1、本 科 毕 业 设 计智能公交无线报站系统（移动端）所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要伴随着我国社会经济的发展、人们生活、工作节奏的加快，城市化进程的加快，公共交通面临的压力日渐增大，公共交通服务质量的问题也日渐凸显。如何快速、准确、及时的将公交车行驶信息传递给乘客，是公交车服务质量提升的一个重要方面。公交车的发展历史距今已有 180 多年了。公交车经历了一系列的变化，更新。目前, 国内公交车比起以往的报站方式已经有了很大的改善。采用 GPS 和 GSM 相结合的智能报站系统可以大大减轻驾驶员的工作量，促进公交系统的现代化进程。本文构成
2、主要有 51 单片机、语音芯片、液晶模块以及 GPS 和 GSM 无线数据收发模块。单片机选择 STC89C51 系列的单片机，该单片机最大的好处可以在线编译，而且储存容量大。语音芯片采用 ISD1720 语音芯片，该语音芯片功能强大，功耗低，能录能放，适合本系统的语音实现功能。液晶模块 OCMJ12232C_1，该模块是 C 系列中的一种模块，存储容量大。GPS 模块和 GSM 模块分别采用 MD 和 TT53 收发模块。这些模块组合起来功能齐全，对本设计对实现全自动语音报站系统设计出了一套完整的方案。关键字：GPS；单片机；GSM ；语音芯片；LCDIIAbstractWith China
3、s social and economic development, people living and working rhythm speeding up, the acceleration of urbanization, public traffic pressure increases, growing public transport services quality problem also increasingly prominent. How fast, accurate, timely will drive information to a bus passengers,
4、is a bus service quality is an important aspect of ascension. The development history of public buses 180 years dating. The bus has experienced a series of changes and update. At present, the domestic bus stops compared with the traditional way of has greatly improved. Using GPS and GSM combination
5、of intelligence can greatly reduce the driver stops system workload, promote the modernization process of public transport system. This article 51 single-chip, a major speech chip, LCD module and GPS and GSM wireless date transceiver module.STC89C51 series of single-chip microcontroller choice, the
6、microcontroller biggest advantage can compile and storage capacity online. Voice chip adopt ISD1720 pronunciation chip, this voice chip powerful, low power consumption, can record for the system can put, the speech function. LCD module OCMJ12232C_1, this module is C series of a module, storage capac
7、ity. GPS module and GSM module used respectively MD and TT53 transceiver module. These module combined functional, for realizing automatic speech this design stops system design out a complete set of solutions. Key Words:GPS；microcontroller；GSM；pronunciation chip；LCDIII目 录引言 .1第 1 章 GPS 系统的概述与定位原理 .
8、21.1 GPS 概述 .21.1.1 GPS 与无线公交服务系统的关系 .21.1.2 GPS 车辆定位的优点 .21.2 GPS 定位的基本原理 .31.2.1 GPS 定位的基本概念 .31.2.2 GPS 定位的基本定位原理方程 .31.2.3 位置预测 .41.3 小结 .5第 2 章 智能公交无线报站系统移动端的硬件设计 .52.1 无线报站系统移动端设计概要 .52.2 主要模块分析 .62.2.1 基于 STC89C58 单片机设计 .62.2.2 语音模块 .72.2.3 无线模块 .92.2.4 LCD 显示模块 .112.3 小结 .12第 3 章 无线报站系统移动端软件
9、设计与研究 .133.1 总体流程图 .133.2 GPS 数据的选择和处理 .143.3 各个模块程序的设计 .15小结 .23致谢 .24参考文献 .25附录 1 原理图 .26附录 2 总程序 .271引言公交车辆作为现在市民出行的主要交通工具，其服务质量越来越受市民的关注。从国外公交发展经验来看，在一些大城市，特别是特大城市对公交的人性化越来越看重。但公交优先发展会带来政府补贴，财政投资等大量增加，最近一些公交企业都存在着财政不足，收益差等问题。近年来，随着人民生活水平的提高，机动车数量也随之增长迅猛。截止去年 6 月底，我国的机动车保有量已达 1.89 亿辆，全国公交车也已接近六十万
10、辆，公交企业超过了一千家。但是也暴露了一连串问题，在机动车需求量快速上升的同时，带来的却是土地资源的匮乏，道路严重堵车，大量的排气严重污染着环境，大多数城市人口的高度集中以及城市道路的供给不足，从而决定了我国未来大城市客运交通的发展，并且只能走智能化公交之路。如何更好地发展与管理城市公交，实现其社会效益最优化，并最大限度地提高公交企业管理水平、减少政府补贴，成为目前面临的现实问题。现有公共交通的运行状况，找出存在的问题及可能发挥的潜力，把握公交发展总体趋势，可以为公交进一步发展提供规划、建设、管理等方面的依据，对整个城市的交通管理系统将起到积极的促进效果。所以，我们必须建立一套科学、实用的智能
11、公共交通发展新体系。利用全球定位系统（GPS）进行无线公交报站系统的设计是近几年来的趋势。GPS 全球定位智能报站系统不但具有准确定位、智能报站等特点，而且还能通过这个进行行驶限速的警示，更能彻底的提升公交的服务质量，同时也降低了公交的安全隐患。在公交上安装 GPS 定位系统和GSM 收发系统后使公交总体发展水平更进一步了。某种程度上对于市民和道路监管部门都有一定的益处，使其社会效益达到最优化。同时监管部门也可以通过 GPS 随时随地知道公交车所处的位置以及航线和速度，并可通过 GSM 短信方式传输数据，实现公交调度与站点进行联系，大大提高了公交管理水平。早在 1831 年，一个叫沃尔特汉考克
12、英国人制造出了世界上装有发动机的第一辆公共汽车开始，至今为止公交车经历了一系列的变化，更新。目前, 国内公交车比起以前已经有了很大的改善。从原先的“闷罐头”到如今拥有配套的空调系统；从原先的单层到如今的多层；从人工报站到半自动语音报站，从无监视系统到有监视系统，公交车向着越来越人性化的方向发展。 从以前的公交车内是通过人工报站变成如今改用手动进行报站，虽然手动报站器对于人工报站有了进一步的提升，但是正在开车的驾驶员却需要在保证安全驾驶的前提下进行手动报站，往往是在车子进出站的同时进行人工操作，由于这两个时间点往往是路面情况最复杂的时刻，经常会出现错报、漏报的现象。而且让驾驶员在驾驶过程中进行报
13、站，也存在着安全隐患。采用自动报站的方式可以大大减轻驾驶员的工作量，促进公交系统的现代化进程。正因如此，公交车内的智能设备越来越受关注，实现全智能语音报站系统的就显得越来越重要。无线公交系统采用全球定位系统 GPS 进行数据采集，根据车辆所在的位置进行自动报站等服务。并将定位数据通过 GSM 反馈给电子站点，电子站点接收数据自动更新显示，从而实现公交车辆的自动报站，建立了全新的服务系统。2第 1 章 GPS 系统的概述与定位原理1.1 GPS 概述GPS(Global Positioning System)中文称全球定位系统，GPS 全球定位系统是近年来迅速发展起来的一种卫星定位导航方式，是
14、70 年代美国国防部发展的第二代卫星导航系统。GPS 由三个独立的部分组成：空间部分GPS 卫星星座，地面控制部分地面监控系统，用户设备部分GPS 信号接收机。由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成的，记作（21+3）GPS 星座。它可以提供全球范围内的导航定位数据，用户实时接收卫星发出的星历，可以推算出当前使用者的具体地理位置，具体时间和行驶速度等数据信息。它可以说是新一代的智能导航定位系统，覆盖全球任何位置，无论何时都能为任何用户同时提供准确位置、准确时间，并能对时间，速度作为基准进行调整。它在无线公交报站系统中，起到定位的作用，其定位精度比较高，并且具有成本较低、使用维护费用低、
15、通讯可靠等特点。1.1.1 GPS 与无线公交服务系统的关系无线公交服务系统通过利用 GPS 数据来进行准确定位，根据这些数据来完成智能语音报站等一系列服务，无线公交系统通过单片机 CPU 读取存储于 EPROM 中原先设定好的站点数据，接收 GPS 终端传过来的定位、时间等数据，把这些有用的 GPS 数据通过与站点所设置好的数据进行比较，判断和计算车辆的现在所在位置和到站、出站信息，通过预报和屏幕显示市民传达信息。1.1.2 GPS 车辆定位的优点GPS 在各行领域应用十分广泛，比如测量，航空等。它应用于无线公交系统是用来准确定位公交车辆的位置。GPS 在车辆定位时的优点有以下几个方面：1、
16、覆盖全球、不间断的传输信息，准确定位、成本较低。2、可以简单的安装与各个地方。3、数据丰富，包含时间，地点，速度，海拔等等。4、GPS 系统的定位数据不存在累计误差，能准确定位，精度高。避免了不必要的修正，从而操作起来更加方便。5、GPS 终端设备类型丰富，多款多功能的 GPS 终端设备被用于测量，导航等。6、地面 GPS 系统只需要一个 GPS 接收机就可以，价格实惠。31.2 GPS 定位的基本原理1.2.1 GPS 定位的基本概念定位就是确定目标的时间与空间信息。定位之前必须先要确定时间参考坐标系统的建立，这些一直是测绘界和天文界最前沿的理论与技术研究方向，目前仍然还在发展之中。在空间和
17、时间坐标系系统建立的基础上，然后探讨在某个参考系统内如何确定事物、信息、目标的具体时间和地理位置。1.2.2 GPS 定位的基本定位原理方程GPS 定位的基本原理是通过不间断的接收太空卫星多发送来的一系列参数和信息，包括位置，时间等等。对这些正在运行的卫星当前置作为已知的起算数据，通过空间距离后方交会的算数方法，计算求出终端的三维位置和方向以及当前运行速度和时间。GPS 定位的基本几何原理为三球交会原理：假设用户距离卫星 S1 为 L1，那么用户的位置必定在以S1 为球心，L1 为半径的球面 C1 上；同样，假如用户距离卫星 S2 为 L2，那么，用户的位置也必定在以 S2 为球心，L2 为半
18、径的另一球 C2 上，用户的位置既在球 C1 上，又在球C2 上，那它必定处在 C2 和 C3 这两个球面的交线 M2 上。用户的位置既在交线 M1 上，又会在交线 M2 上，它必定在交线 M1 和 M2 的交点上。GPS 定位原理的代数图如下图所示。图 1-1 GPS 定位原理图用户终端距离卫星为 L，卫星 1 坐标为（x1,y1,z1）,卫星 2 坐标为(x2,y2,z2)，卫星 3坐标为（x3,y3,z3 ） ，通过以上可得到下列方程：(1-1)222L1=+(y-)z（ x-）(1-2)（ ）(1-3)2223(3-)z（ -）式中，Li 为终端与卫星之间的距离；x1，y1,z1 表示
19、卫星的三维坐标值；x,y,z 表示终端的三维坐标值；其中 L，x1,y1,z1 是已知量，x,y,z 是所求的，通过三个方程就可以求出4x,y,z。从上面的分析看出，知道三颗卫星至终端的距离，就能计算出终端的三维坐标。实际上，终端一般有非常准确的时钟那是不可能的，卫星钟跟它们也不保持同步，因此终端计算得出的时钟时间是有问题的，通过计算得到的终端和卫星之间的距离也不是真正的距离，计算出来的距离通常被称为伪距离。通过第四颗卫星做参考卫星，就可以解决其中的问题。假设终端正在接收卫星传过来的信号，终端的时间与卫星导航系统所用的时间差为 则上面公式将改成为t+ (1-4)222L1=+(y1-)z（ x
20、-） tv+ (1-5)（ ）+ 1-6)2223(3-)z（ -） tv+ (1-7)L4=+y4（ x） 式中 v 代表电磁波传播速度， 是未知数。其中（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),t(x4,y4,z4)是四颗卫星的坐标；终端测出与四颗卫星的伪距，通过这四个方程，求出四个未知量 x1,y1,z1,和 ，就可准确的计算出终端的时间。t用户静止时，由于卫星始终在不断运行中，终端的卫星信号存在着多普勒频移。多普勒频移的大小和正负可通过卫星的时间和卫星的星历。假如用户处于运动状态中，那这个多普勒频移就要发生变化，此时的大小和正负是用户本身的速度与方向决定的。通过
21、这个变化，终端用户可以轻松的推算出自己的三维运动速度。另外还有一种计算终端运行速度的方法：只要知道终端在不同的时间段的三维坐标，利用它们的差与所经过的时间相除。就可得到的终端的三维运动速度。通过上述定位原理可得，利用 GPS 定位技术可以把三维定位与终端时间的定时同时实现。通常来说，利用 C/A 码进行准确定位，坐标的各个分量精度在 4-12m 上下，三维整体精度在 13-32m 上下；利用军用 P 码进行准确定位，坐标的各个分量精度在 2-4m 上下，三维整体精度在 2-7m 上下；通过相位观测值进行准确定位通常很困难，目前对实时或准实时的坐标各个分量精度在 0.2-0.4m 上下，事后 2
22、4 小时连续定位三维精度可达 1-4cm 上下。1.2.3 位置预测通过对常规速度的分析，系统可以在丢失车载终端定位信息时，在某段时间范围内，根据车辆最后一次定位信息和路线的速度，预测出车辆的当前位置，从而实现 GPS 定位数据的内插。（1）预先推算采样点的间隔;（2）常规速度的计算与分布;（3）预测持续的时间;常规速度的计算与分布通常由长期历史数据获得，这是一个机器学习的过程。对于5GPS 的实时性而言，影响其误差大小的最直接原因是运用了预测算法的持续时间。当计算点与预测点在时间上相差很大时，预测结果就会不准确。本设计中，预测的持续时间远远大于数据丢失点到前方总站的行驶时间(通常小于单程时间
23、) 时，就停止这种方法，利用数据的补传，或利用传统的人工服务进行预测。1.3 小结本章简单介绍 GPS 的基本理论，包括定位原理、分类、基本构成和 GPS 的运用等，讨论了 GPS 在定位时的优点和缺点，对 GPS 定位所产生的误差进行分析，简单介绍当GPS 丢失时的补偿办法。第 2 章 智能公交无线报站系统移动端的硬件设计2.1 无线报站系统移动端设计概要本系统采用一个 STC89C58 单片机作为接收端的主控部分。在公交车上安装主体器件。包括 OCMJ12232C_1 液晶显示模块、无线接收识别模块以及语音播报模块等。无线接收识别模块由无线接收头通过解码芯片解码接收到的信号。单片机对无线接
24、收模块的端口进行扫描，公交车即将到站进入信号范围时（设置该距离为 30M） ，端口电平发生改变，51 单片机识别后先调用语音芯片内部播放指针，让其指向预置的数据段，并进行播报。同时改变 LCD 的显示内容，将下一站的站名进行更新。通知乘客到站下车。车子驰离站台后信号消失，下一站亦是如此。STC89C51逻辑控制（主机）语音模块LCD显示模块无线收发模块无线接受解码模块下车指示灯图 2-1 系统框图62.2 主要模块分析2.2.1 基于 STC89C58 单片机设计STC89C58 是宏晶科技推出的新型的 51 内核的单片机，它内部包含 32K FLASH ROM、1.2K RAM，功耗低，正常
25、工作模式下典型功耗为 38mA，空闲模式下通常不大于2mA。传统的 51 单片机抗干扰能力差，STC89C58 具有较强抗干扰能力，每个 I/0 口对VCC 和 GND 都具有二极管箝位保护，输入的电压幅度大，电源不抖动。芯片内具有高抗静电（ESD 保护）电路，对 2000V 的快速脉冲干扰可轻松通过，并且还对单片机的各个电路都进行了特殊处理，避免引入干扰。特点：1.增强型 6 时钟/机器周期，12 时钟/ 机器周期 8051CPU。2.工作电压：5.5V-3.4V(5V 单片机)/3.8V-2.0V(3V 单片机)。3.工作频率范围：0-40MHz ，实际工作频率可达 48MHz。4.片上集
26、成 1280 字节/512 字节 RAM。5.通用 I/0（32/36 个），复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口 /弱上拉。6.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，8K 程序 3 秒即可完成一片。7.看门狗。8.内部集成 MAX810 专用复位电路，外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路。9.共 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用。10.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个 UART。11.工作温度范围：0-75 摄氏度 /-40-+85 摄氏度。12.封装：PLCC-44，PQFP-44 ，PDIP-40。下图为 STC89C58 封装图 2-2 STC89C58 封装
