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1、摘要 公交车已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具，目前公交车上采用的公交报站系统具有语音和显示报站的基本功能，但由于报站时采用司机手动切换，一方面增加了司机的劳动强度，另一方面由于司机的误报或漏报，造成乘客误下或漏下，对于公交运营产生了很大负面影响，跟会对乘客造成很多不必要的影响。为此，研究公交车自动报站系统是非常必要的。本课题主要研究的是基于AT89C51单片机、GPS9543LP全球定位模块和ISD1700S语音芯片的公交车自动报站系统，该系统利用GPS模块测得的经纬度信息与存储在单片机中的站点的经纬度信息相比对，无论上行线路，还是下行线路，均能准确判断是否到站。同时，采用基于文本
2、的语音合成技术，真正实现了全自动、准确地播报站名。 Abstract The public transportation has already became the general wage race and the student race went out must the transportation vehicle, at present on the public transportation uses the public transportation newspaper station system had the basic function which the pronun
3、ciation and the demonstration newspaper stood, but because the newspaper stood time used the driver manual cut, on the one hand increased drivers labor intensity, on the other hand because drivers misinformation or failed to report, created the passenger by mistake under or the mild chronic bloody v
4、aginal discharge, has had the very greatly negative influence regarding the public transportation operation, could have very many nonessential influences to the passenger.Therefore, studies the public transportation automatic newspaper station system is extremely essential.This topic main research i
5、s based on at89C51，GPS9543LP，ISD1700S public transportation automatic newspaper station system front, System that uses longitude measured information and store the GPS module in single-chip microcomputer in the longitude of sites compare information on，uplink, is also a downward line, are able to de
6、termine accurately whether arrives.At the same time, based on the text of the speech synthesis technology, truly automatic, accurate broadcast stations. 目录1 绪论.31.1 课题研究的背景及意义.31.2 报站器的动态发展趋势.31.3 设计的主要目标任务.42 方案.53 系统器件选型.63.1 AT89C51的简介.63.1.1 主要性能.63.1.2 引脚功能说明.73.2 GPS9543LP定位模块.93.3 ISD1700S语音芯
7、片.104 系统硬件研究与设计.124.1 各部分电路.134.1.1 单片机的最小系统.134.1.2 JHD162A液晶显示电路.134.1.3 ISD1700S音频输出电路及按键电路.134.1.4 GPS模块接口电路.135 系统软件研究与设计.155.1主程序流程图.155.2语音模块子程序.175.3 JHD162A液晶显示子程序.186 结论.19参考文献.20附录.21 1 绪论随着科学技术的日益发展和进步，无人售票公交车在街头多了起来，语音报站器也被广泛使用，这在相当大程度上免除了乘务人员沿途报站的麻烦，给许多不熟悉公交线路的乘客带来了方便。 1.1 课题研究的背景及意义公共
8、汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。传统由乘务人员人工报站，该方式因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。近年来，随着科学技术的日益发展和进步，微型计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。在声学领域，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得汽车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化的服务。鉴于传统公交车报站系统的不足之处，结合公交车辆的使用特点及实际营运环境，设计了一种由单片机控制的公交车自动报站系统 。公交车自动报站器的设计主要是为了弥补改变传统语音报站器必须有司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及
9、服务用语，为市民提供更人性化，更完善的服务 。1.2 报站器的动态发展趋势 公共汽车行驶在现代文明程度高的市区，它是一道流动的风景线，因而对整车外形乃至色彩都有更高的要求。作为公共汽车还要求有醒目和减少乘务人员劳动强度的电子报站器，电子显示路牌，无人售票装置，前后电视监视系统等新技术的采用也将越来越普及。公交车报站器在公交事业中占有举足轻重的地位，它直接影响到公交车的服务质量。目前公交车报站有三种方式，一种是利用GPS全球卫星定位系统的公交车报站系统，在司机座位后面隔板上，安装了一台15英寸的液晶电视和 GPS信号接收器，安装了这套设备后，公交车在语音报站的同时，通过液晶电视还可以显示到站站名
10、的字幕，这样如果没听清报站的话，通过显示屏，乘客也可以一目了然。当出现紧急情况时，调度中心将会给公交车发出相应的信息，以短信的形式传送到显示屏上，同时车载台会发出相应的提示音；驾驶员也可以通过相应的工具进行回复 。目前在美国部分城市GPS卫星定位系统已经投入使用，国内也有此类产品的研制开发，其功能强大，系统稳定，但其投资昂贵，尤其是一些中小城市无法承受。另外两种是手动电子报站和人工报站的方式，而它们都离不开司务人员，加大司乘人员的工作强度。手动电子报站一般有司机或者乘务员控制，经常出现错报，误报的情况 。城市公共交通是市民出行的主要交通工具之一。提供舒适，安全、便捷的乘车环境，对于公交企业来说
11、，不仅是应尽的责任，亦是不断追求的目标 。1.3 设计的主要目标任务本课题要求设计以公交车自动报站系统，以满足以下要求：1、具备GPS定位模块，自动记录公交车行进速度，位置，时间等信息；2、通过GSM或其他无线方式发送本车相关信息；3、到站和离站自动语音提醒；4、公交站点自动显示该路车还有多少时间到达；5、具有人机交互界面完成上述信息设定和查询。 目标是：熟悉单片机系统和了解GPS定位系统。2 方案本设计采用的方案是基于AT89C51单片机、GPS9543LP全球定位模块和ISD1700S语音芯片的自动报站系统。GPS接收模块接受GPS卫星发送的定位数据，经简单的字符串操作可分别找出GPS信号
12、中的经度、纬度以及相应的格林威治时间等定位信息。然后，将这些经纬度信息通过串口发送给单片机处理。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度计算出接收机到不同卫星的距离。同时接收到至少4颗卫星数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。整体思路是：通过按键电路和GPS定位系统输入地段信息，直接输出数字信号给单片机AT89C51进行处理，在LCD液晶频上显示当前站名信息。同时通过语音芯片输出放大后的语音信息。其结构框图如下图所示：GPS模块音频输出音频放大AT89C51扬声器LCD按键电路 3 系统器件选型本系统所用器件有：AT89C5
13、1、GPS9543LP、ISD1700S等。3.1 AT89C51的简介 AT89C单片机的结构框图如图31所示。它主要由下面几个部分组成：1个8位中央处理单元（CPU）、片内Flash存储器、片内RAM、4个8位的双向可寻址I/O口、1个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行接口、2个16位的定时器/计数器、多个优先级的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。在AT89C单片机结构中，最显著的特点是内部含有Flash存储器，而在其他方面的结构，则和Inter公司的8051的结构没有太大的区别。CPU中断控制振荡器片内Flash存储器总线控制片内RAM4I/O端口ETC定时器1定时器0
14、串行端口外部中断P0 P2 P1 P3地址/数据TXD RXD计数器输入图31 AT89C单片机的结构框图3.1.1 主要性能 1. 与MCS-51 兼容 2. 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000次写/擦循环 数据保留时间：10年 3. 全静态工作：0Hz-24Hz 4. 三级程序存储器锁定 5. 128*8位内部RAM 6. 32可编程I/O线 7. 两个16位定时器/计数器 8. 6个中断源 9. 可编程串行通道 10. 片内振荡器和时钟电路另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（
15、Power Down Mode）。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一个硬件复位为止。3.1.2 引脚功能说明AT89C51引脚图如图32所示。 VCC：供电电压。VSS：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码
16、，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部
17、八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5
18、T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时
19、， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输
20、入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 GPS9543LP定位模块目前市场上GPS模块较多，由于系统对GPS模块无特殊精度要求，出于成本考虑，选用价格相对便宜的LeadtekGPS9543LP定位模块。其定位精度10m，能满足设计要求。LeadtekGPS9543LP提供一个双列20针的对外接口。它有两组全双工的异步串行接口，便于和单片机通讯。在加电以后开始运行，其基本运行过程如下：（1）自检 加电后开始自检，通过输出通道报告自检结果，其过程将坚持RAM、Flash、接收器、实时时钟和晶体振荡器。（2） 初始化 自检完毕后，将开始卫星探测和跟踪过程。整个探测过程是
21、完全自动的。正常情况下，LeadtekGPS9543LP将用45s的时间获取定位信息（在已知星历表时只需8s），之后通过输出通道传送有效地位置、速度和时间信息。 （3） 导航探测完毕后，LeadtekGPS9543LP通过输出通道发送有效地导航信息，包括经纬度、海拔、速度、日期/时间、误差估计、卫星和接收机状态。（4） 卫星数据收集运行时，LeadtekGPS9543LP将自动更新卫星轨道数据。LeadtekGPS9543LP采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA0183通信标准格式。其输出数据采用ASC2码，内容包含纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。一条$GPGGA
22、输出语句包括17个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记（用回车符和换行符），分别用14个逗号分隔。如单片机收到以下定位信息：$GPGGA，,3002.3232，N，12206.1157，E，1，05，12.9,53.2，M，11.6，M，*4A表示使用“$GPGGA”格式语句，世界（格林威治）时间为11时46分41秒，位置在北纬30度2.3232分，东经122度6.1157分，定位有效，接收到5颗卫星，水平精度12.9m，天线离海平面
23、高度53.2m，所在地离地平面高度11.6m，校验和为4AH。从GPS版接受的数据流是文本字符串，可根据GPS输出数据NMEA0183通信标准格式所定义的各种记录语句的结构组成特点，编制程序解析其中有用的信息。由于帧内各种数据段由逗号分隔，因此在处理缓存数据时一般通过搜寻ASC2码“$”判断是否是帧头。在识别帧头的类别（GPGGA）后，通过对所经逗号个数判断当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相应处理。3.3 ISD1700S语音芯片 ISD1700S 系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，是ISD1400S与ISD2500S的升级产品。该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信
24、息管理系统，新信息提示（vAlert）,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。 特点： 可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年 两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式 可处理多达 255 段以上信息 有丰富多样的工作状态提示 多种采样频率对应多种录放时间 音质好，电压范围宽，应用灵活，价廉物美 电特性： 工作电压：2.4V5.5V，最高不能超过6V 静态电流：0.5-1uA 工作电流:20mA 可利用振荡电阻来自定芯片的采样频率，从而决定芯片的录放时间和录放音质
25、，而芯片的采样率可以通过外部振荡电阻来调节。 4 系统硬件研究与设计系统硬件电路主要包括按键电路，JHD162A液晶显示电路，ISD1700S音频输出电路和GPS模块接口电路。每块电路通过与单片机的连接组合，实现其各自的功能。4.1 各部分电路4.1.1 单片机的最小系统 AT89C51单片机的时钟电路可以由三种方式构成，即内部时钟方式、有源晶振方式和外部时钟信号方式。本自动报站系统为内部时钟方式，即采用外接晶振和电容组成的并联谐振电路， AT89C51可以工作在20MHz频率下。电路如下图所示。复位电路主要完成系统的上电自动复位和系统在运行时用户的手动按键复位功能。在本系统中采用较简单的RC
26、复位电路，单片机在上电瞬间，RST引脚端出现正脉冲，实现自动复位。经实践使用证明，其复位逻辑稳定、可靠。电路图如下所示。 4.1.2 JHD162A液晶显示电路为了能方便直观的了解到当前地段的站名和信息，显示的内容主要为16字符x 2行，字符点阵为5 x 8点，采用的驱动方式为1/16D。基本操作时序为读状态：RSL，RWH，EH ；写指令：RSL，RWL，D0D7=指令码，E高脉冲；读数据：RSH，EH ；写数据：RSH，RWL，D0D7=数据，E高脉冲 ，数码管的4，5,6分别与单片机的P2.0P2.2相连；714分别与P0.0P0.7相连，通过单片机的信息处理，从而在液晶显示频上显示各段
27、信息。4.1.3 ISD1700S音频输出电路及按键电路 ISD1700S通过按键系统和GPS模块的信息输入，在按键模式工作时，芯片可以通过/LED 管脚给出信号来提示芯片的工作状态，并且伴随有提示音，ISD1700S芯片具有语音录放功能，通过不同的数字信息输入，系统将会把先前收录好的语音通过音频放大器进行处理，最后经过扬声器喇叭播报出来。本系统兼有按键操作功能：按下 REC 键，/REC 管脚电平变低后开始录音，直到松开按键使电平拉高或者芯片录满时结束。（1）录音结束后，录音指针自动移向下一个有效地址，而放音指针则指向刚刚录完的那段语音地址。（2）放音操作：放音操作有两种模式，分别是边沿触发
28、和电平触发，都由/PLAY 管脚触发。（3）快进操作：点按一下 FWD 按钮将/FWD 端拉低，会启动快进操作。快进操作用来将播放指针移向下一段语音信息。4.1.4 GPS模块接口电路由于电源电压要求为+5.0V5%（即+4.75V+5.25V），因此模块引脚1、引脚2，引脚3均接系统的+5V电源。由于该模块无需初始化，上电后模块即可自动接收和发送定位数据，故不需要对其进行控制操作，即系统不必向GPS模块发出控制指令。另外，GPS模块工作电源是+5V，而AT89C51单片机的I/O电压为+3.3V，所以在GPS模块与AT89C51单片机之间串接27K的保护电阻。具体硬件接口电路如下图所示： 5
29、 系统软件的研究与设计 在自动报站系统的硬件电路设计与实现之后，还需要配合设计完善的程序才能完全实现自动报站系统的各项功能。在本系统中，主要设计了主程序的流程图，语音模块子程序流程图，并且简单的分析了各程序的运行流程。5.1主程序流程图主程序主要涉及各个部分子程序的调用。程序初始化后，系统出现开机界面，液晶显示频显示下一站站名。本程序主要兼有两种控制方式：按键控制和GPS接收控制。程序接收到信息后语音将自动播报到站信息，液晶显示频显示下一站，下车的指示灯亮。选择NO，则是继续行车报站，选择YES，则停止行车，终止系统。主程序流程如下图所示： 开机界面液晶显示下一站是否选择GPS模式?GPS接口
30、电路按键扫描语音播报当前到站信息液晶更新显示下一站下车指示灯亮接收GPS？按键按下？是否停止行车？NNYYYNYN结束 5.2语音模块子程序ISD1700S语音模块子程序主要是接收主芯片发送过来的音频信号，然后由P25端输出一个负脉冲信号，语音芯片内部指针指向本站点的语音段头，再由P26端输出一个负脉冲信号，经过音频放大，通过扬声器播放当前指针指向的语音段。流程图如下图所示： 开机界面P25输出一个负脉冲，语音芯片内部指针指向本站点语音段头 P26输出一个负脉冲，播放当前指针指向的语音段 结束收到信号开始是否接收信号？是否播报语音信息？NYY 5.3 JHD162A液晶显示子程序JHD162A
31、液晶显示子程序主要通过接收主程序发出的信号，将其设置输入为模式子函数形式，并初始化LCD子函数，显示定位子函数，显示字符子函数，站点信息设置及调用，最后显示站名信息。流程图如图4-3所示。 开机界面显示站名信息接收信号设置输入模式子函数LCD_SetInput()初始化LCD子函数LCD_Initial()显示定位子函数GotoXY()站点信息设置及调用结束显示字符子函数开始是否初始化LCD？YN6 结论 智能交通系统是目前世界上交通运输科学技术的前沿，智能公交系统是智能交通系统研究的一个主要方向，它的建立将最大程度地提高车、路资源的利用率，提高公交服务的质量，从而创造巨大的社会经济效益，因此
32、对智能公交技术的研究具有深远的意义。全球定位系统GPS已经广泛应用于各个领域。GPS可以确定公交车的地理位置，只要把公交站点的位置数据（经度和纬度）记录下来，就可以知道公交车是否处于进站、到站和出站状态。利用GPS实现公交车的智能报站，大大减少驾驶员的工作量，提高公交车运行过程中的安全系数，是公交智能化的重大改进。所以，本文对GPS定位、语音播放，液晶显示等技术作了详细的研究与讨论，总结如下：1）系统总体方案设计。提出了以AT89C51单片机作为主控制器的硬件总体设计方案，语音报站和信息显示同步。2）系统硬件电路设计。分析设计了各部分电路，包括液晶显示电路、音频输出电路及按键电路，GPS接口电
33、路等，实现了整个系统硬件电路的功能。3）系统软件设计。研究分析了系统主程序，液晶显示模块程序设计和语音模块程序设计等。此外，本文还对GPS在车辆定位进行了相关研究，提高系统定位的可靠性和完整性。 参考文献1 AT89C51中文资料手册EB2 ISD 1700 系列数码语音电路使用手册EB5 PT2262/2272编解码集成电路介绍EB6 孙育才.MCS51系列单片机微型计算机及其应用M.南京：东南大学出版社,2004。 7 周波,冯顽童,胡建龙等.公交车自动报站系统的设计J.四川理工学院学报：自然科学版, 2008。8张伟，孙颖，赵晶.Protel 99 SE高级应用M.北京：人民邮电出版社，
34、2007.9曹丙霞，赵艳华.Protel 99 SE原理图与PCB设计M.北京：电子工业出版社，2007。10GPS自动语音报站器. ,2005。附录 本附录主要分析设计了三个C语言程序，其中包含系统的主程序设计，液晶显示模块设计和语音模块程序设计。附录一：主程序设计公交车自动报站系统是利用GPS进行数据采集，实时解算车辆当时的经度、纬度等信息，获得公交车的实时坐标，将其与站台坐标相比较，公交车驶入站台一定距离范围内时，不用人工干预，系统自动进行报站、温磬提示等服务。如果公交车需要临时改变运营线路或更换一些语音广告信息，车载系统将方便、快捷地下载更新语音信息。若是在自动报站状态，则检测GPS信
35、息，确定公交车当前的地理位置，决定是否播放语音信息，播放哪段语音信息。主程序的流程实现如下所示：主程序代码： #include REGX52.H #include LCD1602.h #define uchar unsigned char sbit P31=P31; /无线信号接收端 sbit P24=P24; /控制快进 sbit P25=P25; /控制播放 sbit led=P10; /到站指示灯 sbit re=P30; /GPS发射端 sbit reset=P34; /语音芯片复位 char i; uchar code dis1=ZhaoHu Z ; /站点内容可更新或增加 ucha
36、r code dis2=JuYuan Z; uchar code dis3=Jin Shan; uchar code dis4=Shang Du; uchar code dis5=Shi Da ; uchar *p; void Delay1ms(unsigned int count) /延时1ms unsigned int i,j; for(i=0;icount;i+) for(j=0;j120;j+); void delay() int i,j; for(i=0;i255;i+) for(j=0;j120;j+); void send() /GPS发送 re=0; TMOD=0x02; /计
37、数器工作模式：方式2 自动再装入的8位计数器 EA=1; /允许全部中断 TH0=0xf3; /高8位计数器作为初值寄存器 TL0=0xf3; /低8位计数器初值 ET0=1; /允许计数器0的中断响应 main() LCD_Initial(); /lcd初始化 GotoXY(7,0); /显示定位 Print(43); /显示站名 GotoXY(0,1); Print(Next:); i=0; p=dis1; /初始化界面 GotoXY(6,1); /初始定位 Print(p); /初始显示 delay(); reset=0; /语音芯片复位 delay(); delay(); delay(); reset=1; P31=1; send(); /GPS发射 TR0=1; /启动计数器 while(1) Delay1ms(300); while(P31); /判断P31口是否为1,如果是则循环直到是0后往下执行 delay(); P24=0; / 从P24口输出一个负脉冲使FWD有效，指针指向下一段 delay(); P24=1; delay();P25=0; / PLAY有效，播放当前段 delay(); P25=1; if(