基于GPS定位的公交车自动报站系统的设计.docx
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基于GPS定位的公交车自动报站系统的设计
b经贸职业技术学院
学生毕业设计（毕业论文）
基于GPS定位的公交车自动报站系统的设计系别：
机电系
专业：
应用电子技术（电子产品营销）
班级：
应电0832班
学生姓名：
超
学生学号：
0801083240
指导教师：
王倢婷王益
2010年12月19日
摘要I
前言1
第一章概述2
1.1GPS国外发展形势2
1.1.1国外研究现状2
1.1.2国发展现状2
1.2课题研究容及目标3
第二章整体框架及方案比较4
2.1系统整体框架结构图4
2.2单片机的选择4
2.3语音芯片的比较5
第三章系统的硬件研究与设计7
3.1各部分电路图7
3.1.1单片机的最小系统7
3.1.2LCD12864液晶显示电路8
3.1.3ISD4004音频输出电路及按键电路8
3.1.4GPS模块接口电路9
3.2系统整体电路图10
第四章系统软件的研究与设计12
4.1主程序流程图12
4.2语音模块子程序14
4.3LCD12864液晶显示子程序15
第五章系统校验16
5.1系统仿真16
5.1.2仿真实现流程16
5.2系统运行结果截图17
5.2.1开机界面17
5.2.2接收信号后17
第六章总结与展望21
6.1总结21
6.2展望21
致22
参考文献23
附录24
摘要
智能公交系统是指智能交通系统重要研究容，此论文设计了一种基于GPS定位的公交车自动报站系统，它是利用GPS进行数据采集，从而获得车辆位置信息，并结合了语音播放技术，根据公交车所处位置进行自动报站、温磬提示之类的语音服务。
它可以改变传统公交车的语音报站必须由司机操控，否则工作的落后方式，可以做到不需要人工介入，从而实现公交车报站完全智能化。
该系统以GPS定位技术作为基础来实现自动定位，提供自动报站服务。
Intelligenttransportationsystemisanimportantresearchcontentofintelligenttransportationsystem,thispaperdesignedaGPSbusautomaticstationreportingsystembasedonitisusingGPSdatacollection,togetthevehiclelocationinformation,andacombinationofvoiceplaybacktechnology,accordingtothebuslocationautomaticnewspaperstation,WenQingtipslikevoiceservices.Itcanchangethevoiceofthetraditionalbusstationmustbecontrolledbythedriver,otherwisetheworkofthebackwardway,youcandowithoutmanualintervention,soastoachievefullintelligentbusstation.ThesystemusesGPSpositioningtechnologyasthefoundationtorealizeautomaticpositioning,providingautomaticstationservice.
关键词：
GPS；自动报站系统；STC89C51
前言
从1831英国的沃尔特·汉考克为他国家制造出了世界上第一辆装载发动机的公共汽车起，如今，公交车已经历经过将近200年的发展过程。
从一开始的“闷罐头”到如今配套空调系统；从专人售票至无人售票；从人工报站至半自动语音报站，公交车朝着越来越人性化的方向设计。
可是目前存在一个问题，半自动的语音报站系统需要司机在车子进出站的时候进行人工操作，由于这两个时间往往是路面情况的最复杂的时刻，因此容易给行驶中的车辆造成安全隐患。
此论文的目标就是进行可替代人工操作来实现公交进出站的全自动的语音报站。
利用了STC89C51单片机、ISD4004语音芯片、LCD12864液晶模块来实现需要的功能。
单片机的体积小，重量轻，拥有很强的灵活性且价格便宜，得到越来越广泛的应用，例如控制领域、家电产品，智能仪器仪表，计算机外部设备都有重要的用途。
在20世纪80年代中期，Intel公司将8051核的使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名IC制造厂商，这样8051从此变成有众多制造厂商支持，并发展出上百个品种的大家族。
至今，其它任何一个单片机系列都未发展到如此规模。
正因为51单片的运用是如此广泛，故学习单片机的运用非常重要。
学好单片机原理也是学习其他嵌入式控制器（如ARM、DSP）的基础，任何嵌入式控制器都不能离开单片机所涵盖的（如中央处理器，定时器、中断控制器，IO口控制器，串行通讯控制器，I2C总线控制器，片外存储控制器，汇编语言，C语言，操作系统）的概念。
因此说学好单片机，再学习其他嵌入式控制器（如ARM、DSP）是比较简单的。
可以说学好单片机是为其它进阶微处理器的铺垫。
此次设计的课题，是“基于GPS定位的公交车自动报站系统的设计”，设计中，利用无线收发模块及编解码实现站台的自动识别，通过单片机对液晶模块与语音模块的综合控制，来实现全自动语音报站的功能。
本次设计以KeilC51的开发环境为编程平台进行代码编译、运行，AltiumDesigner进行原理图设计。
第一章概述
1.1GPS国外的发展形势
1.1.1国外的研究现状
目前，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。
随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。
虽然具有GPS定位功能的公交车市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有几项障碍亟待克服：
首先，不论公交车采用建GPS芯片或是外接GPS模块作为解决方案，这会无可避免地提高公交车运营成本，也影响消费者购买意愿；最后，目前具有提供整合的GPS芯片与无线通信技术的公司屈指可数，且公交车制造厂是否愿意采用现有解决方案，或是另外自行开发，仍是未定之数。
通过近20年的发展，GPS已逐渐转变为消费型电子产品，且所能应用的围已经扩展到日常的生活通信、PDA、定位信息等。
不过，通过现阶段来看，由于GPS接收机单芯片化技术、价格以及市场的应用服务等仍未成熟，因此，在乐观地看待市场发展时，诸如GPSIC设计技术是否能达到公交车、PDA所需的最小体积、成本是否降低以及建GPS的新公交车系统能否引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地进行深入评估。
1.1.2国的发展现状
国GPS市场呈现出两个重点发展趋势。
（1）以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。
在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。
最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。
但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。
GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。
车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。
一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。
系统的工作原理是：
安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。
控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。
同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。
（2）面向个人消费者的GPS终端产品。
芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。
目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。
有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡（CF卡式GPS接收机）式、外接（GPS接收机）式等集成产品。
1.2课题研究的容及目标
自动报站系统是智能公交系统的组成部分，公交车自动报站系统是利用全球定位系统（GPS）进行数据采集，根据公交车所处的位置进行自动报站、温磬提示等服务，它将电子、控制、计算机、通信等实用技术集中运用于公共交通系统，改造旧的服务模式，建立全新的服务体系，不但提高了其服务质量，同时也将为公交公司和社会带来较大的经济和社会效益。
1．课题的主要研究的容
针对我国的中小城市，自主研发一套基于GPS的公交车自动报站系统。
该系统采用GPS卫星定位技术，彻底改变传统公交车语音报站必须由司机操控才能工作的落后方式，在公交车进站、出站、拐弯时能及时、准确地自动播报站名及服务用语，实现公交车报站的完全智能化。
在进行系统设计时，除了实现系统要求的功能以外，同时，由于系统是安装在公交车上，属于车载终端设备，所以必须兼顾电源、功耗、体积等因素，且还要考虑到产品成本、开发工具、研发周期等问题。
基于以上因素，整个系统采用了AT89C51单片机作为主控制器的设计思路。
2．课题研究的目标
本课题研究的是基于GPS的公交车自动报站系统，目的是使公交车通过GPS定位，准确获知并且确定车辆位置，然后通过液晶显示站点信息，提示灯变亮，再由音频系统自动播报站名，从以前完全手动控制变为选择性自动控制，以提高公交系统的准确性和安全性。
第二章整体框架及方案比较
本系统要实现根据公交车通过不同路段，然后经过GPS系统定位报出站名的功能。
系统主要有两大部分，主控制程序单片机和语音芯片部分。
每个部分都有不同的方案可供选择。
2.1系统整体框架结构图
本设计的整体思路是：
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。
其结构框图如图所示：
图2.1整体框架结构图
2.2单片机的选择
目前基于此课题的设计方案主要有两种，分别是基于FPGA的VHDL语言设计，基于AT89C51单片机设计，下面具体分析各种设计方案的优缺点。
方案一：
基于FPGA的VHDL语言设计
优点:
FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件，器件集成度高，方便易用。
FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。
随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。
缺点：
用VHDL语言编写的程序很难实现符合这个课题的效果，在逻辑算法上也不及51单片机来得灵活。
在仿真环境上无法体现出需要实现的功能，不太适合用在这个课题上。
方案二：
基于AT89C51单片机设计
优点：
51单片机具有高效能，资源占用率低等特点。
目前51单片机的使用非常广泛，关于51单片机设计开发的资料非常丰富，很适合初学者自学。
使用C语言编程可以实现丰富的功能，在Proteus仿真环境上也可以很好地体现出本设计欲达到的效果。
缺点：
对多线程同时需要共享资源的任务处理性能有限，无法满足现今对执行效率和存储容量都有较高要求的信息家电等的需要。
在多任务的处理能力上根本无法与基于嵌入式操作系统构架的方案同日而语。
本设计采取方案二以AT89C51作为单片机。
由于本课题属于小型项目，信息处理量不大，采用FPGA的设计存在成本高，开发过程复杂等情况，本项目并不能发挥出这些芯片的强大功能。
基于以上优缺点的分析我选择了第2种设计方案。
选用ATMEM公司的AT89C51作为控制芯片，成本低，开发周期短，配合各种专用芯片的使用能够实现丰富的功能。
可以在Proteus仿真环境中很好的体现出设计所要实现的效果。
2.3语音芯片的比较
本论文主要考虑了两种语音芯片，ISD1700S语音芯片和OTP语音芯片，并且对它们做了分析比较。
方案一：
语音芯片ISD1700S
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，包括置专利的多信息管理系统，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、振荡器与存等的全方位整合系统功能。
特点：
Ø可录、放音十万次，存储容可以断电保留一百年
Ø两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式
Ø可处理多达255段以上信息
Ø有丰富多样的工作状态提示
Ø多种采样频率对应多种录放时间
Ø音质好，电压围宽，应用灵活，价廉物美电特性：
Ø工作电压：
2.4V－5.5V，最高不能超过6V
Ø静态电流：
0.5-1uA
Ø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，而芯片的采样率可以通过外部振荡电阻来调节
方案二：
语音芯片OTP
OTP可以PWM直接驱动喇叭，也可以通过三极管放大后驱动喇叭，TG1、TG2只能作为输入触发端（和正电源导通时，触发语音播放）另外的TG11、TG12既可以作为输入触发端，也可以作为输出驱动端，可以选择播放语音时TG11/TG12输出1HZ闪光、3HZ闪光、6HZ闪光或者常亮模式，这样就能实现在播放语音的同时LED闪光或者执行其他动作，如电机运转等。
OTP语音芯片特点
Ø性能高度集成外围无需任何元件,只需一个104滤波电容。
Ø体积超小有DIP8，SOP8两种封装方便客户使用、低电压供电，静态基本不耗电。
Ø音质效果好，音量大
Ø支持多种控制方式，按键控制和单片机串行脉冲控制.语音可分成32段.
Ø批量价格具有绝对优势,交货周期短7天。
Ø输出方式有PWM，DSK驱动喇叭。
本系统中采用方案一。
方案一采用ISD1700系列芯片具有优质语音录放功能，芯片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、振荡器与存等的全方位整合系统，具有更大的灵活性和更低的成本，能够充分发挥单片机的效能。
而由于方案二中芯片价格相对较高，且本程序较小不需要如此高性能芯片，所以相比之下选择方案一最适合。
第三章系统的硬件研究与设计
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。
3.1各部分电路图
3.1.1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。
电路如图3-1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。
电路图如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统电路图
3.1.2JHD162A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，显示的容主要为16字符x2行，字符点阵为5x8点，采用的驱动方式为1/16D。
基本操作时序为读状态：
RS＝L，RW＝H，E＝H；写指令：
RS＝L，RW＝L，D0~D7=指令码，E＝高脉冲；读数据：
RS＝H，E＝H；写数据：
RS＝H，RW＝L，D0~D7=数据，E＝高脉冲，数码管的4，5,6分别与单片机的P2.0—P2.2相连；7~14分别与P0.0~P0.7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信息。
设计电路图如图3-2所示。
图3-2JHD162A液晶显示电路
3.1.3ISD1700S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。
设计电路图如图3-3所示。
图3-3ISD1700S音频电路图
3.1.4GPS模块接口电路
由于电源电压要求为+5.0V±5%（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图3-4所示：
图3-4GPS模块接口电路
3.2系统整体电路图
系统主要通过单片机AT89C51处理：
GPS模块接口电路，按键电路，ISD1700S音频输出电路以及JHD162A液晶显示电路。
单片机主芯片通过对按键电路和GPS模块的信息处理，将信息发送到音频输出电路和LCD液晶显示电路，从而可以明确的获知该地段的站名和准确播报信息。
系统总体硬件设计电路如图3-5所示。
图3-5系统整体电路图
第四章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。
4.1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。
主程序流程图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.2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。
流程图如图4-2所示
图4-2语音模块流程图
4.3JHD162A液晶显示子程序
JHD162A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。
图4-3JHD162A液晶显示流程图
第五章系统校验
软件的调试主要使用的是Proteus集成开始环境和Keil软件。
Keil软件提供了丰富的函数和功能强大的集成开发调试工具。
编译后调试运行，生成HEX文件后直接烧写到AT89C51芯片中，进行系统的软件仿真。
5.1系统仿真
SIGNAL：
模拟GPS接收信号。
GPS接收端收到信号后会从高点平跳变为一个持续的低电平直到信号消失，由于Proteus里没有语音器件所以用开关来替代。
ØD1：
播放灯亮说明/PLAY使能，模拟按键开关的负脉冲
ØD2：
快进灯亮说明/FWD使能，模拟负脉冲。
ØD3：
到站指示灯亮，语音播报结束后，到站门开，指示灯D3亮，直到信号消失。
ØLCD模块：
初步选用字符型液晶，可以显示公交车名以及下一站站名。
在每个SIGNAL信号的下降沿跳变显示下一站站名，否则保持不变。
5.1.2仿真实现流程
公交车在离站100米左右收到GPS信号,SIGNAL给出持续的低电平直到车子驰离站点。
这期间可分为三段。
ØT1:
公交车从接收到信号到停靠到站
ØT2：
停靠
ØT3：
驰离公交站，信号消失
ØT1期间当单片机检测到SIGNAL信号的下降沿时，液晶就显示下一站站名同时给D2一个负脉冲，将语音芯片的播放指针指向下一段；延时后再给D1一个负脉冲，播放当前指向语音段。
然后D3指示灯亮。
ØT2期间，指示灯D3保持亮的状态。
语音播报完毕。
ØT3期间，车子驰离信号区，SIGNAL信号上升沿，指示灯D3熄灭，其它不变。
5.2系统运行结果截图
5.2.1开机界面
当系统开机时，系统进入初始化界面。
单片机C语言程序自动默认为预设站点，液晶显示该站名信息为“ZhaoHuZ”，此时的LED指示灯均灭。
图5-1系统初始化界面
5.2.2接收信号后
系统接收到GPS发送的信息后，单片机P25端口输出一个负脉冲信号，语音芯片部指针指向本站点语音段头，语音芯片指针下移一位，此时控制开关闭合LED2-BLUE灯亮。
接着单片机会在P26端口继续输出一个负脉冲信号，播放当前指针指向的语音段，此时LED2-BLUE熄灭，LED1-YELLOW灯亮。
公交车继续向前行驶，根据GPS定位系统向单片机输入信息，液晶显示下一站站名更新，即“JuYuanZ”，此时P1.0端口连接的LED3-GREEN提示灯灯亮，待公交车停靠站点后，LED灯灭。
图5-2语音芯片指针下移一位
图5-3语音报站
图5-4LCD显示下一站站名更新
图5-5到站指示灯亮
图5-6指示灯灭
第六章总结与展望
6.1总结
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
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