基于51單片機(jī)的語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)研究

1、摘 要目前城市的公交車一般都安裝了語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)，給乘客帶來(lái)了很好的乘車體驗(yàn)。不過(guò)大部分的語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)都是人工報(bào)站系統(tǒng)，需要司機(jī)人工操作，這樣會(huì)分散司機(jī)的注意力，給車子行駛帶來(lái)很大的安全隱患。本文敘述了采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)的一款公交語(yǔ)音自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，它具有如下功能：（1）利用LCD12864液晶來(lái)實(shí)現(xiàn)站名信息的顯示；（2）利用北京宇音天下科技公司生產(chǎn)的中文語(yǔ)音合成模塊SYN6288實(shí)現(xiàn)站名信息的播報(bào)；（3）使用DF無(wú)線收發(fā)模塊及PT2262、PT2272編解碼芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的收發(fā)和站名的識(shí)別。該自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、音質(zhì)清晰、可靠性高，提高了公交的服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)

2、城市經(jīng)濟(jì)和公交事業(yè)的和諧發(fā)展。關(guān)鍵詞 單片機(jī)；液晶顯示；語(yǔ)音合成；自動(dòng)報(bào)站；無(wú)線通訊AbstractAt present, bus-stop-name reading system is installed in buses commonly. It gives passengers more convenience. Since most of the bus-stop-name reading systems is artificial, it needs manual operation. It would divert the drivers attention and reduce

3、the driving safety.It is discussed the design of automatic bus-stop-name reading system using AT89S52 single chip microcomputer produced by the Atmel company, it has these functions.(1)displays the information of bus-stop-name using LCD12864 LCD;(2) realizes the reading of bus-stop-name information

4、using Chinese speech synthesis module SYN6288;(3) achieves the receiving and transmitting of wireless signal and identifying of the bus-stop-name. Using DF wireless transceiver module and PT2262,PT2272 decoding chip. The automatic bus-stop-name reading system is simple in structure, low in cost, sou

5、nd quality, high reliability, it improves the quality of bus service, promotes the harmonious development of public transport undertakings and urban economy.Key words Single chip microcomputer(SCM) Liquid crystal display Speech synthesis Automatic bus-stop-name reading Radio communication第1章 緒論1.1課題

6、研究背景與意義公交車為外出的人們提供了方便快捷的服務(wù)，而公交車的報(bào)站直接影響服務(wù)的質(zhì)量。傳統(tǒng)由乘務(wù)人員人工報(bào)站，該方式因其效果太差和工作強(qiáng)度太大，在很多城市已經(jīng)被淘汰。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用1。在聲學(xué)領(lǐng)域，微機(jī)技術(shù)和各種語(yǔ)音芯片的相結(jié)合，即可完成語(yǔ)音合成技術(shù)，使得汽車報(bào)站的實(shí)現(xiàn)成為可能，從而為市民提供了更加人性化的服務(wù)。鑒于傳統(tǒng)公交報(bào)站系統(tǒng)的不足之處，結(jié)合公交車輛的使用特點(diǎn)及實(shí)際營(yíng)運(yùn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)控制的公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)。1.2報(bào)站器的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)公交車行駛在現(xiàn)代文明程度高的市區(qū)，它是一道流動(dòng)的風(fēng)景線，因而對(duì)整車外形及至色彩都有

7、更高的要求。作為公交車還要求有醒目和減少乘務(wù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度的電子報(bào)站器、電子顯示路牌、無(wú)人售票裝置、前后電視監(jiān)視系統(tǒng)等新技術(shù)的采用也將越來(lái)越善及。公交報(bào)站器在公交事業(yè)中占有舉足輕重的地位，它直接影響到公交車的服務(wù)質(zhì)量。目前公交報(bào)站有三種方式，一種是利用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)2，在司機(jī)座位后面的隔板上，安裝了一臺(tái)15英寸的液晶電視和GPS信號(hào)接收器，安裝了這套設(shè)備后，公交車在語(yǔ)音報(bào)站的同時(shí)，通過(guò)液晶電視還可以顯示到站站名的字幕，這樣如果沒(méi)有聽(tīng)清楚報(bào)站的話，通過(guò)顯示屏，乘客也可以一目了然。目前在美國(guó)部分城市GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，國(guó)內(nèi)也有此類產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)，其功能強(qiáng)大，系統(tǒng)穩(wěn)定，但其投資昂貴

8、，尤其是一些中小城市無(wú)法承受。另外兩種是手動(dòng)電子報(bào)站和人工報(bào)站的方式，而他們都離不開(kāi)司務(wù)人員，加大了乘務(wù)人員的工作強(qiáng)度。手動(dòng)電子報(bào)站一般由司機(jī)或者乘務(wù)人員控制，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)的情況。城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。提供舒適、安全、便捷的乘車環(huán)境，對(duì)于公交企業(yè)來(lái)說(shuō)，不僅是應(yīng)盡的責(zé)任，亦是不斷追求的目標(biāo)。因此，如何設(shè)計(jì)一款能自動(dòng)報(bào)站、成本低、報(bào)站語(yǔ)音效果好的報(bào)站系統(tǒng)成為本課題的研究重點(diǎn)。第2章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)控制的語(yǔ)音自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)的功能如下：（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、時(shí)間和日期、并能進(jìn)行對(duì)日期和

9、時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；（3）具備手動(dòng)和自動(dòng)報(bào)站兩種功能；（4）方便用戶修改站名和站數(shù)，更新快捷方便。2.2系統(tǒng)方案選擇（1）采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心51系列單片機(jī)具有高效能、資源占用率低等特點(diǎn)。目前51系列單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。結(jié)合C語(yǔ)言、匯編等程序，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)豐富的功能，并且部分設(shè)計(jì)可以直接在Proteus環(huán)境上進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。（2）語(yǔ)音播報(bào)方案一、采用專門的語(yǔ)音芯片3該類芯片有ISD、PM、ALPHA等系列。常用的如ISD4004，可以錄入長(zhǎng)達(dá)8分鐘的語(yǔ)音，8K采樣率。雖然這些語(yǔ)音芯片音質(zhì)失真度較小，但背景噪聲很大，還得額外加功放，無(wú)額外發(fā)揮功能。方案二、采用SYN6

10、288語(yǔ)音合成模塊SYN6288語(yǔ)音合成模塊通過(guò)異步串口接收待合成的文本，實(shí)現(xiàn)文本到聲音（TTS）的轉(zhuǎn)換。文本識(shí)別智能、語(yǔ)音合成效果和智能識(shí)別效果非常優(yōu)越。還具有體積小、硬件接口簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)?？紤]報(bào)站需良好音質(zhì)，而且要求控制方便，所以決定采用方案二。（3）自動(dòng)報(bào)站實(shí)現(xiàn)方案方案一：采用GPS定位系統(tǒng)，對(duì)公交車定位，當(dāng)公交車的經(jīng)緯度與車站的經(jīng)緯度相接近時(shí)便報(bào)站。此方案精度高，穩(wěn)定性好，但GPS價(jià)高幾百，且必須先對(duì)車站的經(jīng)緯度進(jìn)行精確勘察，編程難度大、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、精確度要求很高，其工作量可謂艱巨。方案二：采用現(xiàn)成的無(wú)線收發(fā)模塊，如PT2272/PT2262收發(fā)模塊4，價(jià)格只需10元左右，雖

11、廉價(jià)但穩(wěn)定性極高，距離幾 十米到上百米，調(diào)節(jié)方便，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x達(dá)到報(bào)站的要求；PT2272/PT2262最多可有12位（A0A11）三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），任意組合可提供531441種地址碼，對(duì)一個(gè)城市來(lái)說(shuō)已夠用，故選用此方案。（4）人機(jī)界面信息的顯示 采用LCD12864大液晶進(jìn)行信息的顯示。LCD12864可以顯示字符、漢字、圖片等大量信息，而且控制簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的數(shù)碼管、1602液晶等器件顯示的信息有限，并且這些器件只能顯示字符和數(shù)字，不能顯示漢字。所以本系統(tǒng)選擇性價(jià)比高的LCD12864大液晶進(jìn)行信息顯示。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)公交語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)有兩種報(bào)站模式：手動(dòng)模

12、式和自動(dòng)模式。（1）手動(dòng)模式手動(dòng)模式的方框圖如圖2-1所示。在公交車即將到站時(shí)，由駕駛員人手操作按鍵，進(jìn)行站名的播報(bào)。 在公交車站臺(tái)設(shè)置無(wú)線遙控發(fā)射器，當(dāng)公交車離站臺(tái)一定距離時(shí)（距離可根據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行調(diào)整），接收器接收到發(fā)射器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼驗(yàn)證后，將信號(hào)送入主控制器電路板。主控制器電路板由單片機(jī)控制，通過(guò)編寫程序，按照順序發(fā)出控制信號(hào)給語(yǔ)音合成模塊，調(diào)用語(yǔ)音模塊中的語(yǔ)音信息，自動(dòng)播報(bào)如“XX車站到了，下車的乘客后門請(qǐng)”等信息，整個(gè)過(guò)程完全由單片機(jī)控制完成，無(wú)需公交車駕駛員參與。2.4 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要講述了自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，針對(duì)課題的要求提出了相關(guān)的方案并分別進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明比較。通過(guò)

13、比較，選擇出最佳的方案作為最后的設(shè)計(jì)方案。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)第2章介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)思路，確定該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。硬件電路主要由MCU微處理控制單元、LCD液晶顯示模塊、語(yǔ)音芯片、按鍵控制、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、晶振電路、串口部分等模塊化電路組成。 語(yǔ)音合成模塊原理圖本系統(tǒng)接收模塊數(shù)據(jù)位有六位，數(shù)據(jù)口接到單片機(jī)P2.0P2.5口，遙控接收器接收到站臺(tái)發(fā)來(lái)的無(wú)線信號(hào)后，將信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序?qū)斎氲男盘?hào)進(jìn)行編碼驗(yàn)證，從語(yǔ)音合成模塊中調(diào)用對(duì)應(yīng)的報(bào)站語(yǔ)音，驅(qū)動(dòng)功率放大器播報(bào)站臺(tái)信息。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，司機(jī)可通過(guò)鍵盤上的按鍵強(qiáng)制對(duì)播報(bào)信息進(jìn)行調(diào)整，意外情況解除后，公交車接

14、收到新的站臺(tái)信號(hào)，通過(guò)編碼驗(yàn)證后，程序就可以恢復(fù)自動(dòng)運(yùn)行，保障公交報(bào)站順利進(jìn)行。3.7.4 按鍵部分原理圖按鍵電路連接圖如圖3-16所示。第4章 程序設(shè)計(jì)4.1 模塊介紹本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)模塊：(1)主程序模塊主程序主要完成初始化、設(shè)置中斷向量、檢查有無(wú)按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等。主程序的流程圖如4-1所示。(2)無(wú)線接收程序當(dāng)接收模塊接收到站臺(tái)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)射過(guò)來(lái)的6位二進(jìn)制代碼時(shí)，單片機(jī)馬上進(jìn)入中斷，然后檢測(cè)和判斷接收到的代碼，最后根據(jù)判斷出的代碼進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)及信息顯示等操作。(3)時(shí)鐘子程序(4)按鍵子程序按鍵采用獨(dú)立模式，單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)按鍵的狀態(tài)，一旦檢測(cè)按鍵被按下，則執(zhí)

15、行相應(yīng)的處理，其中包括時(shí)鐘（日期時(shí)間）的設(shè)置、中斷按鍵的處理等等。 (5)液晶顯示子程序(6)語(yǔ)音報(bào)站子程序4.2 程序流程圖（1）主程序流程圖主程序流程圖如圖4-1所示。主程序先對(duì)液晶、串行口、中斷、時(shí)鐘等進(jìn)行初始化設(shè)置，然后程序一直循環(huán)檢測(cè)時(shí)鐘調(diào)整按鍵是否被按下（即是判斷標(biāo)志位flag是否等于0），如果此按鍵被按下，則執(zhí)行時(shí)鐘調(diào)整功能，否則執(zhí)行時(shí)間顯示、語(yǔ)音報(bào)站、報(bào)站信息顯示等功能。無(wú)線自動(dòng)報(bào)站模式：采用外中斷0，也就是檢測(cè)單片機(jī)P3.2管腳是否為被拉為低電平；手動(dòng)報(bào)站模式：采用查詢模式，也就是檢測(cè)單片機(jī)P3.3管腳是否被拉為低電平。（2）語(yǔ)音報(bào)站子程序流程圖語(yǔ)音報(bào)站子程序流程圖如圖4-2

16、所示。首先檢測(cè)上、下行路線控制按鍵是否按下，如果沒(méi)按下，等待；如果按下，進(jìn)行始發(fā)站信息的播報(bào)并顯示。同時(shí)開(kāi)啟無(wú)線信號(hào)的接收、識(shí)別站臺(tái)自動(dòng)播報(bào)或者進(jìn)行手動(dòng)播報(bào)。（3）無(wú)線接收子程序流程圖無(wú)線部分程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-3所示。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，在公交車運(yùn)行過(guò)程中，不斷對(duì)站臺(tái)發(fā)出的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入中斷，在中斷系統(tǒng)中首先進(jìn)行防干擾處理，防干擾程序按照相同的站臺(tái)編碼信號(hào)只觸發(fā)程序工作一次的思路來(lái)編寫，這樣避免了公交車在靠站臺(tái)過(guò)程中因反復(fù)接收到無(wú)線信號(hào)而引起重復(fù)報(bào)站或者程序混亂。4.3 部分程序設(shè)計(jì)及編程說(shuō)明4.3.1 發(fā)聲部分子程序/串口發(fā)送數(shù)據(jù)void UART_T

17、rans(uchar n) SBUF = n; while(TI=0); /發(fā)送數(shù)據(jù) TI=0;void Speech(uchar *buf, uchar len) uchar i = 0; /循環(huán)計(jì)數(shù)變量 uchar xor = 0x00; /校驗(yàn)碼初始化 BUSY = 1; headLEN_OFFSET = len + 3; /計(jì)算正文長(zhǎng)度（1命令字 + 1命令參數(shù) + 文字長(zhǎng)度 + 1校驗(yàn)位） /發(fā)送數(shù)據(jù)包頭（0xFD + 2字節(jié)長(zhǎng)度 + 1字節(jié)命令字 + 1字節(jié)命令參數(shù)) for(i = 0; i HEADLEN; i+) xor = headi; UART_Trans(headi);

18、 Delay(2); /發(fā)送文字內(nèi)容 for(i = 0; i len; i+) xor = bufi; UART_Trans(bufi); Delay(2); UART_Trans(xor); /發(fā)送校驗(yàn)位 Delay(5); while(BUSY); Delay(3);語(yǔ)音部分程序：SYN6288通過(guò)異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語(yǔ)音（或TTS語(yǔ)音）的轉(zhuǎn)換。4.3.2 外中斷1無(wú)線接收信號(hào)掃描子程序/void EX_INT0() interrupt 0 P2=0xff; /P2口設(shè)置為輸入狀態(tài) i=P2; /賦值給臨時(shí)存貯變量 i=i&0x3f; /和0xf

19、0相與 屏蔽低四位,讀取無(wú)線遙控碼 if(t=0) b=1; if(b=1) if(i=0x02)/1號(hào)站 num1=1; num2=1; bz_num_xianzhi(); if(i=0x04) /2號(hào)站 num1=2; num2=2; bz_num_xianzhi(); if(i=0x08)/3號(hào)站 num1=3; num2=3; bz_num_xianzhi(); if(i=0x10)/4號(hào)站 num1=4; num2=4; bz_num_xianzhi(); / /注意（用戶可以在此添加站數(shù)）/始發(fā)/終點(diǎn)站（雙向線路） if(i=0x01) /始發(fā)/終點(diǎn)站 num1=zd_9; num

20、2=zd_7; bz_num_xianzhi(); if(i=0x20)/始發(fā)/終點(diǎn)站 num1=zd_3; num2=zd_10; bz_num_xianzhi(); 無(wú)線信號(hào)處理：無(wú)線信號(hào)處理采用中斷的方式，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到站臺(tái)發(fā)出的無(wú)線信號(hào)時(shí)，單片機(jī)馬上進(jìn)入中斷系統(tǒng)，在中斷系統(tǒng)中，比較實(shí)際站臺(tái)信號(hào)編碼與程序站臺(tái)預(yù)置編碼的異同，符合條件，則調(diào)用站臺(tái)語(yǔ)音信息并進(jìn)行播報(bào)。4.3.3 主程序void main(void) xi_tong_init(); init_lcd(); clrram_lcd(); Initial_DS1302(); up_flag=0; down_flag=0; done=

21、0; while(1) while(done=1) keydone(); while(done=0) show_time(); Setkey(); baozhan1(); show_baozhan(); 說(shuō)明：主程序完成液晶、中斷、串口通信等初始化設(shè)置，主要執(zhí)行循環(huán)檢測(cè)按鍵是否被按下、無(wú)線信號(hào)接收、顯示等命令。4.4 調(diào)試（1）測(cè)試影響接收距離的因素測(cè)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在給發(fā)射模塊加5V的電壓下，不加天線雖然也能夠發(fā)送和接收，但是距離相當(dāng)短，最多5米遠(yuǎn)，當(dāng)收/發(fā)模塊加上25厘米的天線后，測(cè)得解碼距離明顯增大，可達(dá)50米左右；當(dāng)給發(fā)射模塊加12V的電壓時(shí)，同樣給收/發(fā)模塊加上25厘米的天線，測(cè)得解碼

22、距離可得100米以上。由此得出影響收發(fā)距離的因素有兩個(gè)：一是發(fā)射模塊的工作電壓；二是收/發(fā)模塊的天線匹配。（2）電源電路的調(diào)試前面的各道工序做好后，接通USB電源接口，觀察電源指示燈是否正常點(diǎn)亮，如果正常點(diǎn)亮，則說(shuō)明電源部分電路正常；否則檢測(cè)電源電路故障，直到電源指示燈正常點(diǎn)亮。實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電源電路正常工作，沒(méi)有出現(xiàn)異常。（3）LCD12864液晶顯示器、DS1302電路、語(yǔ)音合成模塊的調(diào)試接通電源開(kāi)關(guān)，把寫好的程序燒入單片機(jī)中，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求對(duì)各部份進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)要求包括AT89S52工作是否正常、LCD12864顯示是否正常、時(shí)間的顯示是否正常、語(yǔ)音合成模塊是否能正常合成語(yǔ)音以及正常

23、播放、按鍵的控制是否符合系統(tǒng)的控制要求等。結(jié) 論針對(duì)當(dāng)前公交車上人工報(bào)站的弊端，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)原理的公交報(bào)站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交車的智能報(bào)站功能。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試以及與其它方式的報(bào)站對(duì)比，本系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、報(bào)站準(zhǔn)確率高，而且具有很好的推廣性，不失為公交車上的一種智能裝置。系統(tǒng)根據(jù)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)原理，對(duì)每一個(gè)車站進(jìn)行編碼，然后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊在一定空間范圍內(nèi)發(fā)射該編碼數(shù)據(jù)，當(dāng)公交車進(jìn)入接收范圍時(shí)車載系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)解碼，最后根據(jù)解碼后的數(shù)據(jù)確定車輛所到的站點(diǎn)，啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)報(bào)出相應(yīng)的站名和顯示相應(yīng)的站臺(tái)信息，實(shí)現(xiàn)了公交車的智能報(bào)站功能。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和改進(jìn)，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了如下的預(yù)期功能：（1）在80米內(nèi)能準(zhǔn)確識(shí)別并自動(dòng)報(bào)站；（2）報(bào)站的同時(shí)能顯示該站站名和下一站的站名以及時(shí)間日期；（3）同時(shí)具備自動(dòng)報(bào)站和手動(dòng)調(diào)整報(bào)站功能，司機(jī)能根據(jù)實(shí)際的情況隨時(shí)切換；（4）產(chǎn)品的成本控制在150元以內(nèi)；（5）產(chǎn)品的硬件和軟件都不復(fù)雜，修改簡(jiǎn)單，適合不同的公交線路，日后升級(jí)系統(tǒng)也比較方便。附錄：部分程序代碼/主要要求：1、能自動(dòng)識(shí)別站臺(tái)，并且通過(guò)語(yǔ)音模塊播放站臺(tái)信息/ 2、額外添加手動(dòng)功能，防止出現(xiàn)（信號(hào)受到干擾時(shí)接收不到信號(hào)的情況）類似問(wèn)題/ 3、通過(guò)12864大液晶顯示相關(guān)的站臺(tái)信息和