基于PM60自动报站系统

2017-5-6 11:22| 发布者: admin| 查看: 1262| 评论: 0

摘要: 第一章引言作为一个城市的公交企业，既要代表ZF体现当地城市的形象，又要尽一切力量减少ZF投资，创造良好的社会效益和经济效益。而传统的公交运营系统的装备和管理模式较难达到这两者的完美结合。随着科学技术的 ...

第一章引言
作为一个城市的公交企业，既要代表ZF体现当地城市的形象，又要尽一切力量减少ZF投资，创造良好的社会效益和经济效益。而传统的公交运营系统的装备和管理模式较难达到这两者的完美结合。随着科学技术的发展，公交应用系统带给公交企业的将不仅是形象的提升，也是效益的增长。
近年来单片机技术迅猛发展，广泛应用于诸多领域。由于单片机具有可编程性及优良的存储扩展性等许多优点，因此萌生了用单片机来实现公交车辆的自动报站。为了实现城市公交车的自动报站，本次设计研究了一套低廉、高性能的，基于单片机的城市公交车自动报站系统。
1、系统可行性分析
  现今社会，公交事业关乎到大多数城市居民的出行，可公交车上的报站系统依然无法满足大家对其的要求。通过在各个车站收集公交司机及各个年龄阶段的乘客对报站系统的看法，可以对现在公交车上普遍使用的人工按键报站总结出以下三个弊端: (1) 报站不准确: 由于司机在操作报站系统时经常会按错键或忘记按键，而且在调整系统时会连续报出几个站点，让不熟悉路线站点的乘客不知所措。(2)安全隐患:每次报站时都需要由驾驶员对报站器进行操作，而在车辆起动与进站时，往往是路面情况最复杂的时候，驾驶员既要对行驶中的汽车进行起动或制动等操作，同时还要兼顾报站系统的操作，给行驶中的车辆带来一定的安全隐患。虽然现在已经有些大城市的某些公交车上已经采用GPS定位系统自动报站，但其昂贵的成本，难以实现普及，特别是一些中小城市难以负担。
  以上这些问题基于单片机的公交车自动报站系统均能解决，所以对于这个系统的开发是有其必要性的。

2、几种报站方式的比较
  本次设计所介绍的公交车自动报站系统具有明显优势，可扩展性很强，非常适合大中小城市推广使用。

第二章方案的设计与论证
  在做这次课题设计之前，根据调查和查阅的资料，发现要想实现预期效果有很多种可行的方案可供参考，市面上也有很多相关芯片供我们选择。除了显示部分的LED数码管以外，其它部分的使用哪种芯片最能达到预期效果呢？下面就对这几项方案做一个简单的介绍，最终选择最适合的方案来实行。
2.1  接收、发射模块的编解码芯片
方案一：无线AP
  第一种由无线AP构成，通信的效果好，数据传送量大，但是其成本比较高，由于采用IEEE 802.11b和IEEE 802.11g的通信协议，因此它比较适合用于移动上网。
方案二：无线数传模块
  第二种由于采用专用收发集成电路的无线数传模块构成，所以性能相对较好，而且容易实现，并且在功耗，抗干扰性等方面都比较优越，但是由于基于此芯片的无线传输模块价格和无线AP模块差不多，所以成本相对偏高。
方案三：GSM小型系统
第三种方案是运用GSM小型系统，这套系统主要是通过GSM模块，利用短信的形式将各种数据信息按规定的协议编码发送至GSM网络，通过GSM网络进行数据的传送，这套系统对我们这次试验来说有一个最大的问题，就是它的成本，GSM模块的价格很高，在查证之后才知道一个模块就要500～1000元，不太符合这次课题低成本的要求，加之其通信协议部分比较复杂，将增大设计的工作量。
方案四：PT2262/PT2272-L4集成芯片
第四个方案采用低功耗、低价位、通用编解码电路，发送用高β的达林顿管，所以在灵敏度和抗干扰性方面有保障。
以上四种都是可供参考的方案，在考虑了诸多因素之后，决定采用方案四。虽然在软件解码方面比较复杂，但其工作稳定，可靠性高，且与系统兼容，最重要一点就是其性价比高。

2.2  单片机芯片
单片机种类繁多，8位单片机有Intel MCS-51系列、PIC系列等，16位单片机有Intel MCS-96系列等。在本系统中，8位单片机就能满足系统的设计需要。目前的8位单片机中，以Intel MCS-51系列单片机的品种最多，接口芯片以及应用软件也非常丰富。ATMEL公司推出的AT89C51单片机是一种以80C51为内核的低功耗、高性能的8位COMS单片机。它内部集成了4KB闪烁可编程可擦除只读存储器（EPEROM），这种存储器可以反复擦除1000次之多，使程序的调试非常方便。同时AT89C51具有128B内部RAM，32位可编程I/O线，2个16位定时器/计数器，5个中断源，具有低功耗闲置和掉电两种省电模式。选用AT89C51单片机作为公交车自动报站系统的中央处理器，完全能够满足系统的需要。而且这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

2.3  接收电路
方案一：超再生接收电路
第一种超再生式接收机具有电路简单、成本低廉的优点，还有一点就是以RX3310A、RX3400为核心组装的超外差式接收都有一个缺点就是强信号、近距离时堵塞不能解码，故一般在距发射3米之内不解码属于正常的。
方案二：超外差接收电路
第二种超外差接收机价格较高，温度适应性强，接收灵敏度更高，而且工作稳定可靠，抗干扰能力强，产品的一致性好，接收机本身辐射低，无二次辐射，性能指标好，容易通过FCC或者CE等标准的检测，但对于做实验根本不需要这么高的要求，其比较符合工业使用规范。
以上两种方案都是可行的。相比之下，我们采用方案一，虽然电路稳定性稍差，但其对弱信号的接收可放大几十万倍，方便于我们做实验。

2.4  通信方式
本系统中选用无线315MHz射频(RF, Radio Frequency)方式来完成无线通信。315 MHz的发射频率是国家规定的无线报警专用频率。由于无线遥控采用了多组编码的射频方式，频率调制精密，发射功率微小，既不容易对外界造成干扰，也不容易受到外界干扰。
2.5  语音芯片
根据几种语音芯片性能之间的比较，其中，ISD系列芯片和PM60芯片比较符合本次课题的要求。两者相比，PM60芯片的编译程序和外围电路比较都比较简单，能减少我们的工作量，另外，PM60语音编程也很方便，这样方便公交公司插入广告。所以，我们最终选择PM60语音芯片。

第四章系统的具体设计与实现
4.1  系统基本原理
  本系统硬件电路主要由发射和接收两个部分组成。发送部分主要由无线摇控器的无线发射模块加5～12V的电源组成，无线发射模块可以进行编码设置，对每一个车站点进行编码，并将编码信号以及同步信号用315MHz的高频载波采用ASK方式进行调制，并送入无线发射电路进行发射。
  接收部分不仅包含无线摇控器的无线接收模块，还包括单片机最小系统、语音播放电路和数码管显示电路。单片机的作用是将无线接收模块传过来的信号进行解码，获得站台编码，并根据站台编码控制语音芯片播放相应语音提示，控制显示电路显示站台编号。无线数据接收模块采用超再生接收方式，接收灵敏度为-105dbm，接收模块接收到发射模块发射出来的信号时将其解调还原出有效数据，经隔离处理后送入单片机。由于系统采取自动报站方式，需要预先录取站名及提醒语句，电路中必须加入语音电路，语音电路采用PM60语音录放集成芯片。当无线接收模块接收到站台发来的信号时传给单片机时，单片机会将此信号进行解码，信号经过校验确认正确后，一方面将站台编号进行BCD转换控制显示电路显示站台编号;另一方面根据站台编码控制语音芯片播放相应语音提示，完成语音报站。
4.3  语音报站系统
  PM60向客户提供了两种微控制器处理方式：串行输入接口和并行地址接口。本设计采用串行输入接口的方式。
在串行输入接口工作方式下，K1为数据端，K2为同步时钟端，O1为忙信号端。地址数据在时钟上升沿锁存输入到PM60芯片内。语音段的地址为0x80H～0xFFH。外部单片机直接送入要放音的段地址即可播放，结束时PM60的忙信号拉低，在判断一段语音结束时，外部单片机再送下一段语音的段地址。
用单片机口线控制PM60的复位时，需要注意给完RESET管脚低信号后需要延迟300ms的时间，才能开始PM60的放音操作，否则不能正常复位。

4.4  显示电路
  显示电路部分是由两个七段数码管显示站台号，用单片机P1口和两个74LS373锁存器控制两个数码管的显示。两个锁存器的输入端均与单片机P1口相连，两个锁存器的锁存允许端（LE）分别连接到单片机的P3.6和P3.7，两个数码管分别和两个锁存器的输出端相连，构成数码显示的硬件电路。控制输出显示站台号时，先将低位锁存器的锁存允许端置为高电平，高位锁存器的锁存允许端置为低电平，P1口送出低位数据，延时60ms后，将低位锁存器的锁存允许端置为低电平，高位锁存器的锁存允许端置为高电平，P1口送出高位数据，再延时60ms后，将高位锁存器的锁存允许端也置为低电平，这样两个数码管便锁定在已经建立的电平上，能够正确地显示当站站台号。当到达下一站的时候，用同样的方法改变输出显示值即可。

第五章测试结果说明及注意事项
5.1 对测试接收距离的影响因素
  测试的过程中发现在给发射模块加5V的电压下，不加天线虽然也能够发送和接收，但是距离相当短，最多2米远，当收/发模块均加上25厘米的天线后，测得解码距离明显增大，可达到50米左右；当给发射模块加12V的电压时，同样给收/发模块加上25厘米的天线，测得解码距离可达到100米以上。由些得出影响收发距离因素有两个：一是发射模块的工作电压，二是收/发模块的天线匹配。
  这里所说的解码距离是发射/接收模块单独工作，并都配接四分之一的波长的天线，且处于垂直状态工作于额定条件下在直线开阔地上测得的最大可解码距离，如果双方都处在较高的位置，则遥控距离还将更远。
  还有，由于工作在UHF频段内，电磁波沿直线传播，遇到障碍物会有所衰减，遥控距离明显缩短，在测试过程中，我们尝试过隔墙接收的，结果解码距离剧减了一半，故使用时应尽量避开障碍物，或尽量架高天线并使用高增益天线，对固定使用的还可选用高增益的定向天线，以改善通讯效果。
另外，数据速率对通信距离也有较大影响，一般而言，速率越高，距离就越近，建议数据速率取1.2～2.4K比较好。另一方面，计算机系统（包括单片机）对RF组件都存在一定的电磁干扰，如果处理不当会导致无线传输距离变近，甚至不能正常工作。

5.2 单片机对接收模块的干扰
  单片机模拟PT2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰。 51系列单片机工作的时候，会产生比较强的电磁辐射，频率范围在9MHZ-900MHZ，因此它会影响任何此频率内的无线接收设备的灵敏度，解决的方法是尽量降低CPU 晶体的频率。测试表明：在1M晶体的辐射强度，只有12M晶体时的1/3，因此，为了使晶振既能够跟得上单片机的工作又可以减少辐射，我们的实验中使用6M的晶振。

5.3 单片机复位电路的可靠性
  复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
  本次设计的初级产品应用普通的RC复位电路，该复位电路可以基本实现上述功能，但解决不了电源毛刺（A 点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题。因此，测试初级产品时，出现不稳定现象：接上电源有时单片机能正常工作，有时不能正常工作。对此，我们进行了电路改善，改用增加放电回路的RC复位电路。该复位电路增加了二极管在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。再次测试时，不稳定现象得到明显改善，没有再出现单片机不能工作的情况。

5.4 语音芯片的外围电路
  本系统的语音部分采用PM60的串行输入接口方式。测试初级产品时，出现部分语音信息遗失的现象，重新烧录语音芯片恢复遗失的语音信息，甚至造成了语音芯片毁坏。最后，在单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3引脚与PM60的K1、K2、O1、RESB管脚连接处分别加一个20欧的电阻。再次测试时，不稳定现象得到改善。因为单片机输出脉冲信号可能不稳定，最高能达到7V左右。语音芯片的工作电压是3～6V，超出工作电压时就容易损坏。所接的20欧电阻能在单片机输出信号不稳定时起到保护作用。

第六章总结
  经过多次测试和改进，最终的产品成功地实现了预期功能：
  (1)在120米内能准确识别并自动报站；(2)报站同时显示该站站台号；(3)司机按动开关门按钮时也能报出到站和离站提示，也能在行驶过程中手动控制播报提示语音；(4)同时具备自动报站和手动报站功能，司机能按实际情况随时切换；(5)产品制作成本控制在100元以内；(6)产品的硬件和软件都不复杂，修改简便，适应不同的公交线路，日后升级系统也比较方便。