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

武汉理工大学毕业设计（论文）

基于GPS定位的公交车自动报站系统的设计

学院（系）：

信息工程学院

专业班级：

通信工程zy1101班

学生姓名：

田晶晶

指导教师：

李平安

摘要

公交车已经成为人们出门必不可少的交通工具，目前公交车上采用的公交报站系统是采用司机手动切换，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，不仅会对公交运营产生很大的负面影响，而且会对乘客造成很多不必要的麻烦。

为此，研究公交车自动报站系统是非常必要的。

本论文设计了一种基于GPS定位的公交车自动报站系

统。

系统主要由STC89C52单片机、语音模块ISD4004、GPS模块和LCD12864液晶组成，它通过GPS定位获得车辆位置信息，与单片机中预存的位置信息对比，分析车辆运行位置，当公交车到达某站点附近，系统通过语音芯片播放站点信息，并通过液晶显示，从而完成自动报站的功能。

本系统完全不需要人工介入，全程自动报站，而且大大提高了公交车报站的准确性和可靠性，提升了公交系统的服务质量，促进了城市经济的和谐发展。

关键词：

公交报站；GPS；单片机；ISD4004；LCD

Abstract

Buseshavebecomeanindispensablemeansoftransportationwhenpeoplegoout.Thebusstationreportingisusingmanualswitchbydriversnow.Ontheonehand,itincreasesthedriver'slaborintensity,ontheotherhand,itnotonlyhasgreatnegativeinfluenceonpublictransportation,butalsowillcausealotofunnecessarytroubletothepassengersduetothemisstatementoromissionofthedriver.Therefore,researchonautomaticbusstationreportingsystemisverynecessary.ThispaperdesignsakindofbussystemwhichcanautomaticallybroadcastplatformnamebasedonGPS.SystemismainlycomposedofSTC89C52single-chipmicrocomputer,theISD4004voicemodule,GPSmoduleandLCD12864LCD,itobtainsfromGPSvehiclelocationinformation,andcontrastswithsinglechipmicrocomputerlocationinformationwhichhasstored,thenitanalysisthevehiclerunningstatus,andbroadcastsinformationfromawebserverbyvoicechip,finallytheplatforminformationisdisplayedthroughtheliquidcrystaldisplay（LCD）,thefunctionofautomaticallystopshascompleted.Thissystemdoesn'tneedhuman'sinterventionandreportstheentirestopsautomatically,anditgreatlyimprovestheaccuracyandreliabilityofthebusstationreportingandimprovesthequalityofserviceofthepublictransportationsystemandpromotestheharmoniousdevelopmentofurbaneconomy.

KeyWords:

Busstationreporting;GPS;51single-chipmicrocomputer;ISD4004;LCD

第1章绪论1

1.1选题背景1...

1.2选题目标2...

1.3选题意义2...

第2章方案设计3...

2.1方案比较3...

2.2结构框图3...

第3章硬件设计4..

3.1单片机最小系统4...

3.2GPS模块接口电路6..

3.2.1GPS卫星定位系统6..

3.2.2GPS模块描述8..

3.3ISD4004语音模块1..2.

3.3.1芯片描述1..3.

3.3.2SPI（串行外设接口）1..5

3.4LCD12864液晶电路2..0

第4章软件设计2..4.

4.1主程序流程图2..4.

4.2语音实现2..5.

4.2.1录音程序2..5.

4.2.2放音程序2..6.

4.3液晶显示2..7.

第5章系统测试2..9.

5.1程序下载2..9.

5.2实物测试2..9.

第6章总结3..5.

第7章致谢3..6.

参考文献3..7..

附录A主程序3..8.

附录BGPS定位程序4..3.

附录CISD4004语音程序4..8.

附录DLCD程序5..0..

第1章绪论

1.1选题背景

随着经济的快速发展和城市人口的逐渐增多，汽车越来越普及，交通需求迅速扩大，公路变得越来越拥挤。

在现代化城市里，公交车已经成为人们生活中不可替代的交通工具。

现在城市“乘车难”、“行车难”的局面在加剧，交通堵塞呈现出点到线，由线到面的扩展趋势，交通拥挤、交通延误、交通堵塞以及由此引起的噪音、废气污染，城市空气质量指数的严重跌落严重影响着居民的正常生活以及社会经济的持续、健康发展。

而与出租车和私家车相比，公交车人均占道面积少、成本低、运载能力高，同时它的通行路线覆盖面广，在缓解交通拥堵，节能减排方面都有较好的作用，因此很多城市建议人们出门乘坐公交车。

随着科技的进步，公交系统也在逐渐完善。

而国内大多数城市现有的公交车还是采用传统的公交系统，没有实现完全的智能化，比如自动报站只能由人工按固定的序号键来实现报站，离不开驾驶员或售票员的相应操作，进站、出站及转弯每次都需要人工的服务，这就大大加重了驾驶员的工作负担，存在一定的安全隐患，有时出于种种原因，可能存在漏报、错报或者干脆不报，给乘客带来了很大的不便。

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。

目前国际上对GPS自动定位系统的研究程度和发展水平也各不相同。

据相关统计，欧美国家导航设备普及率达到90%，日本更是超过95%。

在3G时代来临之际，人们对GPS/电子地图的关注，足以显现它对日常生活中的重要性。

此外，消费及市场需求也促使导航产业发展和走向成熟。

2005年，我国民用汽车保有量就达到了3160万辆，但是装载导航设备的车辆，还不足2%。

尽管不少汽车厂家对其高端车型在出厂前就安装了导航系统，对其他低端车型也会有选装导航产品的服务，但价格不菲的车载导航仪，让不少买车的人放弃了实用性很强的导航配置。

按照私人汽车拥有量年均增速20％测算，对导航产品的需求也是一个很大的增量。

市场的发展速度将大大快于车载导航仪市场，中国将最终成为世界上最大的手持导航产品消费国。

由此可以转向国内的公交车GPS自动定位系统上来，可见发展的前景还是十分乐观的。

1.2选题目标

⑴能够正确接收GPS传来的信息。

⑵能够正确播报站台信息。

⑶能够正确在液晶上显示信息。

1.3选题意义

智能公交系统是目前解决公共交通服务问题较为有效的手段，而且对减少车辆拥挤、提高运行的安全性和有效性有着非常重要的意义。

它的服务主要面对乘客与驾驶员来进行考虑，完全自动报站，不需要人工操作，减少了司机的工作负担，增加了报站的准确性，不会发生误报或漏报的现象，让乘客更加方便地乘车。

本系统应用GPS技术，在未来的科

技发展中还会不断地被改善，不会被淘汰。

第2章方案设计

2.1方案比较

公交车自动报站系统的设计方案主要有三种：

1.利用无线射频识别（RadioFrequencyIdentification）技术，在每一个公交站台设置一个具有唯一ID的射频发射器，采用间歇工作方式发射信号，当公交车即将到达车站时，车载系统接收到站信号并解码出站台的ID号，由单片机控制自动播放对应站台编号的报站语音。

2.对车轮轴的转角脉冲进行计数，将计数值和预置值对比，即可确定报站时刻，达到准确报站的目的。

3.通过全球定位系统（GPS）的用户终端接收工作卫星的导航信息，从而解算出车辆的经纬度信息，将其与站点坐标相比较，当车辆驶入站点一定距离范围内时，不用人工干预，系统自动报站。

第一种方案需要在每一个站点安装射频发射装置，站台投入太大，站点一旦变化，射频发射装置必须移动，比较麻烦。

第二种方案是通过对转角计数，需要对线路固定，线路一旦改变就很不准确，而现在随着城市化建设，道路随时都在改建，因此这种方案不可取。

第三种方案是通过GPS定位，比较方便，比较准确，而且将当今GPS技术应用在里面，我相信这种方案在未来的智能交通系统中会是主流，因此选择第三种方案。

2.2结构框图

图2.1结构框图

第3章硬件设计

公交车自动报站系统的硬件电路主要包括：

单片机最小系统，GPS模块接口电路，ISD4004语音输出电路和LCD12864液晶显示电路。

3.1单片机最小系统

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

时钟电路：

STC89C52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。

复位电路：

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使单

片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

引脚描述

1VCC:

电源电压

2GND:

地

3P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，在访问期间激活内部上拉电阻。

4P1口:

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTE逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉

低时会输出一个电流（ILL）

5P2口:

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。

6P3口:

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（ILL）。

7P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示

表3.1P3口第二功能

端口引脚

第二功能

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（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写脉冲）

P3.7

RD（外部数据存储器读脉冲）

8RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

9EA/VPP:

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）。

EA端必须保持低电平（接地）。

10XTAL1:

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

11XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

12ALE/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，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。

13PSEN：

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。

单片机最小系统的电路图如图3.1所示

图3.1单片机最小系统电路图

3.2GPS模块接口电路

3.2.1GPS卫星定位系统

（1）GPS卫星定位系统的发展

1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功，不仅为遥感调查地球资源提供最佳平台，而且由于卫星位置可以通过卫星轨道参数计算而得，为卫星定位系统准备了必要的条件。

目前世界上广泛采用的卫星定位系统是由美国研制并发射的“卫星授时与测距导航系统”（NavigationbySatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem，NAVSTARGPS），简称全球定位系统（GPS）。

GPS从1973年开始研制，1978年2月发射第一颗试验卫星，到1994年3月发射第24颗工作卫星，1995年宣布达到全运行工作能力，历经20年，耗资300多亿美元。

目前GPS已广泛应用于航空、航天、航海、陆上车辆、测绘、勘探、授时等民用领域和各种军用卫星、航天发射器、军用飞机、海面舰船、潜艇、地面军用车辆、步兵、炮兵、导弹阵地、洲际导弹、巡航导弹以及精确制导炸弹等军事领域。

（2）GPS系统的组成

GPS定位系统由三个部分组成，即

1GPS卫星（空间部分）；

2地面监控系统（地面监控部分）；

3GPS接收机（用户部分）。

空间部分由24颗卫星组成，目前24颗卫星已经全部在轨。

监控部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站，它们主要是收集数据、编算导航电文、诊断状态及调度卫星。

用户部分即GPS接收机，主要是接收、跟踪、变换和测量GPS信号，随使用目的不同，用户要求的GPS接收机也各有差异。

（3）GPS定位原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距PR：

当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。

C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。

而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。

导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。

它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。

导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。

前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。

后两帧共15000b。

导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系

中的位置速度等信息便可得知。

（4）GPS定位方法分类：

利用GPS进行定位的方法有很多种。

1．若按照参考点的位置不同，则定位方法可分为：

①绝对定位。

即在协议地球坐标系中，利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置，也叫单点定位。

这里可认为参考点与协议地球质心相重合。

GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系。

因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标。

②相对定位。

即在协议地球坐标系中，利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点（已知点）之间的相对位置。

也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量。

由于星历误差和大气折射误差有相关性，所以通过观测量求差可消除这些误差，因此相对定位的精度远高于绝对定位的精度。

2．按用户接收机在作业中的运动状态不同，则定位方法可分为：

①静态定位。

即在定位过程中，将接收机安置在测站点上并固定不动。

严格说来，这种静止状态只是相对的，通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化。

②动态定位。

即在定位过程中，接收机处于运动状态。

GPS绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种方式。

即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。

3．若依照测距的原理不同，又可分为测码伪距法定位、测相伪距法定位、差分定位等。

（5）GPS接收机

GPS接收机也可称为用户装置。

主要由天线、接收机、微处理机和输入输出部分组成。

其主要结构框架（单频接收机）如图3.2所示

图3.2接收机结构框图

3.2.2GPS模块描述

该GPS模块采用瑞士u-blox公司的NEO-5Q主芯片，此芯片为多功能独立型GPS模组，以ROM为基础架构，成本低，体积小，并具有众多特性。

采用u-blox最新的KickStart微弱信号攫取技术，能确保采用此模组的设备在任何可接收到信号的位置及任何天线尺寸都能够有最佳的初始定位性能并进行快速定位。

模块正面图如图3.3所示

图3.3GPS模块正面图

（1）定位性能：

水平位置精度：

<2.5m[Autonomous][50%]<2m[SBAS]

（CEP,50%,24时静态,信号强度-130dBm,大约6个可用卫星）速率：

<0.1m/s

方向:

<0.5Degrees

授时精度:

30ns

参照坐标系:

WGS-84最大海拔高度:

50000m最大速度:

500m/s加速度:

≤4g

（2）参数

标准时钟脉冲：

0.25Hz~1KHz

定位更新速率：

1Hz~10Hz（默认1Hz）UART/TTL端口界面[默认]

RS232端口界面[可选]

内置SQIFlash

数据速率（UART/TTL）：

9600bps（默认）[可通过软件配置:

4800，19200，38400，57600，115200，230400，460800,921600]

输出语句：

NMEA0183V3.0（GGA,GSA,GSV,RMC,VTG,GLL）协议数据，可定制输

出语句组合

工作温度:

-40℃to+85℃

（3）PIN脚功能

表3.2GPS模块引脚功能表

名称

描述

PPS

时间标准脉冲输出

VCC

系统主电源,供电电压为+3.3V~+5V,工作时消耗电流约25mA

TX

UART/TTL接口,可选RS232TXD

RX

UART/TTL接口,可选RS232RXD

GND

接地

EN

电源使能，高电平/悬空模组工作，低电平模组关闭

（4）NMEA0183协议

NMEA0183输出

GGA：

时间、位置、定位类型

GLL：

经度、纬度、UTC时间

GSA：

GPS接收机操作模式，定位使用癿卫星，DOP值

GSV：

可见GPS卫星信息、仰角、方位角、信噪比（SNR）

RMC：

时间、日期、位置、速度

VTG：

地面速度信息MSS：

信号强度等注意：

输出的信息、频率不设置有关RMC样例数据：

$GPRMC,061831.000,A,223