公共交通报站系统的设计.docx
《公共交通报站系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《公共交通报站系统的设计.docx（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
公共交通报站系统的设计
毕业设计（论文）
题目：
公共交通报站系统的设计
子题：
专业：
自动化指导教师：
王启林
学生姓名：
赵闻聪班级-学号：
自动化081-21
2012年6月
大连工业大学本科毕业设计（论文）
公共交通报站系统的设计
Thedesignofannouncementsystemofpublictransportstation
设计（论文）完成日期2012年6月5日
学院：
信息科学与工程学院
专业：
自动化
学生姓名：
赵闻聪
班级学号：
自动化081-21
指导教师：
王启林
评阅教师：
2012年6月
摘要
在这个物欲横飞的大千世界里，科学技术与信息技术的迅猛发展毫无疑问成为了这个世界的主宰者。
它推动着人类社会的不断进步，在优胜劣汰、适者生存的激烈竞争环境下，时间又是毋庸置疑的捍卫了各国各个竞争领域里的巨擘地位。
而交通的发达与否却最大化地体现了节省时间，创造更多利润是高速发展的关键性因素。
所以，近几年各国交通发展情况在国民建设中占据了主导地位。
对于人口众多的我国来说，公交车的建设更是重中之中。
为此，本文将设计一个采用GPS卫星定位系统为主，按键报站为辅、LED显示文字报站、语音报站，其中电源采用太阳能电池板充电电池为辅助电源的全方位报站系统。
本文采用由美国Atmel公司生产的AT89C52单片机最小系统电路设计、采用U-BLOX公司生产的LEA-5S为芯片的GPS模块、16×96的点阵式LED显示模块、采用ISD4004芯片的语音报站模块进行比较、选型、介绍及论述。
硬件电路及软件流程图设计采用微软推出的一款办公图设计软件Visio手工绘制各模块电路原理图。
软件采用51开发软件KeiluVision4进行软件编译与调试，然后使用STC_ISP_V479软件将所编程的程序烧制到的单片机中。
最后通过对大量信息、文字、数据调研，进行了深入的比较和分析，并进行了深刻的总结，提出了客观的可行性构想。
关键词：
GPS卫星定位；按键报站；LED动态显示；语音报站
Abstract
Thismaterialdesiresdashingworlds,therapiddevelopmentofscienceandtechnologyandITwillnodoubtbecomeamasterofthisworld.Promotethecontinuousprogressofhumansociety,thesurvivalofthefittest,survivalofthefittestofthecompetitiveenvironment,timeisnodoubtdefendthegiantstatusinvariouscountriesinthefieldofcompetition.Trafficdevelopedornot,buttomaximizeembodiedsavetime,createmoreprofitisthekeyfactorinthehigh-speeddevelopment.Inrecentyears,thesituationofnationaltransportdevelopmentinthenationalconstructionoccupiesadominantposition.ForalargepopulationofChina,theconstructionofthebusheavyusers.InthispaperthedesignofaGPSsatellitepositioningsystem-based,supplementedbythebuttonstoptextstop,voicereportingstations,whichpowersolarpanels,rechargeablebatteriesasauxiliarypowersupplyofthefull-stopsystem,LEDdisplay.UsedbytheUnitedStatesAtmelCorporationAT89C52microcontrollerminimumsystemcircuitdesign,theproductionofU-BLOXLEA-5SGPSmoduleofthechip,16×96dotmatrixLEDdisplaymodule,thevoiceoftheISD4004chipstopmodulecomparison,selection,presentationanddiscussion.HardwarecircuitandsoftwareflowchartdesignwithMicrosoft'slaunchofanofficediagramdesignsoftwareVisiohand-paintedeachmodulecircuitschematicdiagram.Thesoftwareusesthe51developmentsoftware,theKeiluVision4softwaretocompileanddebug,andthenuseSTC_ISP_V479softwareprogramtoburntoprogrammingmicrocontroller.Finally,alotofinformation,text,data,research,carriedoutin-depthcomparisonandanalysis,andaprofoundsummaryofproposedobjectiveofthefeasibilityofvision.
KeyWords：
GPSsatellitepositioning;buttontostop;LEDdynamicdisplay;voicestop
第一章绪论
1.1选题的背景及其研究意义
1.1.1选题背景概述
随着文化的进步，科技的发展，越来越多的技术日新月异，而智能化交通无疑是各个国家十分重视的一个层面。
对于人口具有绝对优势的我国来说，更是一个首要的棘手问题。
因为，交通是各个行业飞速发展的一个重要核心纽带，它关系到各个发展领域的稳步上升或急速下降。
所以，我国在交通层面花费了大量的资金以及人力物力，志求交通的顺利畅通稳步发展。
而毫无疑问，公交车作为目前国内客运量最大的交通工具，它的安全性以及舒适度关系到大多数人的切身利益。
现如今，社会环境污染问题却日益严重，每年的6月5日为世界环境日，4月22日为世界地球日，，由此可见人类对环境污染的问题随时间的流逝越来越重视。
而在城市中，来自各种机车的尾气污染成了污染环境的罪魁祸首，因此，很多国家发出倡议，通过乘坐公共汽车出行以减少污染的机会，有的国家甚至专门规定某一天为禁止机动车日，以此来督促人们，告知人们环境污染的严重性。
由此可观，未来的公共汽车将成为现代城市生活中的权威主宰者，而且无人售票的公共汽车成为大势所趋的发展态势方向。
近几年，我国城市交通的现状已经受到了社会各界、政府、公众的重点关注，在吸纳了多个国家的城市交通状况的基础上，相关的专家、学术人士与交通层面的工程师们找到了一例针对我国城市交通状况的高效方式，那就是开发非农村公共交通作为首要的发展对象，以公共交通为支点的方式来削弱城市交通的总需求量，从而达到交通需要增长与公路交通基本设备开发的均衡体质的目的。
此外，公交车司机禁止拒载成为了公交公司的新行规定，由于乘客在上下班的高峰期普遍乘车愿望高，公交车超载的情况成为家常便饭，再加上规范上下车的意识不够完善，所以促成意外的几率直线上升，空前的危险。
公交公司在公交车行驶的过程中，很难对公交车进行实时的监控及管理，这就意味着公交车超速行驶的情况难免会时有发生，从而乘客们的安全问题极为严重的受到了威胁。
乘客在公交上识站艰难，因乘客太多，在行车途中容易看不到站地名称或者对下车站点不熟悉而错过站点，不了解时间及车内温度情况，甚至会因为为了得知实时时间而掏出手机致使露财被盗，乘车舒适度大幅度降低的种种情况的时有发生。
1.1.2项目的研究意义
近年来，在公交优先战略确定的基础上，公交将缓解城市交通拥堵压力的作用显现的愈加淋漓尽致，同这样的需求相比较，在我国大城市中，公共交通的体现还差之甚远，其主要的表现为：
支持社会服务信息的贡献少，仅仅是以经验为主的非主动、滞后的非针对性服务，仍然以人工为主导作业方式。
上述症结显而易见不利于公交对乘客眼球的吸引，与此同时也是致使公交公司采用低效率企业管理、过时老旧的调度方式、落伍的公交运营组织模式的重要原因。
为此，如何尽快、高效率提升公交系统的服务质量，是现代公交行业棘手的首要问题。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外发展状况
目前，八大无线产业之一的GPS为代表的卫星导航应用产业，已成为目前国际公认的主导产业。
伴随应用需求的递增、技术的前进，GPS以自动化、高效率、全天候、高精度等突出明显特点及其独具匠心的授时校频、精密勘测、定位导航等多方层面的强悍功能效果，已在各个应用领域中占有一定地位，促成GPS毋庸置疑地坐稳在互联网和蜂窝移动通信后的全球IT经济新增长点的第三把交椅。
在公交车市场中，具有GPS定位功能的公车潜力虽不可小觑，但就现阶段来说，几项障碍仍是当务之急：
首先，无论公交车采用的是外接GPS模块或内建GPS芯片充当处理办法，将不可避讳地抬高公交车成本，同时也阻碍了买家承包的想法；目前具有供给无线通信技术与统筹GPS芯片的公司寥寥可数，且大型公交车制造公司是否有想法采用现有的处理办法，或是另外自行研发仍是遥不可及。
在近20年的发展历程中，GPS产品已慢慢转型为电子消费产品，且能够应用的领域已扩展到居家生活中的定位信息、通信、PDA等。
然而，从现阶段发展可观，由于GPS模块的市场应用服务、价格以及单芯片化技术等未达成成熟的标准，因此，从客观地看待这个市场发展角度上，例如在技术角度的GPS的IC设计是否能真正做到公交车或PDA真实需要的最小体积、成本是否能下降和内建的GPS新公交车系统能否受到消费者的更多关注等一系列问题，仍需要缜密地深入评估、调查、解决。
1.2.2国内外发展状况
目前，我国国内的GPS市场主要承载两个重点发展趋向态势。
（1）车载导航将成为主要纽带的服务系统、管理与移动目标监控。
在GPS应用层面，车辆应用所占的比重愈大。
最早的GPS车辆应用一般分成车辆导航和车辆跟踪两大主体。
但当摩托罗拉公司发表的跟随一体机与车辆导航车辆的信息系统后，它就主宰了此层面的主体方向。
GPS车辆定位监控系统主体上有中心进行监控和自行导航应用的两种方式。
车辆监控系统是将无线通信技术、地理信息系统技术和GPS技术集于一体的综合车辆管理体系。
大多数行业用户的车、船队监控，均应用中心监控方式，其中，系统由安装在移动车辆上的子站、位于监控中心的主站和监控中心等3方面构成。
系统工作原理可阐述为：
安装在车辆上的GPS接收机将收到的卫星信息计算出车辆的当前位置作为依据，GPS接收机输出的信号被通信控制器提取需要的位置、速度和时间信息，结合车辆本身信息等信息转化为数据包，然后通过无线信道向控制中心发送。
子站发送数据到控制中心的主站，主站并从中提取出定位信息，依据各车辆的组号和车号等，在监控中心的电子地图上表现出来。
同时，出自控制中心的系统管理员能够查询各车辆的运行状态，依据车流量做出合理调度车辆的安排。
（2）面向个体消费者的GPS终端产品。
针对于芯片的减小体积与耗电量、降低生产成本、缩小化技术等利好因素，使GPS产品走下神坛、走进老百姓的日常生活起居当中。
目前针对个体消费者的产品主要有：
非固定监控终端、消费电子产品以及车载自动导航系统。
通过集成了地理信息系统数字地图和GPS芯片的移动通信手机、GPS相机GPS手持机、甚至GPS手表等，另外还有基于掌上微型电脑和笔记本等移动装备的外接（GPS接收机）式与插卡（CF卡式GPS接收机）式等集成产品。
近几年，我国在公交车事业上投入了不少的精力，力求完善公交事业。
但公交车的管理、维护及服务等方面始终存在着一些不容易修改的漏洞。
司机不仅要集中精力，安全驾驶，还需要一直负责人工手动报站和开门，致使其本身注意力被分散，而造成行车意外指数升高。
司机师傅驾驶时还要对道路的情况进行实时观察，对车内乘客人数不能做到实时监控。
由于我国发展智能运输层面的初始级别较差，因此理论方面的探究虽仍在进行，但相关技术却得不到拓展。
促使在百姓生活中得不到运用，达不到开阔的服务社会的目的。
为此，开发一个自行报站的系统，是提升公交服务质量成为为民用科技研究项目的当务之急。
近几年，GPS定位车载智能系统已经在国际上有所实现，国内的几个大城市也都有所运用，将公交系统的全面监控、调度实现的十分全面。
除此之外，研究公交车的自动报站系统项目也达到了全自动报站，无线联络的水准。
但一般其资金投入甚高。
针对我国现有的公交系统状态，还有很大的应用空间的发展在半自动化报站系统的研究层面，其产品适应用于一些中、小城市。
近几年，应用全球定位系统（GPS）进行公交车报站系统的设计成为一个炙手可热的课题。
GPS卫星定位语音报站系统不仅具备定位精度极高，自行预报、播报等特色，还能拥有给驾驶员限速行驶提示的作用，并且能有效的提升公交服务质量和安全系数，是优点不计其数的一个新型系统。
1.3论文研究内容及组织结构
本文的组织结构如下：
第一章阐述了本次选题的研究背景与意义以及此项研究在国内的发展状况。
第二章介绍了公共交通报站系统总体方案的设计及关键性器件的选择。
第三章具体讲述系统硬件部分的模块设计，以及实现的功能介绍，并给出了各模块的主要接口电路图，为公共交通报站系统的实现提供了硬件支持。
第四章具体讲述软件部分设计。
第五章对软件系统仿真与调试分析
第二章公共交通报站系统总体方案设计
2.1系统的整体组织结构
图2.1报站系统的整体结构图
首先，需要将站点的名称信息、提示语和广告语存入公交自动报站系统的外扩展存储器当中，公交自动报站系统上电工作之后，先检查是自动报站工作方式还是手动按键报站工作方式。
当系统工作在自动报站方式时，公交自动报站系统接收GPS的信息，其中包括时间、地理位置、速度和方向等信息，GPS通信遵循NMEA0183协议，公交自动报站系统按照协议提取有用信息，根据公交车的实时运行信息，进行上行、下行判断，并准确播报报站信息、广告及提示语，在LED点阵显示，并通过音频输出电路播放出来。
如果是按键报站方式，则由司机直接控制键盘控制显示和语音播报信息。
全套系统的供电电池由蓄电池和太阳能储能电池共同供电，白天由蓄电池供电，太阳能储能电池蓄电，夜间由太阳能储能电池供电。
2.2报站系统的关键性器件选择
2.2.1GPS模块的选择
A．芯片模块选择
经过网上调研及大量查阅工作，最后筛选出以下3家公司的芯片产品：
1、U-Blox
瑞士U-Blox的GPS模块市场占有率是全球第一，GPS领域技术最好，芯片的设计、研发、生产都是自己做的。
性能和质量方面,U-Blox的自主性比价好。
图2.2LEA-5芯片
2、Fastrax
芬兰Fastrax模块采用美国Sirf，uNav，日本Sony三家的芯片，是Sirf公司的战略合作伙伴。
图2.3IT3芯片
3、天工
国内的比较好GPS模块的是天工测控，他采用Atheros和mtk的芯片。
图2.4SKG17-A1芯片
针对以上厂家典型产品比较如下：
表2.1各产品芯片重要数据参数比较
各品牌名称
u-blox
Fastrax
天工测控
典型产品
LEA5S
IT03-S
SKG17-A1
芯片组
u-blox
uNav（被Atheros收购）
Atheros
代理商
飞扬科技
铭之光电子
天工测控
价格
样片：
180元
批量：
110元
150元
70元
批量更便宜
启动时间
冷、温启动29S
热启动<1S
冷、温启动34S、33S
热启动<1S
冷、温启动36S、33S
热启动<1S
捕获灵敏度
-160dBm
-141dBm
-159dBm
追踪灵敏度
-160dBm
-156dBm
-146dBm
通道数目
50
12
32
最大更新速率
4Hz
1Hz
1Hz
功耗
小于50mW
95mW
大于50mW
定时精度
50ns
50ns
60ns
接口
UART、SPI、USB
UART、SPI
UART
工作温度
-40°C—85°C
-40°C—85°C
-40°C—85°C
稳定性
设计16年24小时稳定工作
无说明
无说明
根据这两天资料的收集，Fastrax的模块比较贵，从后续技术和服务支持考虑u-blox比较不错，从价格角度考虑天工测控的比较不错。
从上述表格数据和综合方面考虑，我们这里选择u-blox的LEA5S产品。
B．GPS天线单元选择
天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，如图2所示。
其基本功能，是接收GPS卫星信号，并把卫星信号的能量转化为相应的电流量，经过前置放大器，将微弱的GPS信号电流予以放大，送入频率变换器进行频率变换，以便接收机对信号进行跟踪和量测。
图2.5天线单元基本结构
a对天线的要求
（1）天线与前置放大器一般应密封为一体。
以保障其在恶劣的气象环境中能正常工作，并减少信号损失。
（2）天线均应成全圆极化。
使天线的作用跨度为所有上半球，在天顶位置不形成死角，以保证能收取来自苍天其他方向的卫星信息。
（3）天线一定要实施恰当的保护和屏蔽措施。
以最大程度地削弱讯号的多路径效果，防止信号被干扰。
（4）天线的相位中点和几何中点区间的差异应达至最小，并且保证平稳。
由于GPS测量的观测量，是以天线的相位中心为准的，而在作业过程中，应尽可能保持两个中心的一致性和相位中心的稳定。
b天线的类型
目前，GPS接收机的天线有多种类型，其基本类型见图3所示。
图2.6天线类型图
（1）单极天线。
这种天线属单频天线，具有结构简单，体积小的优点。
需要安装在一块基板上，以利于减弱多路径的影响。
（2）螺旋形天线。
这种天线频带宽，全圆极化性能好，可接收来自任何方向的卫星信号。
但也属于单频天线，不能进行双频接收，常用作导航型接收机天线。
（3）微带天线。
微带天线是在一块介质板的两面贴以金属片，其结构简单且坚固，重量轻，高度低。
既可用于单频机，也可用于双频机，现如今大多数测量型天线基本上都属于微带天线。
这样类型的天线其实相对来讲更匹配飞机、火箭等这样类型的非低速的飞行物体上。
（4）锥形天线。
这类型天线是处于介质锥体上，应用印刷电路方法炮制为导电圆锥螺旋表面，也叫做盘旋螺线型天线。
这类型天线可一起在2个频道上工作，主要优点是增益性好。
但由于天线较高，况且这种类型的天线在水平方向上并非对称，因此天线的相位中心与几何中心不全部一致。
所以，在安装时要缜密规定方向，使之得以补偿。
（5）带扼流圈的振子天线，也叫作扼流圈天线。
这类型的天线的主要优点是，可以有效地抑制多路径误差的影响。
但目前这种天线体积较大且重，应用不普遍。
锥形天线
图2.7锥形天线与带扼流圈天线
图2.8卫星定位原理图
2.2.2显示及驱动电路选型
我们大家都知道的用来作为显示的器件有很多。
比如数码管、LCD、点阵式LED。
数码管只能显示数字，LCD可以显示汉字、符号、数字和图形。
虽然LCD的显示效果要比LED好，显示电路也比较简单（很大一部分已经集成化）。
但是它的价格比较高，也不容易采购。
所以综合考虑生产成本，本系统采用点阵式LED显示。
它具有以下优点：
1、价格比较便宜
2、容易扩展显示比较多的汉字
3、显示汉字效果好，广泛用于广告显示屏，交通屏幕。
通常情况下，点阵式LED显示屏是由标准的LED显示模块组成的。
2.2.3语音模块的选型
2.2.3.1型号对比
表2.2部分ISD型号参数对比一览表
2.2.3.2所选型号简述
图2.9isd4004芯片实物图
本文将会以ISD4004型号的语音芯片作为本系统的语音模块的主导芯片。
它的工作电压通常为+3V，不仅音质效果良好，并且在单片录放的时间为8至16min，多适合用于可移动电话和其他便于放置的电子系列产品中。
芯片则会使用CMOS的技术，内部包含音频的放大器、平滑的滤波器、防混淆滤波器、振荡器、自动静噪及高密度多电平闪烁储存陈列。
该芯片的主要设计是微控制器必须控制所有操作，串行通信接口用来送入操作命令。
其中，芯片一般多使用非少电平的非间接模拟量的存储技术，并且直接在片内闪烁存储器中存储每个采样值，所以实时的、自然地显现了音乐、音调、语音和效果声，从而解决了一般固体录音电路因压缩和量化所造成的金属声和量化噪声的弊端。
频率越低，录放时间就越长，其中采样的频率可以是4.0，5.3，6.4，或者8.0KHz，而音质却有所下调，闪烁存储器中多存储片内信息，断电情况下，可以保存一百年，并且通过了录音十万余次的测试。
第三章公共交通报站系统的硬件设计
3.1单片机最小系统的设计
3.1.1AT89C52芯片介绍及引脚功能介绍
3.1.1.1芯片介绍及性能参数介绍
AT89C52是美国ATMEL工厂生产的非高电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可来回擦拭撰写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL工厂的非低密度、不易丢失性储存技术研发，与标准MCS-51指令环境及8052产品引脚匹配，在片内安装通用的8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
AT89C52单片机匹配于许多非简单的控制应用场合。
主要性能参数：
a．与u19982XMCS-51产品指令和引脚完全兼容
b．8k字节可以来回擦拭撰写Flash快速存储器单元
c．1000次擦拭撰写循环时间
d．u20840X静态操作：
0Hz－24MHz
e．三级带密码代码存储器单元
f．256×8字节内部RAM
g．32个可编程I／O口线
h．3个16位定时／计数器
i．8个中断源
j．u21487X编程串行UART通道
k．u20302X功率损耗空闲和断开电流模式
3.1.1.2各引脚功能及第二功能介绍
图3.1at89c52单片机接口图
P0口：
P0为一个以八个漏极开路方式的两向I/O口，即总线复用口。
使用的输出端口，每口能吸取电流驱动八个TTL逻辑门电路，在输入非“0”时候，可充当为高阻抗输入端口使用。
这些访问外部数据存储器或程序存储器口线分时转换地址（8）和数据总线复用，内部上拉电阻，在访问期间激活。
F
升级会员 