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基于单片机的GPS公交车报站系统.doc

发布时间：2022-06-18 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.81M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    毕业设计说明书
    电子与信息工程系
    第一章 绪论
    第二章 系统方案论证
    2.1 系统设计要求
    2.2方案论证
    2.2.1 GPS公交车报站器各部分功能
    第三章 系统硬件设计
    3.1 SPCE061A单片机控制设计
    3.1.1凌阳单片机SPEC06A简介及性能
    3.1.2 SPCE061A单片机最小系统设计
    3.1.3单片机电源设计
    3.2 LCD显示模块设计
    3.2.1 LCD128 X64简介及功能
    3.2.2控制器接口信号说明：
    3.2.3液晶模块串行时序图
    3.2.4 LCD模块与MCU的串口连接图
    3.3 音频输出模块
    3.4 SPR4096外接存储器模块
    3.5 GPS接收模块
    3.6.1 GPS定位的基本原理
    3.5.2 GPS系统组成
    3.5.3 GPS 输入输出语句说明
    3.5.4 GPS型号选择
    3.5.5 GPS接口电路模块
    3.6按键模块
    第四章 数据压缩与语音处理
    4.1 数据存储与压缩
    4.1.1 语音压缩与处理
    4.1.2 站点信息、广告显示与压缩
    4.1.3 GPS信息压缩与处理
    第五章 系统软件设计与研究
    5.1 系统主程序设计
    5.2 初始化程序设计
    5.3 时间程序设计
    5.4 语音播报程序设计
    5.5 GPS 自动报站程序设计
    5.6 主程序清单
    第六章 总结与体会
    6.1总结
    6.2 体会
    致谢
    参考文献
    附录
    学 号 09700113 毕业设计说明书 基于单片机的GPS公交车自动报站系统 学 生 姓 名 李志强 专 业 名 称 电子信息工程 指 导 教 师 电子与信息工程系 2013 年 6 月 8 日
    摘 要 公共汽车成为城市人们出行的必备选择后所面临的问题是乘客们如何能够在正确 的车站下车，如何知道这辆车开向哪里，途中还会经过哪些车站。在一些需要提示乘客 注意的情况，比如车在转弯需要注意，或者需要让座等等，这时该怎么办？解决的办法 就是利用公交车报站器播放语音，提示乘客。 其实语音报站不是什么新鲜的词语了， 公交车报站器也不是前所未有，本论文讨论一个具有人性化友好操作界面，成本低报站 准确公交车报站器方案。 本文介绍一种基于 GPS 模块和凌阳嵌入式语音单片机 SPCE061A 设计的自动语音报 站系统。利用凌阳 SPCE061A 串行口通信接收 GPS 模块输出的经纬度信息，通过对比存 储经、纬度数据和相应的站点名字。确认公交车是否进入设定站台范围内，以达到自动 报站的目的；再设计的过程中给出硬件电路的设计方案、主要软件流程图、数据处理及 其程序设计的方法。本设计解决了以住公交车报站系统人工操作不便、误报站多、故障 时不报站等问题。 关键字：凌阳单片机 SPECE061A，全球定位系统，自动语音报站 I
    目 录 第一章 绪论 ..............................................................1 第二章 系统方案论证 .......................................................3 2.1 系统设计要求 ...................................................... 3 2.2 方案论证 ...........................................................3 2.2.1 GPS 公交车报站器各部分功能 ................................... 4 第三章 系统硬件设计 .......................................................5 3.1 SPCE061A 单片机控制设计 ............................................5 3.1.1 凌阳单片机 SPEC06A 简介及性能 ................................. 5 3.1.2 SPCE061A 单片机最小系统设计 ................................. 7 3.1.3 单片机电源设计 ............................................... 7 3.2 LCD 显示模块设计 ...................................................8 3.2.1 LCD128 X64 简介及功能 ........................................ 8 3.2.2 控制器接口信号说明： ......................................... 9 3.2.3 液晶模块串行时序图 .......................................... 11 3.2.4 LCD 模块与 MCU 的串口连接图 .................................. 11 3.3 音频输出模块 ..................................................... 12 3.4 SPR4096 外接存储器模块 ............................................12 3.5 GPS 接收模块 ......................................................13 3.6.1 GPS 定位的基本原理 .......................................... 14 3.5.2 GPS 系统组成 ................................................ 15 3.5.3 GPS 输入输出语句说明 ........................................16 3.5.4 GPS 型号选择 ................................................ 20 3.5.5 GPS 接口电路模块 ............................................ 22 3.6 按键模块 ..........................................................22 第四章 数据压缩与语音处理 ................................................24 4.1 数据存储与压缩 ................................................... 24 4.1.1 语音压缩与处理 ..............................................24 4.1.2 站点信息、广告显示与压缩 ....................................25 4.1.3 GPS 信息压缩与处理 .......................................... 26 第五章 系统软件设计与研究 ................................................27 5.1 系统主程序设计 ................................................... 27 5.2 初始化程序设计 ................................................... 29 5.3 时间程序设计 ..................................................... 30 5.4 语音播报程序设计 ................................................. 31 5.5 GPS 自动报站程序设计 ............................................. 32 5.6 主程序清单 ....................................................... 34 第六章 总结与体会 ........................................................38 6.1 总结 ..............................................................38 6.2 体会 ............................................................. 38 致谢 .....................................................................39 参考文献 .................................................................40 附录 .....................................................................41 II
    第一章 绪论 第一章 绪论 随着国民经济的飞速发展，公交系统也日新月异。报站也由原来的由随车售票员报 站改为司机按键报站了。但是由于公交司机又要开车又要兼顾按键报站，所以常常出现 误报、漏报等现象，不能够满足公交系统的要求；另一方面，由于司机开车时为报站分 散精力，也对公交的安全运行埋下了隐患。因此，对自动报站系统的需求也日益强烈。 应用自动报站系统即可以节省员工开支，增强公司效益。又可以利用报站器播报标准的 普通话站名，使各城市更利于交流和发展。 近年来，GPS(Global Positioning System)全球定位系统在各种行业广泛运用，特别是 车辆监控与定位系统的应用中蓬勃发展。随着经济与科技的持续发展，公交运输系统的 要求越来越高。目前我国各大城市公交公司都在进行减员，整体上实行是在每辆公交车 上只配备了一个司机，实行无人工报站与售票。为了公交系统的管理现代化与安全考虑， 需要对原有系统更新使其更智能化，公交自动语音报站系统符合这一要求。 目前现有公共汽车自动报站器，到站时 LCD 点阵文字提示仅显示本站和下站，由此， 很多乘客并不清楚该车当前行驶的方向以及某站点在整条线路中的具体位置，特别是报 站系统故障时。往往不能提前做好下车准备，甚至很多要走回头路；针对这一问题。本 文设计一种利用 GPS 系统与凌阳单片机、LCD 显示行车方向、车处位置，并能够实现自 动报站与手动报站之间的切换。能够显示多条站点信息、并能够进行相关站点信息提醒， 保证乘客尽可能小的下错或者上错站。 目前在国外，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产 业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率 等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足 众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个 IT经济新增长 点。 虽然具有GPS定位功能的公交车市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有几项障碍亟 待克服：首先，不论公交车采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案，将 无可避免地提高公交车成本，也影响消费者购买的意愿；最后，目前具有提供整合GPS 芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数，且公交车制造大厂是否愿意采用现有的解决方 案，或是另外自行开发仍是未定之数。 通过近20年的发展，GPS产品已逐渐转变为消费电子产品，且所能应用的范围已扩 展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。不过，以现阶段来看，由于 GPS接收机的 单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟，因此，在乐观地看待此市场发展 1
    第一章 绪论 时，诸如GPS IC设计的技术是否能达到公交车或PDA所需的最小体积、成本是否能降低 以及内建GPS的新公交车系统是否能引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地深入评估。 国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。 (1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。 在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和 车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统 后，它就成了发展的方向。 GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集 GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用 户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在 移动车辆上的子站等3部分构成。系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收 到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需 要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往 控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆 的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可 以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。 (2)面向个人消费者的GPS终端产品。 芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产 品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导 航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。 有集成了 GPS 芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS 手持机、GPS 手 表，甚至 GPS 相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF 卡式 GPS 接收机)式、外接(GPS 接收机)式等集成产品。 利用全球定位系统进行公交车自动报站系统是近几年的一个热门课题。GPS 卫星定 位语音报站系统具有定位精度高、语音自动播报等特点。此系统设计要求车辆的定位精 度要高于 50m，如遇外界影响 GPS 信号还可恢复成手动操作进行报站。 2
    第二章 系统方案论证 第二章 系统方案论证 2.1 系统设计要求 要求设计一个操作友好且成本很低的公交车报站器，具体要求如下： 1、 可以存放较多的服务用语和广告词 ； 2、 要求操作简单，每站可自动播报全部报站内容（前方将要到达的站名，上 下车提示服务用语） ； 3、 要求具有 LCD 站点信息显示； 4、 要求语音播报具有自动和手动两种功能； 5、 要求站牌信息及服务信息等都能通过液晶屏显示出来； 6、 时间、日历播报、显示和调整功能。 7、GPS 定位精度在 50m 以内。 2.2 方案论证 目前公交车报站器技术主要有以下几种：一般公交车报站器,到站前由司机按进站 按钮开始报站，出站时按下出站按钮，开始预报下站的站名，通过序号来记录各个站点； 第二种是门控公交车报站器，将开门、关门时转换信号和语音报站器连接，开门和关门 时自动报站；第三种是无线收发公交车报站器，它是在每个公交车站点设置发射信号同 步模块，公交车临近到站点左右会收到信号，开始自动报站，出站后信号消失，开始预 报下一站，此报站器报站准确，但需要为每个站点组建无线发射模组，实施工程复杂、 价格昂贵，大部分站点无电源供应，公交车数量多时存在频率干扰很严重影响报站的准 确性，每路公交车修改站点非常不方便，系统维护成本高；第四种就是 GPS 自动语音公 交车报站器，此报器是在公交车上安装 GPS 自动语音报站器，自动识别站点并报告站点 信息。由于报站精准，无须人工操作，无须建设任何车外设施。 本次设计的任务是利用现有的 GPS 系统结合凌阳单片机语音技术研制一套车辆自 动报站的系统，包括系统的软件与硬件，要求系统具有建设费用少、维护费用低、定位 精度高等特点。系统的研究内容包括：车辆定位系统的软件与硬件的设计与制作，即结 合 GPS 和凌阳单片机，对 GPS 接收机接收的数据进行处理，结合 LCD 点阵显示和 SPCE061A 的语音播报功能，并使用控制键盘电路来实现报站器的全自动报站和手动报站的功能， 以及系统的整体测试与实际运行。 3
    第二章 系统方案论证 图 2.2 为 GPS 语音报站系统总体设计框图。GPS 语音报站系统硬件电路主要包括 SPCE061A 控制模块、GPS 数据接收模块[6]、语音模块、按键模块、LCD 显示等模块。 图 2.2 为 GPS 语音报站系统总体设计框图。 图 2.2 系统硬件总体设计框图 2.2.1 GPS 公交车报站器各部分功能 将语音信息、提示信息和广告信息存入凌阳单片机系统的外扩存储器中，凌 阳 单 片 机 上 电 工 作 后 首 先 检 查 是 全 自 动 报 站 工 作 方 式 还 是 手 动 按 键 报 站 工 作 方 式，手动按键方式则由键盘直接控制显示和语音播报。当系统工作在全自动报站 方式时，凌阳单片机接收 GPS 的信息，其中包括时间、地理位置、速度和方向等 信息，GPS 通信遵循 NMEA0138 协议，凌阳单片机按照协议提取有用信息，根据公 交车的实时运行信息，进行上行、下行判断，并准确播报报站信息、广告及提示 语，在 LCD 点显示，并通过扬声器播放出来。 选用 SPCE061A 单片机作为主控芯片。SPCE061A 芯片集成 A/D、D/A 功能，配合语 音函数库可以实现语音功能。外围扩展键盘、显示器件，扩展 SPR4096 FLASH 芯片存储 语音资源。串口通信能够及时处理 GPS 接受到得经纬度信息。 显示模块是采用 12864LCD，通过 SPCE061A 进行控制显示相关站点、广告等信息。 GPS 接收模块，通过天线接收卫星发来的相关地理、时间信息并对其进行处理。实 时地计算出测站的三维位置，以及速度、时间、航向等定位信息。把获得经度、纬度、 高度、时间等信息发送给单片机控制模块。 单片机外围硬件电路主要包括：按键和 SPR4096 模组存储器，按键是在 GPS 受干 扰情况下完成人工手动报站；SPR4096 模组增加系统的存储空间，有利于存储大量语音 信息。 4
    第三章 系统硬件设计 第三章 系统硬件设计 GPS 公 交 车 报 站 器 硬 件 模 块 包 括 ： 凌 阳 SPCE061A 单 片 机 模 块 、 GPS 模 块 、 SPR4096 存储电路、LCD 显示模块、音频输出模块和键盘控制模块组成。 3.1 SPCE061A 单片机控制设计 3.1.1 凌阳单片机 SPEC06A 简介及性能 SPCE061A 是凌阳科技推出的一款 16 位结构的微控制器。较高的处理速度使用 μ’nSP™能非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。以μ’ nSP™为核心的 SPCE061A 微控制器是适用于数字语音处理应用领域，一种最经济的选择产品。 SPEC06A 主要性能及内部结构 1、主要性能： 16 位μ’nSP™微处理器； 工作电压(CPU) VDD 为 2.4~3.6V (I/O) VDDH 为 2.4~5.5V CPU 时钟：0.32MHz~49.152MHz ； 内置 2K 字 SRAM； 内置 32K FLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器; 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2μA@3.6V； 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道； 32 位通用可编程输入/输出端口； 14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容纳 210 秒的语音数据； 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz 实时时钟； 7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能； 具备串行设备接口； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真电路 ICE（In- Circuit Emulator）接口； 5
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