毕业论文基于STC89C52单片机的无线公交报站系统的设计13233.doc

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1、论文题目：基于STC89C52单片机的无线公交报站系统的设计学 院 电气工程学院 姓 名 丁永亮 学 号 P091813227 专业班级 09自动化(2) 班 指导老师 王涛 摘 要 当下，各大城市的公交车一般都装有语音报站、液晶屏显示等一系列系统，给乘客带来了很好的便捷服务。不过一些中小型城市的语音报站系统都是人工控制，需要司机操作，这样会使司机的注意力不集中，对公交车正常行驶带来隐患。本设计采用STC89C52单片机为核心的公交语音自动报站系统，系统利用NRF24L01无线收发模块实现无线信号的收发，经过识别后将站名通过ISD4004语音芯片播报出来，同时把站台信息用LCD12864液晶屏

2、显示出来。本设计需要硬件和软件两部分来完成，其中，硬件部分包括单片机系统、无线射频收发电路、语音电路、显示电路等；软件部分包括部分电路的设计、流程图，最后通过在KEIL C环境下编程烧录到单片机中。本设计成本低、结构简单，降低了司机的工作强度，提高了公交车的安全指数。关键词 单片机，无线收发，语音播报，液晶显示ABSTRACT At the moment, the major city buses are generally equipped with a voice stations, LCD display and a series of systems, giving passenger

3、s convenient services. However, some small and medium-sized cities Voice announcement system is manual control, needing a driver to operate， this would allow the driver inattention, bringing hidden danger to normal driving buses and security. The design uses bus voice reporting System controlled by

4、ST89C52 microcontroller, using NRF24L01 wireless transceiver module to send and receive wireless signals. After identifying and broadcasting the name of the station through the ISD4004 voice chip, and displaying by LCD12864. The design needs to complete the hardware and software, hardware includes s

5、ingle-chip system, wireless RF transceiver circuit, voice circuit and display circuit, and the software includes the circuit design and the flowchart. Finally，through burning programs to the microcontroller in the KEIL C environment. The design is low cost, simple structure, reducing the intensity o

6、f the work of the driver and improving the safety index of the bus. Key Words：Microcontroller, Wireless Communications, Voice Broadcast, LCD 目 录第一章 绪论61.1报站系统研究背景与意义61.2报站系统在国内外的发展状况6第二章 单片机技术介绍82.1单片机概述82.2单片机种类9第三章 报站系统硬件设计113.1设计框图123.2 STC89C52单片机引脚说明123.2 无线收发模块143.2.1 NRF24L01简介143.2.2 NRF24L0

7、1工作模式及说明153.2.3 接口电路163.3语音模块173.3.1 ISD4004引脚说明173.3.2 接口电路193.4液晶显示模块193.4.1 LCD12864引脚说明193.4.2 接口电路213.5 系统附加电路图213.6 系统设计电路图22第四章 报站系统软件设计234.1 发射系统设计234.1.1 发射模块流程图254.1.2 发射模块主程序（见附录I）264.2 报站显示系统设计274.2.1 系统主流程图274.2.2 报站系统主程序（见附录II）274.3 接收信号模块程序设计284.3.1 接收信号模块流程图284.3.2 接收模块子程序（见附录II）294.

8、4语音模块设计294.4.1 语音模块流程图304.4.2 语音模块子程序（附录II）314.5 调试314.5.1测试影响接收距离的因素314.5.2电源电路的调试314.5.3 LCD12864显示屏和ISD4004语音模块的调试32第五章 结论32致 谢32参考文献33附 录34附录I34附录II46附录III（实物图）65 第一章 绪论1.1报站系统研究背景与意义公交车现在已成为一般上班族和学生族出门代步的交通工具，提供了方便快捷的服务。目前大多数公交车上装有语音和显示报站的公交车报站系统，传统的报站都是由司机人手动切换，这种方式的缺陷就是它会加大司机的劳动强度，导致错报、误报等现象，

9、使乘客误下或漏下，直接影响服务的质量，所以这种方式已在很多城市被淘汰。鉴于这种情况，我们急需一种不由人工操作，而进行自动报站的报站系统。1.2报站系统在国内外的发展状况 通过在网上对报站系统的了解，目前国内外报站系统主要有一下三种： 第一种是利用GPS全球定位系统的自动报站系统，GPS 语音自动报站系统，采用卫星定位技术，彻底改变了传统公交车语音报站系统必须由司机人工操控才能实现的落后方式，通过全球定位技术确定公交车集体所在位置，准确的报出车辆所在站名。他的报站方式不需要人工介入，在报站系统领域完全智能化、准确化、人性化。目前，在国外一些发达城市已经投入运用了。在国内，一些城市正处于试验阶段，

10、像北京、广州、青岛等几个大型城市已经采用了GPS自动报站技术。但这种系统方案所需要的技术要求过于复杂，而且开发成本也比较昂贵，不适合运用在中小型城市。 第二种是基于电磁波技术的公交车自动报站系统。工作原理是在公交车底部安装数匝带微弱电量的线圈，再在距离站牌数十米出的车道下面埋设数匝线圈，让其两端连接到站牌，并在站牌上安装传输电磁波的相关装置。当公交车行驶到路下线圈时，会切割车子底部线圈产生感应电流，再触动装置进行发送电磁波，然后在车上显示出相关的站台信息。该系统的缺点是道路铺设难度大，价格昂贵，而且还没有投入使用，可靠性方面没有实际验证。第三种是基于单片机的自动报站系统，而这种系统在运用上又分

11、为两种。其中的一种是通过对车轮转速来测出各个站台之间的距离，然后根据距离来设计出各个站台的站名进行播报，例如，两个站之间是三千米，设计当车行驶两千八百米的时候报站。 由此可以看出该系统的缺点就是不准确，不适合投入到城市中应用。另外一种就是利用无线传输模块来实现的公交车报站系统。具体就是，在每个站牌上安装一个发射模块，让他一直发射信号；在公交车上安装一个接收模块，当公交车行驶到离站牌几十米远的时候接收到信号，通过对信号的解码，然后输入给单片机，单片机经过处理后调动语音芯片进行报站，同时在液晶屏上显示出站台信息，为防止信号出错情况，可以在公交车上设计手动报站装置。这就是我所做论文中设计的报站系统。

12、这种报站系统结构简单，程序编写容易，芯片价格低，性价比高，是公交车报站系统里比较好选择。第二章 单片机技术介绍 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。2.1单片机概述 单片机又称单片微型控制器，它的功能是把一个计算机系统综合集成到单一芯片上。单片机内部组成有控制器，存储器，运算器，输入输出设备，这就相当于一个最小系统的计算机。它的体积小、价格便宜，为学习和应用提供了便利条件。学习应用单片机是理解计算机原理、结构的最佳选择。它最初运用于工业控制领域。单片机最初的设计理念是将大量外围设备与CPU集成到一个芯片中，使计算机系统更加小型化。 INTEL公司的8080是最早以这种思想设计出来

13、的处理器，但都是8位或4位处理器。其中最成功的是8051，而后在8051基础上开发出了MCS51系列单片机。因为简单、可靠、易操作以及性能不错得到了广大用户的好评。现代生活中人人所用的几乎每件电子器件产品中都会有单片机。包括汽车上也有单片机，一般都配备40多片单片机。在很复杂的工业控制上甚至有上百片单片机在同时工作，现在单片机的数量已远远超过PC机和其他计算机的总和，相信在未来单片机发展会越来越广泛的。2.2单片机种类现在随着科技技术的快速发展，单片机的发展越来越快，以下是几种比较广泛应用的单片机。Motorola单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商。从M6800开始，开发了很多的

14、品种，4位、8位、16位以及32位的单片机都能生产,其中典型的代表有8位机M6805、M68HC05系列；8位增强型M68HC11、M68HC12；16位机M68HC16、32位机M683XX。Motorola单片机的特点是时钟频率较低，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，适合用于工控领域及恶劣的环境。Micro Chip单片机 Micro Chip单片机的主要产品是PIC、16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33、35、58条指令，采用Harvard双总线结构。优点是运行速度快、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、价格低、一次性编程、小体积。适用于用量

15、大、档次低、价格敏感的产品，在工业控制中应用比较广泛。PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。ATEML单片机 ATEML公司的单片机是目前世界上一种独具特色而性能卓越的单片机，ATMEL公司以高性能、低功耗、非易失性存储器一流为著称体制造公司。主要产品有AT89系列的51单片机、AT90系列的AVR单片机以及AT91系列的ARM单片机。51系列的单片机具有体积小、低功耗、控制能力强、高效能、使用方便以及资源占用率低等特点。目前51系列的单片机应用非常广泛。结合汇编语言、C语言等程序，单片机可以实现很多丰富的功能，并且有的设计还可以在proteus环境里进行仿真实现功

16、能。它在通讯设备、工业控制、宇航设备、仪器仪表产品中有着广泛的应用。STC单片机 STC89C52是STC公司生产的最典型的单片机之一。它以MCS-51为内核，在51单片机的基础上做了很大的改定。灵活的八位CPU是它的显著特点，解决了很多其他单片机所解决不了的应用系统。它兼容传统51单片机的一些中断结构，可静态操作，支持两种模式。空闲模式中CPU不工作，但允许其他功能结构继续工作。掉电模式中单片机停止一切工作，直到复位为止。1 由于本设计属于小型设计项目，信息处理量小，如果选择功能强大的Motorola单片机或PIC芯片来设计存在成本高，开发过程复杂等问题。本设计发挥不出这些芯片的强大功能。基

17、于以上分析本设计选用STC89C52作为主控芯片，它成本低，开发周期短，配合各种芯片能够实现丰富的功能。第三章 报站系统硬件设计本设计采用STC89C51单片机作为整个控制的枢纽控制器。在公交车的每个站牌上，安装一个无线发射模块，该装置不断的向一定范围内发射信号；而在公交车上安装无线接收装置，以及其他的一些主体器件。包括主控制器单片机、语音播报模块、液晶显示模块等。当公交车行驶至站台附近，进入信号范围内时无线接收装置接收到信号，经过编码后发送至单片机,单片机识别后调用语音芯片内部指针，让其指向预定的数据段，并且进行报站。与此同时，在液晶屏上显示该站内容、下一站信息以及时间日期等，接着提示乘客下

18、车。车子驶出站台信号熄灭，然后驶入下一站再进行检测接受信号，继续报站，依次重复下去。3.1设计框图3.2 STC89C52单片机引脚说明 本设计属于小型设计项目，信息处理量小，STC89C52作为主控芯片，它成本低，开发周期短，配合各种芯片能够实现丰富的功能。STC89C52引脚排列如图3-1所示:图3-1引脚说明：VCC:电源接入引脚。GND：接地引脚。XTAL1和XTAL2：晶体振荡器产生时钟脉冲的输入端。P0：作为低8位地址和8位数据分时复用I/O口。P1：通用准双向I/O口，内部有上拉电阻，所以引脚不用接上拉电阻。P2：内部设有上拉电阻的8位准双向I/O口，输出8位地址，在编程或校验时

19、接受高位字节地址。P3：作为字节或位寻址时属于多功能双向I/O口；不进行字节或位寻 址时还可以用作第二功能使用。引脚定义如下： P3.0：RXD（串行口输入） P3.1：TXD（串行口输出） P3.2：（外部中断输入） P3.3：（外部中断输入） P3.4：T0（定时器外部输入） P3.5：T1（定时器外部输入） P3.6：（片外数据储存器“写”选通输出） P3.7： （片外数据储存器“读”选通输出）3.2 无线收发模块 本设计采用的无线收发模块是NRF24L01芯片。NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的无线收发芯片。无线收发模块包括放大器、振荡

20、器、发生器、调制器、控制器和解调器。输出功率设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。3.2.1 NRF24L01功能NRF24L01功能如下：引脚名称引脚功能描述1CE数字输入片内使能启动接收或发射模式2CSN数字输入SPI片选3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入SPI从机数据输入5MISO数字输出SPI从机数据输出6IRQ数字输出中断标志引脚，低电平有效7VDD电源供电电源（+1.9V+3.6V DC）8VSS电源接地9XC2模拟输出晶振引脚210XC1模拟输入晶振引脚111VDD_PA电源与天线接口相连接12ANT1RF天线接口113

21、ANT2RF天线接口214VSS电源接地线15VDD电源供电电源（+1.9V+3.6V DC）16IREF模拟输入参考电流，与一个22k电阻连接到地17VSS电源接地线18VDD电源供电电源（+1.9V+3.6V DC）19DVDD电源输出内部数据供电输出20VSS电源接地线3.2.2 NRF24L01工作模式及说明（1）工作模式通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如下表所示。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX

22、 FIFO 为空待机模式11-0无数据传输掉电0-待机模式1：主要用来降低电流损耗，但晶体振荡器仍然是工作的；待机模式2：在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留；掉电模式：电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但保留寄存器里的值。（2）说明： 最高速率为2Mbps，抗干扰能力强； 126频道，可以进行多点和跳频通信； 内置一点对应多点通信地址； 低功耗工作，待机模式下为22uA； 内置2.4Ghz天线，体积小巧15mm x 29mm； 模块可设地址，提供中断指令，可与各种单片机直接连接，软件方便； 内置稳压电路，对使用各种电源有很好的通信效果； 2.

23、54MM间距接口，DIP封装； 具有内置包应答机制，降低了丢包率； 与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接则不需要；其他系列的单片机，如果是5V的，一般串接2K的电阻；如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块；如果是3.3V的，可以直接和NRF24l01模块的IO口线连接。33.2.3 接口电路 NRF24L01电路图如图3-2所示。图3-2交换机和进3.3语音模块本设计采用的是ISD4004语音芯片。该芯片采用的是CMOS 技术,该模块包含振荡器、滤波器、音频放大器、自动静噪等。芯片可通过串行通信接口SPI送入，能够非常真实地体现音效，避免了普通录音

24、电路因量化和压缩造成的噪声和金属声。频率越低，录放时间越长，音质越低,片内信息存于存贮器中,可反复录制10万次，并且能保存100 年。73.3.1 ISD4004引脚说明ISD4004 系列工作电压3V，单片录放8至16分钟，可反复录音10万次，满足报站所需要求。该芯片必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口MISO送入。由于公交车内噪声较大，所以采用TDA2822集成功放电路。此功放电路具有集成度高，外围元件少，音质好等特点。由于本功放为直接耦合，输入信号时不能带直流成分。如果有直流成分时，则必须在输入端串接4.7-10uF左右的电容隔开，否则电流过大会造成扬声器的烧毁。7ISD400

25、4芯片引脚图及功能如图3-3：图3-3SS：低电平有效，即向ISD4004芯片发送指令，两条指令间为高电平；MOSI：串行输入端；MISO：串行输出端；NC：空脚；AUDOUT：音频信号输出端，能驱动5K负载；AMCAP：自动静噪端，大信号时静噪电路不衰减，静音时衰减6dB；RAC：行地址时钟漏极开路输出； INT：中断漏极开路输出，当存贮器溢出或放音结束标志位出现时， 该端为低电平并保持；XCLK：外部时钟输入端，在不外接地时钟时，此端必须接地；SCLK：串行时钟，用于同步串行数据传输。3.3.2 接口电路 ISD4004电路图如图3-4所示图3-43.4液晶显示模块本设计采用带中文字库的L

26、CD12864液晶显示芯片进行信息的显示。它是一种具有4 位、8 位并行、2 线或3 线串行等多种接口方式，其分辨率为12864，内置8192个16*16 点汉字，和128 个16*8 点字符集。该模块接口方式简单、操作指令方便的，可构成中文图形界面。可显示点阵的汉字，也可完成一些图形显示。与同类液晶显示装置相比，不论是硬件电路或着显示程序都比较简洁。3.4.1 LCD12864引脚说明LCD12864可以显示字符、汉字、图片等大量信息，而且控制简单。传统的液晶显示器件显示信息有限，有的只能显示字符和数字，不能显示汉字。所以本系统选择性价比高的LCD12864大液晶进行信息显示。9LCD128

27、64芯片引脚图及功能如图3-5：图3-5 1 GND:负极（背光源） 2 VCC :正极（背光源） 3 VOUT: 空脚 4 RET: H/L 复位 5 NC: 空脚 6 PSB: H/L H-并行；L-串行 7 DB7: H/L 数据7 8 DB6: H/L 数据6 9 DB5: H/L 数据5 10 DB4: H/L 数据4 11 DB3: H/L 数据3 12 DB2: H/L 数据2 13 DB1: H/L 数据1 14 DB0: H/L 数据0 15 E(CLK): H/L 并行使能信号；串行同步时钟 16 R/W(SID): H/L 并行读写信号；串行数据口 17 RS(CS):

28、H/L 并行指令/数据选择信号；串行片选信号 18 V0: LCD驱动电压输入端 19 VCC：模块的电源正端 20 GND：模块的电源地3.4.2 接口电路 LCD12864电路图如图3-6所示图3-63.5 系统附加电路图复位开关VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S，C放电。S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几毫秒后，单片机进入工作状态。复位电路、晶振电路、USB接口电路如图3-7所示。 图3-73.6 系统设计电路图发射系统、报站系统电路连接图

29、如图3-10、图3-11所示图3-10图3-11第四章 报站系统软件设计4.1 发射系统设计通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、待机及掉电四种工作模式，如下表所示。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX FIFO 为空待机模式11-0无数据传输掉电0- 待机模式1下晶体振荡器仍然是工作的，主要用于降低电流损耗；待机模式2，当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留；掉电模式，电流损耗最小，同时nRF24L0

30、1也不工作，但保留寄存器里的值。nRF24L0l所有的配置字是通过SPI口访问的。nRF24L01有25个配置寄存器，常用的配置寄存器如下表所示。地址（H）寄存器名称功能0CONFIG设置工作模式1EN_AA设置接收通道及自动应答2EN_RXADDR使能接收通道地址3SETUP_AW设置地址宽度4SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数7STATUS状态寄存器，用来判定工作状态0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置发送地址（先写低字节）1116RX_PW_P0P5设置接收通道的有效数据宽度 发射数据时，首先将24L01配置为发射状态；再把地址TX_ADDR

31、和有效数据TX_PLD由SPI口写入24L01缓存区，TX_ADDR写入一次即可，而TX_PLD必须连续写入，然后将CE置为高电平延迟130s后发射数据；若开启了自动应答，那么它在发射数据后，立刻进入接收模式，进行接收应答信号。如果24L01收到了应答信号，则表明此次通信成功；若没有收到应答信号，则在自动重发已开启的情况下会自动重新发射该段数据，若重发的次数已达到上限，则MAX_RT置高，在TX FIFO中保留的数据以便再次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低电平则进入待机模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高电平时进行下一次发射；

32、若发送堆栈中无数据且CE为高电平时进入待机模式2。24.1.1 发射模块流程图待添加的隐藏文字内容3开始上电 有数据包 在FIFO？CE=1? ARD消除了？ 待机模式I 停止？重试次数是否等于ARC 待机模式II 有数据包在FIFO？置位TX_DS IRQ 发射模式发送数据包 待机模式I CE=1? 有数据包在FIFO？ CE=1? 发射处理 自动重发使能？ NO_ACK有效？ 接收处理 置位MAX_RT IRQ 接收模式 应答是否接收到？ 发射模式 重发上一次数据包 应答 加载了？ 发射处理 置位TX_DS IRQ 把ACK加载到接收FIFO 4.1.2 发射模块主程序（见附录I）发射模式

33、初始化过程：（1）写Tx节点的地址TX_ADDR（2）写Rx节点的地址RX_ADDR_P0（3）使能AUTOACKEN_AA（4）配置自动重发次数SETUP_RETR（5）选择通信频率RF_CH（6） 配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线率）RF_SETUP（7) 选择通道0有效数据宽度Rx_Pw_P0（8）配置24L01的基本参数以及切换工作模式CONFIG。4.2 报站显示系统设计4.2.1 系统主流程图4.2.2 报站系统主程序（见附录II） 这里特别要注意接受信号模式的初始化过程。（1）写Rx节点的地址RX_ADDR_P0（2）使能AUTOACKEN_AA（3）使能PIPE0E

34、N_RXADDR（4）选择通信频率RF_CH（5）选择通道0有效数据宽度Rx_Pw_P0（6）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线率）RF_SETUP（7）配置24L01的基本参数以及切换工作模式CONFIG。4.3 接收信号模块程序设计接收数据时,首先将24L01状态配置为接收模式，延迟130s进入接收状态。当检测到有效的地址时，将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时开启了自动应答，接收方则进入发射状态将信号回传给发射方。最后接收成功，CE变低，24L01进入待机模式1。24.3.1 接收信号模块流程图 CE=1

35、? 发射模式发送应答和数据包发射处理 发射模式发送应答发射处理 放入TX FIFO？ 无应答设置在接收包 置位TX_DS IRQ 有伴随着上一应答吗？丢弃该数据包把数据包放入接收FIFO并置位RX_DR IRQ 是新数据包吗？ 自动应答使能？ 把数据包放入接收FIFO并置位RX_DR IRQ 接收到 数据包？接收FIFO满了？ 接收模式 接收处理 待机模式I CE=1? 开始上电 4.3.2 接收模块子程序（见附录II）4.4语音模块设计该部分程序包括两个子程序：录音子程序以及放音子程序。语音芯片ISD4004在器件延时后才能开始操作。因此，当用户发完上电指令后，必须等待延时才能发出一条操作指

36、令。部分指令如下：POWERUP：上电，等待延时后工作；SET PALY：从指定的地址放音，比须后跟PLAY指令使放音继续；PLAY：从当前地址放音，直至EOM或OVF；SET REC：从指定地址录音，必须后跟REC指令录音继续；REC：从当前地址录音，直至OVF或停止；STOP：停止操作；STOP WRDN：停止并掉电；RINT：读状态。74.4.1 语音模块流程图开始送录音地址开始录音返回键是否按下YN根据地址判断释放哪段录音开始自动放音送放音地址返回4.4.2 语音模块子程序（附录II）4.5 调试4.5.1测试影响接收距离的因素 测试的过程中发现在给发射模块加5V的电压下，接受距离有50多米远，当有障碍物（门）隔开收/发模块时，接受距离有30多米远。由此可得出影响收发距离的因素有工作电压和障碍物。本设计所用的收发模块NRF24L01是没有天线的一种类型，加上天线接受距离会增大，可达100米左右，所以收发模块的天线匹配也是影响接受距离的一种因素。4.5.2电源电路的调试 接通USB电源接口，观察电源指示灯是否正常点亮，如果正常点亮，则说明电源部分电路正常；否则检测电源电路故障，直到电源指示灯正常点亮。实践过程中发现电源电路正常工作，没有出现异常。