董進(jìn)

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，江蘇淮安 223003)

0 引言

雖然公共交通系統(tǒng)朝著越來越人性化、高效化、智能化的方向發(fā)展，但還有不少地區(qū)使用傳統(tǒng)的公交司機(jī)按鍵報(bào)站的模式，容易造成疲勞駕駛，進(jìn)而對(duì)乘客的生命安全造成一定影響，也會(huì)一定程度上造成乘車時(shí)間的浪費(fèi)。隨著科技產(chǎn)業(yè)的快速更迭，微型計(jì)算機(jī)電路在眾多領(lǐng)域得到了施展的空間[1-3]，其中在聲音傳播方面，使用微機(jī)電路與聲音芯片相融合就可以完美地使用聲音合成技術(shù)。本文通過對(duì)單片機(jī)、GPS收發(fā)模塊以及語音解碼芯片的使用完成公交站臺(tái)的自動(dòng)播報(bào)?？紤]到現(xiàn)有的公交系統(tǒng)的問題結(jié)合公交車的實(shí)際運(yùn)營環(huán)境，目標(biāo)就是完全拋棄人工報(bào)站的方式，設(shè)計(jì)出一種以由單片機(jī)為核心主控，再由GPS 技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)公交車在進(jìn)入站點(diǎn)和走出站點(diǎn)時(shí)的自動(dòng)語音播報(bào)。

1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)[4-6]

設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)控制的語音自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)的功能如下3種功能。

1)可以設(shè)置上、下行路線。

2)可以顯示當(dāng)前的站名、下一站的站名進(jìn)行設(shè)置。

3)具備手動(dòng)和自動(dòng)報(bào)站兩種功能。

其中設(shè)置上、下行路線是指用戶可以自定義站點(diǎn)相隔的距離長(zhǎng)短，通常情況站與站點(diǎn)要相隔大于200米這樣會(huì)更加便于GPS的精確定位；同樣的用戶可以自定義每一站站點(diǎn)的名稱，通過轉(zhuǎn)換把抽象的經(jīng)緯度變成直觀具體的地點(diǎn)名稱；最后分為手動(dòng)和自動(dòng)報(bào)站兩個(gè)模式，自動(dòng)報(bào)站是把事先測(cè)量好的站點(diǎn)的經(jīng)緯度存入單片機(jī)的存儲(chǔ)模塊中然后通過GPS 的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，數(shù)據(jù)相同時(shí)就會(huì)自動(dòng)報(bào)站，同時(shí)在液晶顯示屏上顯示播報(bào)的信息。

當(dāng)然機(jī)器難免會(huì)出現(xiàn)一些故障，此時(shí)可以啟用備用的按鍵進(jìn)行手動(dòng)報(bào)站，這兩種方式最后實(shí)現(xiàn)的效果是完全一致。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

該系統(tǒng)的硬件主要包括單片機(jī)、GPS、按鍵、語音、存儲(chǔ)和屏幕顯示和電源等功能模塊；軟件方面用GPS模塊和單片機(jī)STC89C52RC 之間通過串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。而按鍵模塊方面是通過手動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)公交的自動(dòng)報(bào)站。本系統(tǒng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧候車亭自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分含有VK16U6GPS 模塊、核心單片機(jī)STC89C52RC 模塊、LCD12864 顯示模塊、按鍵模塊、MX500S-10P語音模塊等部分，每塊電路通過與單片機(jī)上的引腳插口的組合連接，展現(xiàn)其各自的功能。

2.1 單片機(jī)模塊及最小系統(tǒng)[7]

本系統(tǒng)核心單片機(jī)采用STC89C52RC，將MCU（中央處理器）、ROM（只讀存儲(chǔ)器）、RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）以及IO接口（輸入輸出接口）等元器件集中在一塊電子印刷板上。它同時(shí)還具有實(shí)時(shí)運(yùn)算速度快、能源功率消耗少以及抗干擾性強(qiáng)等明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它由頂而下兼容舊版的C51型號(hào)單片機(jī)設(shè)備。

單片機(jī)STC89C52RC引腳示意如圖3所示。

圖3 STC89C52RC引腳圖

主要用到的引腳主要的是：P0（即圖3中39至32)對(duì)應(yīng)連接LCD12864 模塊的RB0-RB7 接口，P2.7、P2.6、P2.5（即圖3 中28、27、26) 口對(duì)應(yīng)連接至LCD12864 模塊的E、RW、RS 口,P3.0、P3.1（即圖3 中10、11)，連接下載程序接口RXD、TXD，最后是VCC接5V左右的電源，VSS接地。

晶振電路是單片機(jī)擁有的一種特殊電路，就它本身而言也是單片機(jī)架構(gòu)中必有的一項(xiàng)環(huán)節(jié)，毫不夸張地說是起決定作用，它的本質(zhì)為時(shí)鐘電路，所產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率越快單片機(jī)指令執(zhí)行的速度也越快。傳統(tǒng)意義而言晶振頻率是極高的，最高可達(dá)到百萬分之一。此外通過壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生的外部電壓也可以使得某些晶振的頻率在一定的范圍內(nèi)發(fā)生改變。

綜合而言晶振的存在是為了幫助系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)維持相對(duì)的平衡關(guān)系，因此一個(gè)系統(tǒng)必帶一個(gè)晶振，該晶振的使用頻率為11.0592M。如圖4所示。

圖4 外部晶振設(shè)計(jì)

復(fù)位電路是單片機(jī)上的一個(gè)保護(hù)電路，作用是恢復(fù)單片機(jī)原始狀態(tài)，目前選擇的這個(gè)STC89C52 內(nèi)部集成了這一項(xiàng)設(shè)計(jì)，具體為高電平復(fù)位，當(dāng)然外部復(fù)位電路也同時(shí)保留了下來，通過連接單片機(jī)的RST引腳也可實(shí)現(xiàn)。

2.2 VK16U6GPS模塊

本系統(tǒng)用到的是業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的高精度GPS 尺寸為25mm×25mm×4mm，擁有5Hz 的實(shí)時(shí)定位速率，UART/TTL、232、USB2.0三種格式的可選接口也是比較齊全。使用KDS 0.5PPM 高精確度TCXO，內(nèi)建RTC 晶體及皮法電容能夠更快地?zé)釂?dòng)以及內(nèi)置EEPROM能自由豐富配置參數(shù)。

用到的引腳接口為RXD、GND、VCC_N（即為DEF接口），其中RXD 為串行輸入接口與單片機(jī)STC89C52RC 相連，主要目的是把GPS 接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行解析處理，GND 為接地接口，VCC為電源接口。

2.3 LCD12864液晶顯示模塊[8]

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的是型號(hào)為L(zhǎng)CD12864 液晶顯示模塊，如圖5 所示。其中數(shù)字12864 為尺寸比例是128×64，可以顯示漢字和簡(jiǎn)單圖片。另外就是它也具備低功耗低電壓的優(yōu)勢(shì)，可以在輕量級(jí)的設(shè)備上使用。綜合來說在LCD12864模塊是當(dāng)前價(jià)位實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能的最佳選擇。

圖5 LCD12864液晶顯示屏引腳圖

LCD12864液晶顯示屏引腳圖如圖5所示。

LCD液晶模塊使用到的引腳是VSS、BLK（即圖5中的1、20)接地，VDD、PBS、RST、BLA（即圖5中的2、15、17、19)連電源接口，RS、RW、RE（即圖5中的4、5、6)接單片機(jī)STC89C52RC的P2口，也就是P2.5、P2.6、P2.7。

2.4 MX500S-10P語音模塊

MX500S 為串口可供選擇的一種MP3 芯片，它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于MP3、WAV格式的文件能完美支持，同時(shí)支持使用電腦更新SPI-flash。通過使用串口指令就能完成音樂的播放，舍棄掉復(fù)雜的底層操作，便捷穩(wěn)定則是該款產(chǎn)品的最大優(yōu)勢(shì)。此外該芯片也是經(jīng)過深度定制，具體定制內(nèi)容：為了固定語音播放而開發(fā)的低成本的打包方案。按鍵電路與晶振電路并聯(lián)，按鍵模塊與單片機(jī)STC89C52RC 的P3.7 KEY 口進(jìn)行連接。本系統(tǒng)外放采用最為簡(jiǎn)單的喇叭模塊，是面對(duì)絕大多數(shù)場(chǎng)景的最優(yōu)選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件編程部分使用KEIL 4 這個(gè)專業(yè)的匯編軟件來完成，KEIL 軟件具有編譯靈活小巧，簡(jiǎn)便易于操作等特點(diǎn)，采用C語言進(jìn)行軟件代碼編寫。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序能夠?qū)Ω鱾€(gè)子程序進(jìn)行調(diào)度。按下開始按鈕，先是初始的加載界面，然后進(jìn)入主界面，選擇是否啟動(dòng)GPS模式，如果選擇啟動(dòng)就通過GPS接受當(dāng)前經(jīng)緯度信息，經(jīng)過比對(duì)后就進(jìn)行語音播報(bào)再通過單片機(jī)解析把位置信息轉(zhuǎn)化成站點(diǎn)名稱顯示在LCD 液晶顯示屏上然后停車結(jié)束。如果選擇不啟動(dòng)GPS模式，就按下按鍵，同樣的單片機(jī)就會(huì)把預(yù)先設(shè)置好的站點(diǎn)信息投放到LED顯示屏幕上，隨后語音播報(bào)完成整個(gè)流程，如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 LCD液晶顯示子程序[9]

LCD12864 液晶顯示模塊的子程序操作流程為：先要接收到主程序的指令信息后，將其設(shè)置輸入為模式子函數(shù)的狀態(tài)，選擇是否要初始化LCD 子函數(shù)，選擇是否顯示定位子函數(shù)，接著在顯示字符子函數(shù)和站點(diǎn)信息設(shè)置及調(diào)用，從而達(dá)到顯示站名信息功能，如圖7所示。

圖7 LCD液晶模塊流程圖

3.3 語音模塊子程序

MX500 語音模塊子程序建立在收到主程序的指令信息后，輸出一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，語音芯片內(nèi)部指針指向本站點(diǎn)的語音段，然后再輸出一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，最后依靠喇叭播報(bào)當(dāng)前指針指向的語音段。流程圖如圖8所示。

圖8 語音模塊子程序流程圖

3.4 GPS解析軟件流程圖[10]

單片機(jī)上電后，選擇經(jīng)過GPS 掃描后，倘若檢測(cè)到GPS 信號(hào)。經(jīng)過判斷數(shù)據(jù)是否有效。完成后通過內(nèi)在核心自行計(jì)算經(jīng)度和緯度信息，最后發(fā)送給單片機(jī)核。程序流程圖如圖9所示。

圖9 GPS解析流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

開機(jī)調(diào)試具體包括以下六大步驟。

1)使用USB 充電線一端連接實(shí)物一端連接充電寶，等待電源接通屏幕亮起。

2) 此時(shí)需要走到戶外把實(shí)物靜置幾分鐘等待GPS 定位完成并且會(huì)在屏幕上顯示詳細(xì)的當(dāng)前經(jīng)緯度位置信息，然后把收到的經(jīng)緯度信息與站臺(tái)名稱記錄，前往下一站點(diǎn)再經(jīng)過同樣的方式收集并且記錄當(dāng)前的經(jīng)緯度以及站臺(tái)信息，總計(jì)重復(fù)四次。

3)成定位信息收集后利用KEIL軟件完成代碼的編寫。代碼編寫如圖10所示。

圖10 代碼編寫顯示圖

代碼編寫完成之后通過KEIL軟件生成hex文件。文件生成結(jié)果如圖11所示。

圖11 文件生成結(jié)果顯示

4)用STC 單片機(jī)下載軟件并將文件燒入單片機(jī)。軟件截圖如圖12所示。

圖12 STC軟件截圖

5)使用手機(jī)自帶的錄音軟件把自動(dòng)播報(bào)的語音錄好并將語音格式調(diào)整為MP3格式以及32bit的碼率并且按照播報(bào)的順序排列整齊。

6)通過USB 數(shù)據(jù)線把錄音文件拷入單片機(jī)就完成整個(gè)調(diào)試步驟。

5 結(jié)束語

本文基于GPS 設(shè)計(jì)了一種智慧候車亭自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，首先簡(jiǎn)述了系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)架構(gòu)，從單片機(jī)模塊及最小系統(tǒng)、VK16U6GPS模塊、LCD12864液晶顯示模塊、MX500S-10P 語音模塊等方面給出了硬件部分設(shè)計(jì)思路及方法，從系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、LCD液晶顯示子程序、語音模塊子程序、GPS 解析軟件流程圖等方面闡述了軟件部分設(shè)計(jì)思路及方法，最后進(jìn)行了該系統(tǒng)的調(diào)試。