、的则是串联谐振，而频率高的则是并联谐振。晶体的自身特性会导致两个频率的间距会非常的相似，在这个非常相似的频率范围内，晶振会等效成电感，所以我们需要通过在晶振的两端并联上一定的电容就可以形成并联谐振电路。并联谐振电路接入到负反馈电路内便能形成正弦振荡电路，而晶振等效成的电感的频率范围比较小，所以即便其它元件的参数波动非常大，这个振荡器的频率也会控制在一个很小的范围内。此次设计中使用的晶振频率为12 MHz。机器的周期计算公式是：机械周期=12/晶振频率。所以12MHz的晶振的机械周期为1us。而本次的晶振电路使用的电容为常见的22pf电容。由于晶振和单片机引脚XTAL0以及XTAL1所组成的振荡

15、电路出现的谐波(干扰波),谐波会影响电路中时钟振荡器的稳定性，所以需要通过增加电容来保证电路的稳定性。图2-3内部时钟电路2.2 显示模块设计此次的显示模块选用1602工业字符型液晶图 2-4 LCD1602工业字符型液晶，其可同时显示16x2=32个字符。（16列*2行）注：这里为了便于表示 ，后文皆以1代表高电平，0代表低电平。1602液晶即1602工业字符型液晶，其主要是用于显示字母、数字、符号等的显示器。其是由多个5*7或5*11的点阵字符位构成，点阵字符位可对应字符，每一个点阵字符位之间的间隔为1个点距，每一行之间的间隔也为1，作用是字符间距和行间距，这导致了它不适于图形的显示（即便

16、将CGRAM随意指定，也不能很好得显示）。1602LCD是只能同时显示16*2的液晶,*2的意思为显示两行，每一行都有16个字符（其用于显示字符以及数字）。现在市场使用广泛的芯片是HD44780，原理都大同小异，所以市面上大部分的字符型液晶都能使用HD44780所编写的控制程序。图2-5 HD44780液晶芯片2.3 语音模块设计2.3.1 ISD1760芯片介绍SD1760芯片是Winbond公司的单片优质语音录放芯片，该芯片提供涵盖多信息管理体系，新信息提示,双运作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内包括自动增益控制、麦克风前置放大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等。录、放音可以达到

17、十万次之多，存储的信息可在断电情况下保存一百年。其拥有两种控制方式，两种录音方式，两种放音方式，并且能处理255 段以上的信息，有全面的状态提示功能，多种采样频率相匹配的多样录放时间，其音质好，宽电压，应用灵活，价格低廉。工作电压：2.3V-5.4V,最高不得超过5.9V，静态电流：0.5 - 1 A，工作电流：20mA，用户能通过震荡电阻进行芯片的采样频率的调整，以决定所需要的录放时间。2.3.2 语音信号拾取电路设计语音信号拾取采用小体积的柱极体电容话筒，与ISD4004的模拟输入信号端相连接，前置放大采用三极管9014，ISD4004声音输入端在单端输入时一般信号幅度不超过32mv,本次

18、设计采用单端输入方式。如图3-6所示：图2-6 语音信号拾取电路2.3.3 音频放大电路设计音频放大电路采用运放电路LM386。该电路外围电路简单，放大倍数为200倍左右，在8欧姆的小喇叭上具有足够的音频功率，输入端的电位器可调节放音音量大小。如图3-7所示：图2-7 音频放大电路图ISD1760 拥有非常简单的按键工作模式的录放电路。拥有录、放功能，快进，擦除，音量控制，放音和复位等功能。通过按键便能完成。(1) 录音操作按下录音键，开始录制当前编号所对应的语音。(2) 放音操作按下此键，播放当前编号所对应的语音，语音播放过程中按此键则为停止播放。(3) 擦除键按下此键，擦除当前编号所对应的

19、语音，按住此键2s，则清除存储内提示音意外所有信息。(4) 音量调节键按住此键，音量从大变小，再从小到大。(5) 下一段键当键位为按下时，编号会自动加1，并开始播放下一段音频。按住不放，编号将自行连续加1，直到按键弹起为止，当编号为最大时则无效。主控单片机（AT89C51）通过（SCLK，MOSI，MISO，/SS）SPI协议对ISD1760进行串行通信。ISD1760作为从机，大部分的操作都可以由SPI协议完成。为了兼容独立的按键模式，一些SPI命令：PLAY，REC，ERASE，FWD，RESET和GLOBAL_ERASE的运行类似于相应的独立按键模式的操作。SET_PLAY，SET_RE

20、C，SET_ERASE命令允许用户决定录音、放音和擦除何时开始和结束。同时，还有一些命令有权调取APC寄存器，进行设置芯片模拟输入的方式。单片机(AT89C51)主要是通过(SCLK，MOSI，MISO，/SS)SPI串行通信ISD1760的协议。ISD1760作为从机,几乎所有操作都可以由SPI协议完成。模型兼容独立按钮,一些SPI命令: PLAY，REC，ERASE，FWD，RESET和GLOBAL_ERASE操作类似于相应的独立按键的操作模式。此外,SET_PLAY SET_REC SET_ERASE命令允许用户指定录音和回放和擦除的开始和结束。此外,还有一些命令可以访问APC寄存器,用

21、于设置芯片的模拟输入模式。ISD1700系列的SPI串行接口操作遵照以下协议：当/SS管脚为下降沿，则一个SPI处理。完整的SPI指令传输周期内，/SS引脚应为低电平。数据的芯片SCLK上升沿锁存于MOSI,SCLK的下降沿输出MISO,低位在第一时间删除。SPI命令操作码包括命令字节,字节的数据和指令,这是由1760类的顺序决定当命令字和数据输入MOSI,同时MISO移除状态寄存器和前行信息。SPI处理开始于/ SS变高。在SPI命令操作完成后,将开始一个中断信息,并继续固定在低,直到收到CLR_INT命令或芯片复位。图2-8 ISD1760引脚图2.3.4 ISD1760操作规则ISD17

22、60在SPI的串行接口上工作。SPI协议为同步串行数据传输协议,该协议在SCLK的下降沿时SPI移位寄存器启动,所以ISD1760当时钟上升沿时MOSI引脚的数据锁存,当下降沿MISO引脚接受数据。协议的具体内容为：SS为下降沿时全部串行数据传输启动。当SS传输期间，其必须固定成低电平,而在两条指令之间必须固定成为高电平。时钟上升沿时数据输入,下降沿时数据移出。SS成为低电平时, ISD开始录放操作前输入指令和地址,。指令的格式是：控制码为8位，地址码为16位。ISD只要出现EOM或OVF,形成一次中断,只有开始下一个SPI周期时清除中断状态。ISD的MISO引脚去除中断状态需要"读

23、"指令, 同时MOSI输入控制及地址数据。所以要注意能否兼容输入的数据和正在进行的操作。一个SPI周期是可以同时启动读的状态以及新的操作。全部的操作均在运行位为高电平时开始,低电平时结束。全部的操作均在SS为上升沿时启动。(一)信息快进用户无需了解准确的信息地址,便可直接跳过一条。信息快进必须在放音模式下使用。放音的速度可达1600倍,只有出现EOM才停止,停止后内部地址计数器+1,并指向下一条信息的起始位置。(二)SPI控制位端口MISOMOSIMessage cueing (MC)Ignore Address Bit (IAB) Play/Record (P/R)Power UP

24、 (PU)RUNOVFEOMP0P1P2P3P4P5P6P7P8P9P1000C4C3C2C1C0A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0图2-9 SPI控制位端口(三)上电顺序器件通过TPUD即可执行操作。所以当上电指令发完后,直到出现TPUD,才可以发出1条操作指令。2.4 按键模块设计键盘集成了所有按键，是可以实现人工控制系统的外部设备。键盘的种类有两种，一种是编码键盘，另一种是非编码键盘。编码键盘可以自动识别并产生所控制按键的代码，通过并行或串行的方式传输至CPU。它具有便捷，简单，延迟低等特点，缺点是需要提供专用电路。而非编码键盘由软件识别按键并输出对应代码。其相比编码键盘牺牲

25、了一定的速度，但是无需专用电路，因此被广泛的使用。按键模块选择的是普通独立按键，本设计使用了4个独立按键。分别为K1,K2，K3，K4.按键功能：K1启动按键，连接至单片机的P1.0。按下K1，则启动系统，并显示文字信息，语音模块同步播放信息。再次按下K1则显示以及播放下一条信息。K2复位按键，连接至单片机的RST。按下K2，则初始化单片机系统，以达到复位目的。K4放音按键，连接至单片机P3.1。按下K4，执行放音。第3章 软件设计3.1 主程序设计第一步是复位单片机系统,系统在复位完成后默认启动。按下K2，则初始化单片机系统。按下K1，则启动系统，并显示文字信息，语音模块同步播放信息。语音模

26、块收到指令便提取录音信息进行播放，显示模块收到指令通过芯片解码后通过显示模块显示文字信息。K1按键没有按下，而K3或者K4被按下，则系统进行相应录音或者放音。主程序流程图如图3-1所示：系统初始化K1是否被按下？Y调用语音模块放音子程序调用LED点阵显示子程序开始K2是否被按下NNYK3是否按下？K4是否按下？NYY调用语音录音子程序调用语音放音子程序N图3-1 主程序流程图3.2 子程序设计3.2.1语音模块录音设计第一步将录音程序烧录进芯片。在单片机程序内编写录音按键。接通麦克风等外部设备后按下K3，系统便开始录音，结束后保存。语音模块录音程序流程图如图3-2所示：开始录制语音AT89C5

27、1芯片发送指令至ISD1760芯片开始返回调用录音子程序K3按键按下图3-2语音芯片录音流程图3.2.2 语音模块放音设计第一步进行系统复位，在单片机程序内编写放音按键。接通喇叭等外部设备后按下K4，系统便开始放音。 语音模块放音测试流程图如图3-3所示：调用录音并播放录音YAT89C51芯片传输指令至ISD1760芯片开始返回K4按键按下图3-3语音芯片放音流程图3.2.3 显示模块设计第一步是查看K1是否按下。按下，则将单片机中对应的显示程序传送给LCS液晶显示模块。解码芯片接收进行解码，储存芯片接收信号后锁存来自解码芯片的行信号。芯片则控制行与列来显示信息。显示模块流程图如图3-4所示：

28、开始显示：xxx到站请上车返回调用AT89C51中显示程序并传输脉冲信号74HC138芯片译码进行行控制，74HC595芯片锁存进行列控制K1按键按下图3-4 显示模块流程图第4章 结论4.1 系统调试4.1.1 硬件调试第一步按照所设计的原理图内的元器件清单购买元器件及模块。购买齐全后进行焊接并调试1、电源测试接通电源，将万用表调至电压档测量电源部分电压，看数值是否为5V。不是则排查电源，检查其电压是否达到220v，之后检测开关电路电压值是否为5v。开关电路电压若不为5v，则更换数据线并重复上述测试。2、复位电路测试接通电源，按下复位键，再将万用表调至电流档看是否有电流。同时检查显示模块以及

29、语音模块有无复位。3、语音模块测试安装好语音芯片，接通电源，按放音键检测语音播放是否正常。如果无法播放或播放存在杂音则需要检查是否存在漏焊虚焊的情况。4、显示模块测试接通电源，烧录程序检测显示信息是否正常。显示有误，则检查连接是否正确。如无问题再检查显示电路是否有损坏。完好时则需检查LCD液晶显示屏是否完好。最后则可能是解码或存储芯片有问题。4.1.2 软件调试1、调试工具  程序编辑器keil C ，绘图软件proteus2、编译过程 本系统包括硬件和软件两部分，在这里只进行软件仿真，在软件调试中，对Keil仿真软件进行程序调试。第一步分别调试各个功能

30、程序，然后再对整个程序进行调试，这样错误的代码就很容易被查找出来，极大的减少了工作量。具体的调试方法如下：首先在Keil软件中查找AT89C51芯片，把它作为控制处理器，然后开始新建一个工程文件，将之前编写好的各个功能程序录入到软件中去。通过keil C软件编写程序，编写完成后进行调试。如有错误，软件会提示错误所在，通过提示查找错误并更改，更改完毕重复调试，若依然存在问题则重复上述修改步骤。重复修改，直到软件不再报错。程序修改完毕后通过proteus对软件进行模拟。若存在错误则通过keil C软件查看并修改语句逻辑错误。依然无法正确显示，则需仔细排查程序代码部分和显示程序部分是否存在

31、错误。图4-1软件编译4.1.3 系统调试1、烧录程序通过烧录软件STC-ISP V35将软件烧烧写进芯片内。进行程序的烧录前需要设置烧录软件。第1步先将USB接口断开；第2步将MCU Type选项设置成AT89C51RC；第3步打开.hex后缀的文件；第4步：选择所连接的端口；第5步：安装芯片并通过USB连接至电脑；第6步：点击Download/按钮开始烧录，烧录完成后即可断开链接。2、系统调试在确保显示和语音两个模块都能正常工作的情况下，先确保软件与硬件无误，再进行电路板的调试工作。按下启动键，显示模块正常显示第1段文字信息，语音模块播放第1段音频信息。再次按下启动按键，显示模块正常显示第2段文字信息，语音模块播放第2段音频信息。此时按下K2，显示模块则显示第1段文字信息，语音模块播放第1段音频信息。4.2 结论本次设计是基于单片机的公交汉字显示与语音播报系统，以AT89C51单片机为核心设计控制电路，ISD1760语音芯片为核心的语音电路，以及以HD44780液晶芯片为驱动加上LCD液晶显示器设计的显示模块，以按键控制电路操作整个程序。本文详细介绍了ISD1760语音芯片，HD44780液晶芯片。通过此次设计，了解了51系列单片机的知识，同时开拓了视野，提高了学习能力。这将为以后的工作学习打下坚实的基础。参考文献1付丽辉.汽车自动报站器的设计J