智慧候車亭自動報站系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董進

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院計算機與通信學(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)的公交司機按鍵報站的模式，容易造成疲勞駕駛，進而對乘客的生命安全造成一定影響，也會一定程度上造成乘車時間的浪費。隨著科技產(chǎn)業(yè)的快速更迭，微型計算機電路在眾多領(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)。本文通過對單片機、GPS收發(fā)模塊以及語音解碼芯片的使用完成公交站臺的自動播報?？紤]到現(xiàn)有的公交系統(tǒng)的問題結(jié)合公交車的實際運營環(huán)境，目標(biāo)就是完全拋棄人工報站的方式，設(shè)計出一種以由單片機為核心主控，再由GPS 技術(shù)為基礎(chǔ)的自動報站系統(tǒng)，進而實現(xiàn)公交車在進入站點和走出站點時的自動語音播報。

1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計[4-6]

設(shè)計一個基于單片機控制的語音自動報站系統(tǒng)，要求實現(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、下一站的站名進行設(shè)置。

3)具備手動和自動報站兩種功能。

其中設(shè)置上、下行路線是指用戶可以自定義站點相隔的距離長短，通常情況站與站點要相隔大于200米這樣會更加便于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名稱；最后分為手動和自動報站兩個模式，自動報站是把事先測量好的站點的經(jīng)緯度存入單片機的存儲模塊中然后通過GPS 的實時定位數(shù)據(jù)與存儲數(shù)據(jù)進行比對，數(shù)據(jù)相同時就會自動報站，同時在液晶顯示屏上顯示播報的信息。

當(dāng)然機器難免會出現(xiàn)一些故障，此時可以啟用備用的按鍵進行手動報站，這兩種方式最后實現(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、GPS、按鍵、語音、存儲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STC89C52RC 之間通過串口來進行數(shù)據(jù)的交換。而按鍵模塊方面是通過手動的方式來實現(xiàn)公交的自動報站。本系統(tǒng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧候車亭自動報站系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分含有VK16U6GPS 模塊、核心單片機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 單片機模塊及最小系統(tǒng)[7]

本系統(tǒng)核心單片機采用STC89C52RC，將MCU（中央處理器）、ROM（只讀存儲器）、RAM（隨機存取存儲器）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。它同時還具有實時運算速度快、能源功率消耗少以及抗干擾性強等明顯的優(yōu)勢，同時它由頂而下兼容舊版的C51型號單片機設(shè)備。

單片機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。

晶振電路是單片機擁有的一種特殊電路，就它本身而言也是單片機架構(gòu)中必有的一項環(huán)節(jié)，毫不夸張地說是起決定作用，它的本質(zhì)為時鐘電路，所產(chǎn)生的時鐘頻率越快單片機指令執(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)的時鐘信號維持相對的平衡關(guān)系，因此一個系統(tǒng)必帶一個晶振，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

復(fù)位電路是單片機上的一個保護電路，作用是恢復(fù)單片機原始狀態(tài)，目前選擇的這個STC89C52 內(nèi)部集成了這一項設(shè)計，具體為高電平復(fù)位，當(dāng)然外部復(fù)位電路也同時保留了下來，通過連接單片機的RST引腳也可實現(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 的實時定位速率，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右约皟?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)送給單片機進行解析處理，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)計使用的是型號為LCD12864 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，可以顯示漢字和簡單圖片。另外就是它也具備低功耗低電壓的優(yōu)勢，可以在輕量級的設(shè)備上使用。綜合來說在LCD12864模塊是當(dāng)前價位實現(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)點是對于MP3、WAV格式的文件能完美支持，同時支持使用電腦更新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。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STC89C52RC 的P3.7 KEY 口進行連接。本系統(tǒng)外放采用最為簡單的喇叭模塊，是面對絕大多數(shù)場景的最優(yōu)選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序能夠?qū)Ω鱾€子程序進行調(diào)度。按下開始按鈕，先是初始的加載界面，然后進入主界面，選擇是否啟動GPS模式，如果選擇啟動就通過GPS接受當(dāng)前經(jīng)緯度信息，經(jīng)過比對后就進行語音播報再通過單片機解析把位置信息轉(zhuǎn)化成站點名稱顯示在LCD 液晶顯示屏上然后停車結(jié)束。如果選擇不啟動GPS模式，就按下按鍵，同樣的單片機就會把預(yù)先設(shè)置好的站點信息投放到LED顯示屏幕上，隨后語音播報完成整個流程，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)和站點信息設(shè)置及調(diào)用，從而達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，輸出一個負(fù)脈沖信號，語音芯片內(nèi)部指針指向本站點的語音段，然后再輸出一個負(fù)脈沖信號，最后依靠喇叭播報當(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]

單片機上電后，選擇經(jīng)過GPS 掃描后，倘若檢測到GPS 信號。經(jīng)過判斷數(shù)據(jù)是否有效。完成后通過內(nèi)在核心自行計算經(jīng)度和緯度信息，最后發(fā)送給單片機核。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 充電線一端連接實物一端連接充電寶，等待電源接通屏幕亮起。

2) 此時需要走到戶外把實物靜置幾分鐘等待GPS 定位完成并且會在屏幕上顯示詳細(xì)的當(dāng)前經(jīng)緯度位置信息，然后把收到的經(jīng)緯度信息與站臺名稱記錄，前往下一站點再經(jīng)過同樣的方式收集并且記錄當(dāng)前的經(jīng)緯度以及站臺信息，總計重復(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 單片機下載軟件并將文件燒入單片機。軟件截圖如圖12所示。

圖12 STC軟件截圖

5)使用手機自帶的錄音軟件把自動播報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就完成整個調(diào)試步驟。

5 結(jié)束語

本文基于GPS 設(shè)計了一種智慧候車亭自動報站系統(tǒng)，首先簡述了系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計架構(gòu)，從單片機模塊及最小系統(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)計思路及方法，從系統(tǒng)主程序設(shè)計、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)計思路及方法，最后進行了該系統(tǒng)的調(diào)試。