本科毕设论文--公交车无线自动报站系统--硬件设计

PAGEPAGE29西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文)题目：公交车无线自动报站系统——硬件设计毕业设计（论文）任务书系别电子信息系专业自动化班级姓名学号1.毕业设计(论文)题目：公交车无线自动报站系统—硬件设计2.题目背景和意义：公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。传统的由乘务人员人工报站，因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。公交车自动报站器的设计主要是为了弥补改变传统语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，为市民提供更人性化，更完善的服务。3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标)：主要内容：结合单片机技术、语音技术、测温技术、无线数据传输技术和LCD显示技术，充分发挥了报站器的报站功能，同时应具有测温功能和汉字显示功能。实现了公交车进站前预报前方到站的信息提示；技术指标：1、实时轮流显示当前时间，车内温度，下个站点的站名和一些温馨的提示。2、完成无线数据的接收和解析，并且通过语音芯片和扬声器播放站台信息和其他信息。3、供电电压：直流＋12V。4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点)：1、掌握单片机原理及外围接口电路设计。2、掌握Protel99se电路设计工具的使用。3、掌握一定的模电数电的基本概念原理。进度安排：1--3周：查阅资料，了解公交车报站系统的背景以及国内外的现状；了解组成本次设计的各个芯片的资料以及做好开题报告的准备工作。5--9周：根据查阅掌握的资料，拟定此次设计的制作方案，以及PCB板的制作。10-11周：完成中期答辩。12-16周：完成剩余部分，焊接，调试电路板。5.毕业设计(论文)的工作量要求撰写15000字论文①实验(时数)*或实习(天数)：300机时②图纸(幅面和张数)*：③其他要求：查阅资料不少于10份指导教师签名：年月日学生签名：年月日系主任审批：年月日说明：1本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2带*项可根据学科特点选填。公交车无线自动报站系统——硬件设计摘要随着科学技术的日益发展和进步,无人售票公交车在街头多起来了，语音报站器也被广泛使用，这在相当大的程度上免除了乘务人员沿途报站的麻烦，给许多不熟悉公交线路的乘客带来了方便。对于报站器的设计国内已有相关的文献评论，但是总的来说以前的设计，功能相对比较单一，无法充分利用单片机系统的资源，最大程度的发挥报站器的全部功效。本文则结合单片机技术、语音技术、测温技术、无线数据传输技术和LCD显示技术，不但发挥了报站器的报站功能，而且同时拥有测温功能和汉字显示功能。实现了公交车进站前自动预报前方到站；全市公交车辆都可以到那站报那站，线路的变化都没有关系；同样可以实现自动预报站，无须司机按键。不但给乘客带来方便，而且能让司机更加专心于驾驶，加强了道路行驶安全性。关键词：语音；测温；无线数据传输；LCD显示ThebuswirelessAutoReportsstationsystem——HardwareDesignAbstract Alongwiththeincreasingdevelopmentandprogressofscienceandtechnology,thebuswithoutticket-sellerbecomesmoreandmorepopulartoday,atthesametimetheaudiostop-reportingdevicefindsawideuse.Thisexemptsthebusstewardsfromthetroubleofreportingstopsalongtherouteandfacilitatesthepassengerswhoarenotfamiliarwiththeroute. Inourcountry,therehavebeenrelevantdocumentsaboutthedesignofstop-reportingdevice.Butfromthewhole,theirdesignshavethedeficiencyofcomparativesinglefunction,andinabilitytomakefulluseoftheresourcesofMonolithicmachinesystemtobringouttheentireefficacyofthedeviceinlargestdegree.ThispaperincorporatingthetechnologyofMonolithicmachine,Pronunciation，temperature-measuring,radiodatatransmissionandLCD,givesanewdesignwhichhavenotonlythestop-reportingfunction,butalsothetemperature-measuringandcharacter-indicationfunctions.Thusitrealizesthebasicarrive,nomattertherouteschangeornot;atthesametime,ithavethefunctionofpre-reportingstopsfunctionofreportingstops:thebusesofthewholecitycanreportstopswherethey:atacertaindistancebeforethestop,itcanautomaticallyandaccuratelyreportthestopswithoutthedriverpushingthebutton.Atthetimeofbringingconveniencetothepassengers,italsomakesthedrivermoreintentontheirworking,thusincreasingthesecurityofthetraffic.Keywords:pronunciation;measurethetemperature;wirelessdatatransmission;LCDisdemonstrate目录1绪论 11.1引言 11.2课题研究的背景及意义 11.3报站器的动态发展趋势及国内外相关研究情况 11.4系统可行性分析 21.5研究步骤和方法 21.6设计的主要任务 32系统的硬件方案设计 42.1系统功能及技术要求 42.2采用的研究方案 43系统接口电路的分析与设计 73.1单片机的介绍 73.2系统电源部分的设计 83.3CPU其他外围电路设计 93.3.1看门狗电路的设计 93.3.2时钟电路 103.4电平转换电路的设计 103.4.1RS232标准 103.4.2电平转换芯片的选择 113.4.3无线数据模块的工作介绍 123.5温度采集电路设计 133.5.1温度采集芯片DS18B20的功能特点 133.5.2DS18B20温度传感器的内部硬件结构 143.5.3DS18B20和单片机的接口 143.6实时时钟接口电路设计 163.6.1实时时钟DS12887的特点和功能 163.6.2DS12887时钟芯片的结构 163.6.3DS12887和单片机的接口电路 183.7语音接口电路设计 193.7.1ISD2560的功能特点 193.7.2ISD2560的内部结构 193.7.3ISD2560和单片机的接口设计 213.8液晶显示电路设计 223.8.1液晶显示功能概述 223.8.2液晶显示的外形尺寸图 233.8.3液晶显示的接口电路 233.9存储电路 244电路原理图的设计和电路板的制作印刷板 264.1电路原理图的设计 264.2电路板的制作和印刷 274.2.1布局 274.2.2布线 284.2.3去耦合电容配置 294.2.4单片机系统调试 295总结 31参考文献 32致谢 33毕业设计（论文）知识产权声明 34毕业设计（论文）独创性声明 35附录1 36附录2 371绪论1绪论1.1引言作为一个城市的公交企业，它既要代表政府体现当地城市的形象，又要尽一切力量减少政府投资，创造良好的社会效益和经济效益。而传统的公交运营系统的装备和管理模式较难达到这两者的完美结合。随着科学技术的发展，公交应用系统带给公交企业的将不仅是形象的提升，也是效益的增长。虽然现在已经有些车上已经采用GPS定位系统自动报站，但其昂贵的成本，难以实现普及。为了实现城市公交车的自动报站，本文设计了一套低廉、高性能的城市公交车无线自动报站系统。1.2课题研究的背景及意义当前国内主要大城市的公交车大都采用人工语音报站，即每到一站由司机或者乘务员按语音键来进行报站，而车站的识别、语音的播放还要靠驾驶员控制，不仅增加了驾驶员的操作,还存在一定的安全隐患。另外由于受到各种因素如雨雪天路滑，车上拥挤，乘务员心情的变化等的影响，会出现报错,漏报的情况，给乘客带来了不必要的麻烦，特别是给不熟悉本市地形的外来乘客带来了不必要的麻烦,从而影响到了一个城市的窗口形象工程建设，因此公共汽车自动报站系统的研发势在必行。公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。传统的由乘务人员人工报站，因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。近年来，随着科学技术的日益发展和进步，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，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得公交车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化的服务。鉴于传统公交车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。公交车自动报站器的设计主要是为了弥补传统语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，为市民提供更人性化，更完善的服务。如果采用了我们研发的公共汽车自动报站系统不会出现由于受到各种因素如雨雪天路滑,车上拥挤,乘务员心情的变化等的影响而出现报错站，漏报的情况。从而给乘客带来了极大的方便；不会因坐车过站而走冤枉路,为我们城市的窗口形象工程建设贡献一份力。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）1.3报站器的动态发展趋势及国内外相关研究情况行驶在现代文明程度高的市区，它是一道流动的风景线，因而对整车外形乃至色彩都有更高的要求。作为公共汽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普及。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：(1)利用GPS全球卫星定位系统的公交车报站系统即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，目前美国部分城市投入使用，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；(2)手动电子报站；(3)人工报站；目前我国部分城市采用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。1.4系统可行性分析要做一个实用性比较高的公交报站系统，前期的调研是必不可少的。通过在各个车站收集公交司机及各个年龄阶段的乘客对报站系统的看法和他们心中理想的报站方式，得出以下两个结论：(1)准确报站：由于司机在操作报站系统时经常会按错键或忘记按键，而且在调整系统时会连续报出几个站点，让不熟悉路线的乘客不知所措。(2)普通话报站：许多外来人员对此深有感触，听不懂的报站语言让乘客不知是否已到达目的地，经常下错车带来很多不必要的麻烦，因而普通话报站对于外来人员来往频繁的大城市是非常有必要的。然而各个公交车站并没有对现有报站系统进行改进，根据调查走访，主要原因在于现今仍然没有一个性能比较好且制作改装成本低、可以普及的报站系统，因而一直没有对报站系统进行改良。针对该现象，本文所设计的城市公交车无线自动报站系统，其创新之处在：(1)采用编码技术对每一个车站点进行编码，当车行驶到车站点信号范围内时，系统将自动识别该站并发送指令启动语音报站系统进行语音报站及站名显示。(2)采用短距离无线数据通讯技术，自动报站，高效准确。(3)该系统能利用现有系统进行改装，而且改装容易，制作成本低，运行几乎不需要成本。1.5研究步骤和方法第一：理论准备阶段，理解题目，研究题目所涉及到的内容，能够较好的掌握有关题目的知识。第二：确定系统各个硬件部分电路，理清各个硬件部分电路与单片机之间的连接关系，并开始进行相关硬件电路的资料收集。第三：规划课题，确定组成结构，提出大体系统框架并在结构框架的基础上提出原理框图。第四：完成硬件设计部分并画出各部分电路图，将系统部件通过接口电路集合在一起，并画出电路图。第五：根据系统控制过程完成软件设计部分，绘制出主流程图。第六：检查是否可以实现要求的控制目的，能够按照要求实现控制功能。第七：整理论文。1.6设计的主要任务本文对系统的理论分析、硬件电路的设计制板和功能方法都有了详细的介绍。系统设计的重点：（1）接口电路的设计（2）RS232与TTL的电平转换电路（3）其他外围电路的设计2系统的硬件方案设计2系统的硬件方案设计2.1系统功能及技术要求公交车无线自动报站系统是针对公共汽车公司需求而设计开发的，与其他国内同类产品区别在于：采用全自动的方式进行自动报站，完全不需要驾驶员在进站前操作键盘，分散注意力，真正实现自动报站功能。同时可以与LCD液晶显示实时时钟、车内温度和到站的文本信息，并配有真人语音报站功能，为公交车装备现代化，提高服务档次起到本产品应尽的责任。技术要求：1)无需按键实现自动语音报站，到站前每个10秒连续播报并配有文字提示。2)车辆内部温度实时采集，温度采集精度：±1℃3)LCD字符显示4)实时时钟5)语音报站6)使用电源：直流：12V7)使用环境：温度：－40℃～＋50℃2.2采用的研究方案根据公交车无线自动报站系统的功能要求及技术要求，为实现全自动报站，将本系统分成两个子系统：站台系统和车载系统。两个子系统的信息交换通过无线数据模块来完成，进而完成自动报站。整个系统的结构图如图2.1所示。站台系统上电自检后，自动处于休眠状态。当车辆驶进入到无线数据模块收发的距离范围（具体可参考下一章）之内，站台系统接收到车载系统发来的正确命令数据后（具体数据协议参考下一章），将本站的站台信息回发到车载系统，车载系统接收到站台系统回发的数据后，根据数据协议，解析数据查表得到本站信息，然后通过语音芯片进行语音输出，并利用LCD进行文本滚动提示乘客。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）站台系统图2.1系统的结构图根据上述的整个系统的功能和结构图，以及市场的调研和相关资料的查询，确定整个系统硬件框图如图2.2所示。图2.2系统硬件框图如图2.2所示,整个系统有两个子系统组成,车载系统和站台系统。站台系统功能比较简单，主要完成TTL电平与RS232电平的转换及串口数据的接收和发送。为此，该子系统硬件设计较简单。公交车无线自动报站系统主要的功能主要集中在车载系统，为此，车载系统以单片机89C52为核心，利用DALLAS公司的DS18B20温度传感器和DS12887时钟芯片，完成车内温度的实时检测和时间数据的读取，最终将温度和时间数据送至LCD实时显示。另外通过无线数据模块和电平转换电路完成车载系统与站台系统的数据通信，从而实现全自动语音报站。本次毕业设计的主要任务是完成公交车无线自动报站系统的硬件电路的设计，而车载系统的设计则是本设计最核心的部分。3系统接口电路的分析与设计3系统接口电路的分析与设计系统接口电路的设计系统的最重要的部分，在确定系统功能要求及系统硬件方案后，选定芯片，查阅芯片的使用手册及其引脚的定义的后，根据CPU总线与I/O设备之间信号要求及时序进行相应的接口设计，通常设计接口时应对完成的功能所需要的硬件和软件作统筹考虑，确定那些功能由硬件完成，哪些功能由软件实现，两者之间做出合理的接口电路设计思路。在此基础上，合理的选用I/O接口芯片，进行硬件接口电路设计及如何与CPU的连接是至关重要的。微处理器是公交车无线自动报站系统的核心部件，它的结构、特性对所研制的系统的性能有很大影响。因此，对微处理器的选择尤为重要。我们通过选取和对比各种型号的微处理器芯片的功能特性和价格，发现AT98C5X以其低廉的价格、强大的功能，完全符合经济的原则并且完全满足本系统的功能要求。所以，在两个子系统中我们分别选用AT89C51和AT89C52作为CPU芯片。3.1单片机的介绍单片机小系统选择的是ATMEL公司的低功耗，高性能的CMOS8位单片机AT89C52芯片，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重复擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz-24Hz三级加密程序存储器256乘8字节内部RAM32个可编程I/O口线3个16位定时/计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）AT89C52的引脚排列如图所示图3.1AT89C52的引脚排列3.2系统电源部分的设计在本系统中所涉及的两个子系统均需要用到电源，电源是系统的能量来源，另外电源电压的要求及其稳定性和可靠性将是系统首要考虑的问题。两个子系统的CPU及外围芯片的供电均需要稳定的5V电源，因此两个子系统的电源电路的设计类似，因此在本设计中以车载系统的电路设计为例，必须给CPU提供一个比较稳定的＋5V电源电压。在此本次设计中采用了三端集成稳压LM7805CV来稳压。集成稳压器LM7805CV是将非稳定的直流电压变换成稳定的直流电压的IC芯片。LM7805CV集成稳压器有输入端、输出端及公共端三个引脚。芯片内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路，其所需外接元件少，使用方便、可靠。广泛地用于各种电子设备中。LM7805CV最大的输入电压为35V，最小输入电压为7.5V，其输出电压为+5V。具体电路图3.2如下：图3.2电源电路LM7805CV输入端1脚接VS，VS是＋12V直流电压，符合LM7805CV的电压范围，管脚2接地，这样管脚3就可输出＋5V的稳定电压。为了滤除输入和输出电压上的纹波，分别在LM7805CV的输入和输出管脚分别接以电解电容和陶瓷电容，使其得到较稳定的电源电压。3.3CPU其他外围电路设计3.3.1看门狗电路的设计看门狗就是在程序飞跑或死机时,对系统进行复位重新置位,以使系统恢复正常运行的一种专用电路。现在常用的看门狗主要有两种：软件狗和硬件狗。软件狗实际上就是通常说的软件指令,一旦程序跑飞,只要程序指针指向这些地址,便立即被强行跳转至程序的开头或其他指定地址处,从而使程序继续正常执行。硬件狗现在更多的被采用。所谓硬件狗，就是一个能够发送“复位”信号的计数器或定时器电路。以前常用的硬件狗由脉冲计数器和一些外围电路组成，计数清零和溢出端分别和单片机的I/O与RST相连接。其工作原理是：由脉冲发生电路产生脉冲，计数器对脉冲进行计数。程序正常运行时，CPU在计数器溢出之前通过I/O口对计数器清零，使计数器不能溢出，此时由于溢出端与CPU的RST端相连接，所以使单片机系统“复位”，使其能重新正常运行。单片机系统的供电电源有时候因为各种不同原因而不稳定，发生电压波动或瞬时掉电的现象，从而影响系统的正常工作和数据保存。如果能对电源电压进行监视，当电源电压下降到某一特定值时，发生一个信号给单片机和电源切换电路，那么就使CPU及时进行必要的操作和维持工作电源的稳定。MAX813能够完全满足要求。所以本系统采用MAX813作为电源监视和看门狗芯片。电路图如图3.3所示。将第7脚接CPU的复位脚，第1脚与第8脚相连，第6脚与CPU的P1.6相连。在软件设计中，P1.6不断输出脉冲信号。如系统死机导致P1.6无脉冲信号输出，则1.6秒后在MAX813的第8脚输出低电平。该低电平加到第1脚，使MAX813产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，使CPU有效复位，摆脱死循环的困境。看门狗复位电路如图3.3所示：如果在1.6秒内没有触发该电路(即第6脚无脉冲输入)则第8脚输出一个低电平，是单片机复位图3.3看门狗电路电路连接图如图所示。在这个系统中，P16作为看门狗的“喂狗”信号；REST和单片机的复位信号连接。3.3.2时钟电路在单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为单片机的XTAL1，其出端为单片机的XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和两个33PF微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。在此我们采用11.0592MHZ即可满足两个子系统的要求。图3.4晶振电路3.4电平转换电路的设计车载系统与站台系统均采用无线数据模块传输数据，其接口是RS232串口，电平是RS232电平，而单片机的串口是TTL电平，为此在车载系统和站台系统均需要设计RS232电平转换电路。3.4.1RS232标准RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准还有有EIA；RS-232-C、EIA;RS-422-A、EIA；RS-423、EIA；RS-485。我们这里用的是EIA；RS-232-C（简称232，RS232）。EIRS-232C与TTL转换：EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换。这里我们选用DB-9连接器，在AT机及以后，不支持20mA电流环接口，使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。电缆长度：在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。传输电缆长度由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，在9600的时候可以达到250英尺，即75米。3.4.2电平转换芯片的选择在两个系统中均采用MAX232APE，它是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。MAX232的工作温度范围为0℃至70℃。MAX232APE的特点单5V电源工作LinBiCMOS工艺技术两个驱动器及两个接收器V的输入电平低电源电流:典型值是8mA符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28可与Maxim公司的MAX232互换ESD保护大于MIL-STD-883(方法3015)标准的2000V引脚排列图3.5MAX232芯片引脚图3.4.3无线数据模块的工作介绍本设计采用采用LAC－UP型微功率无线数据传输模块，其特点如下：微功率发射：最大发射功率为10MW工作频率在1SM频段，无需申请频点。载频频率430MHZ－434MHZ，也可提供315/868/915MHZ载频。高抗干扰能力和低误码率：基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5～10-6。传输距离远：在视距情况下，天线高度＞3M，可靠传输距离＞300M（BER=10-3/1200Bit/s）透明的数据传输：提供透明的数据接口，能使用任何标准或非标准的用户协议。自动过滤空中产生的噪音信号及假数据。多信道，多速率：LAC－UP型模块标准配置提供8个信道，根据用户需要，可扩展到16/32信道。满足用户多种通信组合方式。同时，LAC－UP型可提供1200Bit/s,2400Bit/s,4800Bit/s,9600Bit/s等多种通信波特率，并且接口波特率与无线传输波特率一样，以满足客户设备对不同波特率的需要。双串口，3种接口方式：LAC－UP型模块提供2个串口，COM1为TTL电平UART接口。COM2由用户自定义为标准的RS232/RS485口。大的数据缓冲区：可1次传输无限长度的数据，用户编程更灵活。智能数据控制，用户无需编制多余的程序。低功耗及休眠功能：接收情况下，电流＜30MA，休眠时电流仅为＜10UA。高可靠性，体积小，重量轻：采用CC1000单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，可靠性高，故障率低。查阅MAX232相关资料及无线模块接口定义后，设计电平转换电路图如图3.6所示。图3.6电平转换电路3.5温度采集电路设计由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求3.5.1温度采集芯片DS18B20的功能特点本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。DS18B20单线数字温度计独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯简单的多点分布应用无需外部器件可通过数据供电零待机功耗测温范围-55~+125以0.5递增。华氏器件-67+257，以0.9递增。温度以9位数字量读出温度数字量转换时间200ms（典型值）用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件应用包括温度控制，工业系统，消费品，温度计或任何热感测系统DS18B20通过一个单总线口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制，探测建筑物，仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。3.5.2DS18B20温度传感器的内部硬件结构图3.7DS18B20内部结构示意图3.5.3DS18B20和单片机的接口DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，本设计采用第二种供电方式，如图3.8所示单片机P3.4口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个4.7k电阻来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。图3.8原理连接图DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用的是单总线的通信协议，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证复位时序和读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。(2)在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题。(3)连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。(4)在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。3.6实时时钟接口电路设计为了方便乘客出行掌握准确的时间，车载系统带有实时时钟显示功能，实时显示日期和时间。而实时时钟芯片有很多种，比如飞利浦公司的PCF8563等等。在此我们选择美国DALLAS公司的自带锂电的DS12887时钟芯片。3.6.1实时时钟DS12887的特点和功能DS12887时钟芯片的主要特点：可作为IBMAT计算机的时钟和日历与MC146818B和DS1287的管脚兼容在没有外部电源的情况下可工作10年以上,不丢失数据自带晶体振荡器及锂电池可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日、月、年7种日历信息，并有闰年补偿功能用二进制码或BCD码代表日历和闹钟信息有12和24小时两种制式，12小时制式带有PM和AM提示可选用夏令时模式可以应用于MOTOROLA和INTER两种总线数据/地址总线复用内建128字节RAM单元与软件接口，其中14字节为时钟单元和控制H状态寄存器，114字节为通用RAM，可由用户使用，所有RAM单元数据都具有掉电保护功能（非易失性RAM）；可编程方波输出；中断信号输出IRQ和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行置位测试。总线兼容中断（/IRQ）三种可编程中断-时间性中断可产生每秒一次直到每天一次中断-周期性中断122ms到500ms-时钟更新结束中断3.6.2DS12887时钟芯片的结构DS12887时钟芯片内部由振荡电路、分频电路、周期中断/方波选择电路、14字节时钟和控制单元、114字节用户非易失RAM、十进制/二进制计数器、总线接口电路、电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成，DS12887芯片的内部结构框图如图所示。图3.9DS12887内部结构框图DS12887时钟芯片的引脚排列如图所示。图3.10DS12887的引脚排列DS12887时钟芯片的引脚功能AD0-AD7为地址/数据复用总线；NC为空脚；MOT为总线模式选择（Motorola/Intel），当此接到Vcc时，选用的是MOTOROLA总线时序，当它地或不接时，选用的是INTER总线时序；CS（片选输入）-CS当Vcc低于4.25V时，DS12887从内部禁止对外部CS的操作。此时，时钟和RAM都被保护起来。AS(地址锁存)-ALER/W（Read/WriteInput）-WRDS(DataStrobeorReadInput)-RD当系统总线选择的是INTEL总线模式时，DS被称作RD。当它有效时表示DS12887正在往总线输出数据。RD信号线在存储器芯片上被称作OE信号线。RESET为复位端，复位端对时钟、日历、RAM无效，系统上电时复位端要保持低电平200ms以上DS12887才可以正常工作；当复位脚为低并且Vcc高于4.25V时，以下情况发生：周期中断允许（PIE）位清0闹钟中断允许（AIE）位清0更新完成中断标志（UF）位清0中断请求状态标志（IRQF）位清0周期中断标志(PF)位清0当RESET为低时DS12887不可操作闹钟中断标志（AF）位清0IRQ呈高阻状态方波输出允许（SQWE）位清0更新完成中断允许(UIE)位清0IRQ（中断请求输出）-当中断状态位和对应的中断允许位有效时，IRQ的输出保持为低。复位和读C寄存器都可以清除IRQ中断信号。没有中断时，IRQ呈高阻状态，其它中断源还可以挂接到中断总线上。由于IRQ是漏极输出，所以需要外接上拉电阻。SQW为方波输出端，当Vcc低于4.25v时没有作用；Vcc为+5v电源；GND为接地端。3.6.3DS12887和单片机的接口电路图3.11DS12887芯片与AT89C51单片机的接口电路本设计中模式选择脚MOT拉地，选择INTEL时序，选择DS12887时钟芯片的地址总线及AS端口和89C52单片微机的P27及ALE端直接相联；而DS、R/W读写控制线与单片机的RD、WR控制线相连；DS12887的中断输出端IRQ和89C52的外部INT0端相联，给单片机提供中断信号。3.7语音接口电路设计目前我国部分城市采用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。手动电子报站一般由司机或者乘务员控制，经常出现错报，误报的情况，而由于各地方言的不同，给异地乘客带来不少麻烦。基于上述情况的不足，根据实际录放时间需求，采用美国ISD公司的ISD2560芯片。3.7.1ISD2560的功能特点ISD语音芯片是美国信息存储器件公司推出的高品质语音录放芯片，采用ISD公司独有的直接模拟存储技术（DAST），该技术的采用使得音频信息无需经过传统形式的(A/D、D/A)转换即可实现存取，有比同等数字存取更高的集成度和更高的音质水平。ISD语音芯片具有抗断电功能，信息存放不易挥发，支持多次录/放操作，寿命高达10次，可单独应用、多片级联，也可与微处理器配合使用，具有很好的使用灵活性。ISD可广泛应用于工业控制、智能仪表、警报、信息提示等场合，使信息交互人性化。3.7.2ISD2560的内部结构图3.12ISD2560内部原理框图图3.13ISD2560管脚分布图表3.1DIP封装图及各引线端功能引线端名称功能1-7A0/M0~A6/M6地址8-10A7~A9地址11AUXIN辅助输入12,13VSSD、VSSA数字和模拟地14,15SP+、SP-扬声器输出16,28VCCA、VCCD模拟、数字型号电源正极17,18MIC、MICREF麦克风输入和输入参考端19AGC自动增益控制20,21ANAIN、OUT模拟信号输入和输出22OVF\溢出23CE\片选（低电平允许芯片工作)24PD芯片低功耗状态控制25EOM\录放音结束信号输出26XCLK外部时钟27P/R\录\放控制选择芯片操作模式：由于ISD2560内置了若干种操作模式，因而可用最少的外围器件实现最多的功能。操作模式也由地址端控制；当最高两位都为1时，其它地址端置高可选择某个(或某几个)特定模式。因此操作模式和直接寻址相互排斥。具体操作模式见图3.14所列。操作模式可由微控制器也可由硬件实现。使用操作模式要注意两点:(1)所有操作最初都是从0地址（即存储空间的起始端开始后续的操作根据选用的模式可从其它地址开始。但是，电路由录转放或由放转录(M6模式除外)，或都执行了掉电周期后，地址计数器将复位为0。(2)当CE变低且最高两地址位同为高时，执行操作模式。这种操作模式将一直有效，直到CE再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址/模式端电平并执行相应的操作为止。当最高位地址(MSB)A8、A9都为高电平时，地址端就作为工作模式选择端（高电平有效）表3.2工作模式模式控制功能典型应用A0/M0信息检索快速检索信息A1/M1删除EOM标志在全部语音录放结束时，给出EOM标志A2/M2未用当工作模式操作时，此端应接低电平A3/M3循环放音从0地址开始连续重复放音A4/M4连续寻址可录放连续的多段信息A5/M5CE电平触发允许信号中止A6/M6按钮控制简化器件接口3.7.3ISD2560和单片机的接口设计图3.14单片机89C51和ISD2560的接口电路1脚～10脚（A0-A9）为地址输入/模式控制,与单片机的地址端口连接,共有1024种组合状态,通过对A8,A9的设置单片机可以控制语音芯片的工作方式；11脚（AUXIN）为辅助输入；12脚、13脚（VSSA，VSSD）分别为模拟和数字地；14脚、15脚（SP+，SP-）分别为喇叭输出的正负端；16脚、28脚（VCCA，VCCD）分别为模拟和数字部分的供电电源；17脚（MIC）为话筒输入端；18脚（MICREF）为话筒输入参考端；19脚（AGC）为自动增益控制端；20脚、21脚（ANAin、ANAout）分别为模拟输入输出；22脚（OVF）为溢出标志端；23脚（CE）为片选端；24脚（PD）为节电控制端；25脚（EOM）为信息结尾标志；26脚（XCLK）为外部时钟输入；27脚（P/R）为放音、录音控制。图3.15ISD2560放音时序本设计系统中，语音单元语音部分是事先分段录制好的，应用的时候直接调用需要的语音段即可。这里简单介绍一下其放音的实现。由图3.15放音时序可以看出，P/R一直接在高电平，处于放音状态。CE接到WR，当给CE一个低电平脉冲时，只要PD没有被触发复位，系统就开始读取A0～A9被选中的地址段，并从此段开始放音。例如：当前地址输入为0F800，系统即从0地址开始放音，直到遇到EOM标志变低，放音结束。3.8液晶显示电路设计车辆内部通过LCD字符显示车厢内部实时温度，时间和日期，更方便乘客出行。在此选择内置8192个16乘16点汉字库和128个16乘8点ASCII型字符集图形点阵液晶显示器RT12232F。3.8.1液晶显示功能概述12232F是一种内置8192个16乘16点汉字库和128个16乘8点ASCII型字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128乘32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7.5乘2个（16乘16点阵）汉字。与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。在本系统中，设置两种方式访问的接口电路。根据用户的要求选择访问方式。主要的技术参数和性能：电源：VDD：+3.0~+505v。（电源低于4.0伏LED背光需另外供电）显示内容：122（列）乘32（行）点。全屏幕点阵2MROM(CGROM)总共提供8192个汉字（16乘16点阵）16KROM(HCGROM)总共提供128个字符（16乘8点阵）2MHZ频率工作温度：0~+60存储温度：-10~+703.8.2液晶显示的外形尺寸图图3.16外形尺寸图3.8.3液晶显示的接口电路图3.17液晶显示接口电路表3.3外部接口信号管脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0_对比度调整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(CLK)H/L使能信号7DB0H/L数据线8DB1H/L数据线9DB2H/L数据线10DB3H/L数据线11DB4H/L数据线12DB5H/L数据线13DB6H/L数据线14DB7H/L数据线15BL+VDD背光源电压+4.2V—+5V16BL_VSS背光源公共端3.9存储电路存储电路采用ATMEL公司生产的AT24LC256，具有16KB的存储空间，具有两线串行接口，双向数据传输握手，硬件数据写保护，8字节页写方式和独立定势的写周期（最大10ms）等特点，可在1.8～5.5V宽电源范围内可靠工作，可保证1000000次擦写/写周期和10年内数据不会丢失。由于这种器件在上电后可在线编程数据，失电时能长期保存结果，所以可广泛用于智能仪器，微处理器系统，掉电保护电路，信息存储卡和需要低功耗的存储设备领域。其管脚接法是1、2、3、4、7接地，5、6分别接单片机的端口，8接5V电源。图3.18存储电路引脚说明：（1）串行时钟（SCL）SCL用于把所有数据同步输入带EEPROM器件，或把数据从EEPROM器件串行同步读出。在写方式中，当SCL是高电平时数据必须保护稳定，并在SCL的下降沿把数据同时输出。（2）串行数据（SDA）SDA是一个双向端口，用于把数据输入到器件，或从器件输出数据，仅在SCL为低时数据才能改变。此端子时漏极开路输出，可以和任意多个漏极开路或集极开路端子以“线或”方式连接在一起。（3）写保护（WP）AT24LC256有一个写保护端子，该端子提供硬件数据保护。当WP接地（GND）时，允许正常的读写；当WP接Vcc时，存储器被保护，禁止对存储器的任何操作。不管WP脚的状态如何，器件总可以被读出。当WP不连接时，此端则被拉为低电平。4电路原理图的设计和电路板的制作印刷板）4电路原理图的设计和电路板的制作印刷板4.1电路原理图的设计随着计算机技术的发展,计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛，Orcad，Protel等都是人们熟悉的常用EDA软件。Protel99SE是Protel公司推出的最新版本,应用于电路原理图设计、电路板设计等。Protel99SE引入了数据库的管理模式,使用户可以更直观地对项目中的文件进行管理和操作,同时还可以轻松地转移整套设计文档,由于其强大的功能和方便的操作,Protel很快就发展成为众多EDA用户的首选电路CAD软件,它基于Windows环境,功能强大,人机界面友好,能让人们在具有最完整的功能环境下,提升设计上的品质和效率。Protel99SE在电路原理图设计中的应用：电路原理图的设计是整个电路设计的基础,因此电路原理图要设计好,以免影响后面的设计工作。电路原理图的设计一般有如下步骤:设置原理图设计环境;放置元件;原理图布线;编辑和调整;检查原理图;生成网络表。根据以上所述的电路原理图设计步骤,本设计电路原理图设计过程如下:启动原理图设计服务器。进入Protel99SE,创建一个数据库,执行菜单File/New命令,从框中选择原理图服务器(SchematicDocument)图标,双击该图标,建立原理图设计文档。双击文档图标,进入原理图设计服务器界面。设置原理图设计环境。执行菜单Design/Op2tions和Tool/Preferences,设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。装入所需的元件库。在设计管理器中选择BrowseSCH页面,在Browse区域中的下拉框中选择Library,然后单击ADD/Remove按钮,在弹出的窗口中寻找Protel99SE子目录,在该目录中选择Library/SCH路径,在元件库列表中选择所需的元件库,比如Miscellaneousdevices.ddb,TIDatabook库等,单击ADD按钮,即可把元件库增加到元件库管理器中。放置元件。根据实际电路的需要,到元件库中找出所需的元件,然后用元件管理器的Place按钮将元件放置在工作平面上,再根据元件之间的走线把元件调整好。原理图布线。利用Protel99SE提供的各种工具、指令进行布线,将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来,构成一个完整的电路原理图。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）编辑和调整。利用Protel99SE所提供的各种强大的功能对原理图进一步调整和修改,以保证原理图的美观和正确。同时对元件的编号、封装进行定义和设定等。检查原理图。使用Protel99SE的电气规则,即执行菜单命令Tool/REC对画好的电路原理图进行电气规则检查。若有错误,根据错误情况进行改正。生成网络表。网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁,执行菜单命令Design/Cre2ateNetlist可以生成具有元件名、元件封装、参数及元件之间连接关系的网络表。经过以上的步骤,完成了本设计电路原理图的设计。本设计原理图参照附件A所示。4.2电路板的制作和印刷印制电路板是整个公交车无线自动报站系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力的影响很大，故印刷电路板设计决不单是器件、线路达到简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。4.2.1布局布局的好坏直接关系到以后布线的成功与否，所以说布局很关键，有了好的布局基础以后的布线可以说就是水到渠成了。本文的电路设计不是很复杂，我采用完全手工布局。手工布局的优点是显而易见的：我们可以完全按照电路工作的实际要求，也有利于后面的布线操作。同时，对于一个有着特殊要求的电路来讲，手工布局将极大的体现出设计者的奇妙构思和灵感，可以说，一个好的布局就是一个艺术品。元件布局我们首先考虑PCB尺寸的大小。PCB尺寸过大，印制线条长，阻抗增加，抗干扰能力下降，成本也增加：PCB尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。在确定特殊元件的位置时我们遵守以下原则：尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少他们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨的太近，输入和输出元件尽量远离。一些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大他们之间的距离，以免放电引起意外的短路。在布局中我们注意以下几个方面：电源和地线的布线尽量粗，模拟地与数字地要分开；电源旁路电容要放在各电路的近处；每个信号处理部分的接地和电源，要在电源输入部分的同一点连接；各输入布线之间和输出布线之间不要扭在一起；两条并排走的信号线，要在其间加一条地线作为隔离；根据电路功能单元，对电路的全部器件进行布局时，我们遵循以下原则：按电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短个元器件之间的引线和连接。布局的过程中，应尽量将相关联的元件就近防止，一减短走线的长度；时钟电路、晶振、电容应紧贴相接的芯片，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。位于电路板边缘的元器件，与电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。4.2.2布线布线的工作在整个制板过程中是最为重要和繁琐的，他关系到整个设计的成败与否。本设计首先对电源和地进行手工布线，调整好它们的位置，紧接着对电路板其他部分进行布线。本设计我采用的是完全手工布线，这样更能保证布线的质量和以后调试的成功。在整个布线过程中，我遵循以下原则：（1）输入、输出端用的导线应尽量避免相邻并行。最好线间加地线，以免发生反馈偶合。（2）印刷电路板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过它们的电路值决定。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02mm～0.3mm的导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线。尤其上电源线和地线。电源线和地线应接成树状，尽量加粗，使它能通过三倍于印刷板上允许电流。如有可能，接地线应在2mm～3mm以上。导线的最小间距主要由最坏情况下的地线绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，其间距最小可为至0.5mm。（3）印刷导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板黏合剂受热产生的挥发性气体。（4）数字地与模拟地分开。若线板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接地。高频电路易采用多点串联接地，地线应短而粗。4.2.3去耦合电容配置PCB设计的常规做法之一是在印制电路板的各个关键部位配置适当的退耦合电容。退耦合电容的一般配置原则是：（1）电源输入端跨接1uf～10uf电解电容。如果有可能，接100uf以上更好。（2）原则上每个集成电路芯片都布置一个0.01pf的瓷片电容，如果印制板空隙不够，可每4～8个芯片布置一个1uf～10uf的瓷片电容。（3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如：RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦合电容。（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。本系统的PCB图，见附录B。4.2.4单片机系统调试（1硬件调试

根据设计的原理电路做好实验样机，便进入硬件调试阶段。调试工作的主要任务是排除样机故障，其中包括设计错误和工艺性故障。（2）脱机检查用万能表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查机中各器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。有时为保护芯片，先对各管座的电位（或电源）进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。（3）仿真调试暂时排除目标板的CPU和EPROM，将样机接上仿真机的40芯仿真插头进行调试，调试各部分接口电路是否满足设计要求。这部分工作是一种经验性很强的工作，一般来说，设计制作的样机不可能一次性完好，总是需要调试的。通常的方法是，先编调试软件，逐一检查调试硬件电路系统设计的准确性。其次是调试MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以进行下面的应用软件调试。硬件电路调试的一般顺序是：检查CPU的时钟电路。通过测试ALE信号，如没有ALE信号，则判断是晶体或CPU故障，这称之为“心脏”检查。检查ABUS/DBUS的分时复用功能的地址锁存是否正常。检查I/O地址分配器。一般是由部分译码或全译码电路构成，如是部分译码设计，则排除地址重叠故障。对扩展的RAM、ROM进行检查调试。一般先后写入55H、AAH，再读出比较，以此判断是否正常。因