基于单片机设计的电子公交系统.doc

1、北华航天工业学院毕业论文 毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目： 基于单片机设计智能公交系统 作者所在系部： 电子与控制工程学院 作者所在专业： 应用电子技术 作者所在班级： 13212 作 者 姓 名 ： * 作 者 学 号 ： 201310206 指导教师姓名： * 完 成 时 间 ： 2016年 5 月 18日 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院毕业论文 目录 摘 要 - 1 第一章 绪论 - 1 1.1 GPS 卫星定位系统的概述 - 2 1.1.1 什么是 GPS - 2 1.1.2 GPS 的构成 - 2 1.2 GPS 在车辆管理系统方面的应用 - 4 1.2.1 车辆

2、GPS 定位管理系统 - 4 1.2.2 车辆 GPS 定位管理系统 - 5 1.3 GPS 在公交系统上的应用现状和前景 - 5 1.3.1 GPS 在公交车系统上的应用 - 5 1.3.2 GPS 在公交系统上的应用前景 - 7 第二章 系统设计 - 8 2.1 系统组成以及功能特点 - 8 2.1.1 调度中心功能特点 - 8 2.1.2 候车站牌功能特点 - 9 2.1.3 公交车车载设备功能特点 - 9 2.2 本次设计的内容 - 9 第三章 硬件设计 - 11 3.1 设计中用到的主要元器件介绍 - 11 3.1.1 单片机 AT89C51 - 11 3.1.2 译码驱动芯片 74

3、LS48 -12 3.1.3 七段数码显示器 -12 3.1.4 GPS 接收机 DH2000e -12 3.2 详细电路设计 -15 3.2.1 单片机的复位电路设计 -16 3.2.2 时钟电路设计 -16 3.2.3 车路编号的输入部分 -17 3.2.4 车路编号及车站号显示部分 -17 3.3 车载 部分的整机电路设计 -18 3.4 站台部分的整机电路设计 -18 第四章 软件设计 -19 4.2 系统软件的通信协议及其工作流程 -19 4.2 系统软件总体设计 -20 4.2.1 车载部分部分程序设计 -20 4.2.2 站台部分程序设计 -25 第五章 系统可靠性分析 -28

4、第六章 总结 -29 北华航天工业学院毕业论文 1 摘 要 随着 GPS 系统在各个方面的广泛应用，公交车辆也可以利用这一定位技术来进行管理。在公交车的车站站台处设立一个电子公交站牌，公交车辆根据车辆自身的位置向站台发送车辆编号和当前所在的位置，站台进行接收并在电子站牌上显示出来，以便候车乘客方便的知道自己所需要乘坐的车辆到了哪一站，进而判断候车所需的时间。 本文详细阐述了利用 GPS 技术实现公交车辆管理系统的系统设计、详细的硬件设计、软件设计等方面以及站台部分的电子站牌。具体有以下几个方面： 1车载部分的设计：车载部分以 GPS OEM 板为基础，设计公交位置数据：接收装置，以单片机 AT

5、89C51 为开发工具，将接收到的卫星信息进行相应的处理，然后把相关的数据通过无线的发射模块发送给公交站牌，同时把一些信息通过数码管直观的显示出来。 2站台部分的设计：站台部分以单片机 AT89C5l为开发工具，将接收到的信息进行相应的处理，然后把一些信息通过数码管和发光二极管直观的显示出来来。 关键词： GPS，电子站牌，单片机，信号处理，数据显示 北华航天工业学院毕业论文 2 第一章 绪论 1.1 GPS 卫星定位系统的概述 1.1.1 什么是 GPS GPS 系统 的前身是美军研制的一种 子午仪 卫星定位系统（ Transit）， 1958年研制， 64年正式投入使用。该系统用 5到 6

6、颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球 13次，并且无法给出高度信息，在 定位精度 方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS 系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及 子午仪 系统存在对 潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的 卫星导航系统 。 为此，美国海军研究实验室（ NRL）提出了名为 Tinmation 的用 12到 18颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划，并于 67年、 69年和 74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了

7、原子钟计时系统，这是 GPS 系统精确定位的基础。而美国空军则提出了 621-B的以每 星群 4到 5颗卫星组成 3至 4个星群的计划，这些卫星中除 1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道，该计划以伪随机码（ PRN）为基础传播卫星测 距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的 1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是 GPS 系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1973年 美国国防部 将

8、2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（ JPO）领导，还将办事机构设立在 洛杉矶 的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳 大利亚的代表。 1.1.2 GPS 的构成 北华航天工业学院毕业论文 3 空间部分 ： GPS 的空间部分是由 24 颗工作卫星组成，它位于距地表 20 200km 的上空，均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗），轨道倾角为55 。此外，还有 4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任 何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续

9、的全球导航能力。 GPS 卫星产生两组电码，一组称为 C/ A 码（ Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ；一组称为 P 码（ Procise Code 10123MHz),P 码因频率较高，不易受干扰， 定位精度 高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。 C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。 地面控制部分 ： 地面控制部分由一个主控站 ,5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象 数据，经过初步处

10、理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。 用户设备部分 ： 用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪 的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出 卫星轨道参数 等数据。

11、根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。 GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采卫星 北华航天工业学院毕业论文 4 用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换 外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失。各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。 1.2 GPS 在车辆管理系统方面的应用 随着我国城市建设规模的

12、扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调度，各种车辆特别是特种车辆的指挥和安全管理已成为交通系统中的一个重要问题。 GPS 定位技术的出现给车辆的导航定位提供了具体的实时的定位能力。通过车载 GPS 接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。车载电台将 GPS 定位信息发送给调度指 挥中心，调度指挥中心便可及时掌握备车辆的具体位置，然后从和 GPS 相结合的电子地图上直观的显示出来。目前，用于公安、交通系统的主要有：车辆 GPS 定位和 GPS(地理信息系统以及无线通信系统相结合的综合的车辆的指挥管理系统；应用 GPG 差分技术的指挥管理系统；用于城市公交车辆管理管理的“基于 GPS 技

13、术的公变电了站牌系统”等等 1.2.1 车辆 GPS 定位管理系统 该系统的典型的应用的示意图如下： 车辆 GPS管理系统示意图 北华航天工业学院毕业论文 5 车辆 GPS 定位管理系统主要由车载 GPS 自主定位，结合无线通信系统对车辆进行调度管理和跟踪足。已经研制成功的如车辆伞球定 位报警系统，警用 GPS指挥系统等。分别用于城市公共汽车调度管理，风景旅游区车船报警与调度， 海关、公安、海防等部门对车船的调度与监控。 1.2.2 车辆 GPS 定位管理系统 若采用一般差分 GPS 技术，每辆车上都应接收差分改证数，这样会造成系统过于复杂，所以实际应用中多采用集中差分技术。 工作原理：每辆车

14、都装有 GPS 接收机和通信电台，监控中心设在基准站位置，坐标标精确已知。基准点上安装 GPS 接收机，同时安装通信电台、计算机、电子地图、大屏幕显示器等设备。工作时，各车辆上的 GPS 接收机将其位置、时间和车辆编号等信 息一同发送到监控中心。监控中心将车辆位置与基准站 GPS定位结果进行差分求出差分改正数，对车辆位置进行改正，计算出精确坐标，经过坐标转换后，显示在大屏幕上。 这种集中差分技术可以简化车辆上的设备。车载部分只接收 GPS 信号，不必考虑差分信号的接收。而监控中心集中进行差分处理，显示、记录和存储。数据通信可采用原有车辆通信设备，只要增加通信转换接口即可。 由于差分 GPS 设

15、备能够实时地提供精确的位置、速度、航向等信息，车载GPS 差分设备还可以对车辆的各种传感器 (如计程仪、车速仪、磁罗盘等 )进行校准工作。 1.3 GPS 在公交系统上的应用现状和前景 1.3.1 GPS 在公交车系统上的应用 现介绍一种幽外公交营运系统，该系统分为 ON LINE(在线系统 )和OFF-LINE(非在线系统 )两种。基本功能如下： 北华航天工业学院毕业论文 6 （一） ON L 州 E(在线系统 ) 1 实时监控车辆状况 (发车次数、行走线路、驾驶速度等 )； 2 实时调度营运车辆 (要求快行、慢行、临时改变线路等 )； 3 24 小时防盗防劫报警 (此信息显示在监控中心控制

16、室监视屏幕上 )； 4 驾驶员身份识别 (设置驾驶密码，经确认后方可开启 )； 3 自动语音报站 (可同时显示站名、停车时间等 )； 4 自动广告播发 (语音、文字同步 )； 5 自动乘客计数 (上车和下车单向、双向均可 )； 6 自动生成相关数据 (行驶路线、行驶公里数、出车次数、驾驶时问、有无超速驾驶、有无违章停车等信息数据 (二万个记忆点保存时间为一个月。信息数据：内容可自行设定 )。 该系统将车载 GPS 所采集到的信息数据经过 GPRS 或 GSM无线通讯网传送至企业 GPS 中心控制室或专业服务公司的 GPS 中心控制室。 (二 )0FF LlNEE(非在线系统 ) l驾驶员身份识

17、别 (设置驾驶密码，经确认后方可开启 )； 2 自动语音报站 (可同时文字显示站名、停车时 间等 )； 3 自动广告播发 (语音、文字同步 )； 4 自动乘客计数 (上车和下车单向、双向均可 )； 5 自动生成相关数据 (行车路线、行驶公里数、出车次数、驾驶时问、有无超速驾驶、有无违章停车等信息数据 (二万个记忆点保存时问为一个多月。信息数据内容可自行设定 )。 该系统将车载 GPS所采集到的信息数据经过有线读数器或无线读数器 (40米以内 )进行采集，然后由分公司或线路调度室通过互联网将信息数据传送给企业GPS 营运管理中心。也可直接将读数器的数据储存卡直接送到企业 GPS 营运管理中心读取

18、数据。 该 GPS 公交营运系统可升级应用 的功能还有： 1、燃油储存量豁摔报警； 2、轮胎气压监测报警。外观精致、安装容易、维护方便。使用过程中，不需驾驶员的任何操作动作，这样，可使驾驶员集中精力、安全行车。它是专为全球公交营运企业设计的高科技专业产品，且已在国外成功应用。也是现代公交营运企业有效提高服务形象、科学提升管理平台、全面获取企业效益的最佳产品。 我国有的城市已经开始在一些公交车辆上尝试应用这一技术，并且取得了比较满意的效果。 基于 GPS 系统的先进的智能系统，能确定车辆所在的地理位置，通过通讯网络 (中国移动的 GPRS)向监控调度台发送相关信息 ，同时在电子地图上显示车北华航

19、天工业学院毕业论文 7 辆全日的运行情况。 调度台则可根据实际情况和管理需要，向车辆的车载终端发送调度指令，指挥车辆运行，并通过电子站牌、 LCD 屏幕向乘客显示线路号码、北京时间、本班次及下班次的车号、发车时间和所经站点等。公交车上的 GPS 自动报站系统还可以自动检测车辆的行驶站点位置自动报站或预报站，运用车上的语音系统用向乘客发送服务信息。此外，该系统还会自动生成每日的行车记录。 如果将来全面实现运用 GPS 智能调度系统，某公交车在何处堵塞、抛锚，哪台车开得太快，哪台车开得太慢等情况都能在电脑上显示，公交公司的 调度人员便可根据路面的实际情况采取措施灵活调度，使发车间距更均衡，确保线路

20、畅通。 1.3.2 GPS 在公交系统上的应用前景 汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几个发达国家的汽车保有量已有数千万辆。 车载 GPS 导航设备在应用上的发展方向，应当着重多卫星系统、远离监控以及多功能显示等几个方而。使用多卫星系统，如 GNSS 系统，进行导航定位时，由于卫星多可以保证争辆实时定位的精度与可靠度。 对于用于调度指挥的监控系统来说，监控中心与其管辖的车辆之间由于无线通信电台的功率有限，其作用 距离仅几十公里。增大监控作用距离，应当解决远距离通信问题。例如增加通信中继站，延长作用距离，利用广播或卫星通信方式使监控范围覆盖更广的地域。监控系统的功能

21、应当是多方面的。例如语音传输、视觉图象传输以及各种命令和车辆周围环境的情况录入存储等。可以说， GPS导航定位在公交、交通系统中的应用前景是非常广阔的。在开发车辆导航应用的同时，也将带动与其相关的通信技术、信息技术、控制技术、多媒体技术和计算机心用技术的发展。 北华航天工业学院毕业论文 8 第二章 系统设计 公交车辆 GPS 监控管理系统集差分 GPS 技术、无线通讯技术、计 算机技术和自动控制技术于一体，是一个集成度高、技术含量高的系统。公安部门可在调度中心实时监视所有受控公交车的运行情况，包括各公交车的当前位置、行驶速度、行驶方向及运行轨迹等，同时监控人员可随时对各公交车发布命令进行控制，

22、如要求减速保距、加速保距等；另外，通过设在各候车站台电子显示设备实时显示的最近一班公交车的各种信息，乘客可准确知道等待时间，从而大大方便广大乘客。 2.1 系统组成以及功能特点 系统由调度中心、候车站牌、车载设备等部分组成。基本功能应具有自动报站、信息显示示、动态调度、数据采集、故障报告、位 置显示、资料查洵、数据统计等。 2.1.1 调度中心功能特点 l监控调度功能 通过设在调度中心的图形机上的全市地图，中心调度人员可实时监视所有受控公交车的当前位置、运行轨迹、行进速度及方向等信息，中心调度人员还可直接对受控的某辆、某几辆或全部公交车进行调度。 2 数据自动存档功能 中心控制机具有信息自动存档功能，以备查用，系统可存贮连续 6 到 9 个月的信息。 3 数据复现功能 调度中心允许用户对以前任意时间段的所有或部分信息进行复现，复现时不会影响系统对现有车辆的监控。 4 电子地图显示功能