基于无线数传模块的公交车自动报站系统的设计.docx

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基于无线数传模块的公交车自动报站系统的设计

××××学院毕业设计（论文）

基于无线数传模块的公交车自动报站系统的设计

学生：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

班级：

指导教师：

××××学院自动化与信息工程学院

二000九年六月

摘要

公交车已经成为一般工薪族和学生族出门必须的交通工具，目前公交车上采用的公交报站系统具有语音和显示报站的基本功能，但由于报站时采用司机手动切换，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，造成乘客误下或漏下，对于公交运营产生了很大负面影响，更会对乘客造成很多不必要的影响。

为此，研究公交车自动报站系统是非常必要得。

本文主要研究的是基于无线数传模块的公交车自动报站系统，该系统在公交车到站前10到20米语音报站，并且有LCD显示，同时，为了防止自动报站系统故障时不能报站，该系统也设置了司机手动报站系统。

本文首先介绍了系统的总体方案和各个模块的具体框架图；然后介绍了控制该系统的MCS-51单片机，收发报站信息的无线数传模块PTR2000，用来语音报站的ISD1420语音芯片和手动报站的键盘和LCD显示等知识；最后对该系统进行了简要总结并提出对未来公交车系统的展望。

关键词：

自动报站；无线数传模块；智能化

ABSTRACT

Bushadbecamethemostnecessarymeansoftransportationofwage-earnersandstudentsalready,thepublicbus-stopannouncesystematpresenthasthepronunciationfunctionandcanrevealstheserialnumbersandnamesofstops.Butononehandannouncingthestopsmanuallybythedriverwillincreasethedriver’slaborintensityandontheotherhandbecauseofthedriver’swrongannounceorfailingtoannounceitmaycausepassengerstoleavebymistakeorfailingtoleave.Thephenomenoninferredabovemayrunanegativeinfluenceonthepublictransitgreatlyandcancausealotofunnecessaryinfluenceonthepassengers.Forthisreasonitisessentialtostudythebus-stopauto-announcesystem.

Themaincontentresearchedinthisthesisisthebus-stopauto-announcesystembasedonthewirelesstransceivermodule.Thissystemannouncesthestopwhilethebusgetstothestationin10to20metersanditcanrevealstheserialnumberandnameofstopwithLCDwhenabusgetstothemasterstationitcansendtheinformationofitsarrivaltothemasterstationwhichcanhelpthemasterstationtoplanaschedule.ThenitrecommendsMCS-C51singlechipmicrocomputerusedtocontrolthissystemwirelesstransceivermoduleusedtoreceiveandsendinformationofannouncingknowledgeofISD1420pronunciationchipthemanualkeyboardandLCDusedforannouncingetc.Intheenditsummarizesthissystembrieflyandputforwardthefuturedevelopmentsofbussystem.

Keywords:

Auto-announcesystem；Wirelesstransceivermodule；Intellectualization

第一章引言

1.1研究目的和发展现状

随着社会的发展，公交车已经成为我们许多人出行必不可少的交通工具，在日常生活中，我们经常会遇到这样的情况：

公交车每到一站，都需要人为的按报站器，有时会过站再按，有时甚至不报站，给不少乘客带来不便；即使有售票员报站，也会因其地方口音，使外来乘客产生误解，引起不必要的麻烦,而准确的报站则直接影响到我们的正常日程。

目前公交车上采用的公交报站系统具有语音和显示报站的基本功能，但由于报站时采用司机手动切换，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，造成乘客误下或漏下，对于公交运营产生负面影响。

全自动公交车语音文字报站系统是针对公共汽车公司需求设计而成，与其他同类产品区别在于：

采用全自动的方式进行自动报站，完全不需要驾驶员在进站前操作键盘，防止司机分散注意力，真正实现自动报站功能，将公交报站器提高一个新档次，是传统公交报站器更新换代的产品。

同时可以与LED电子显示条屏配套应用，实现语音、文字同时报站功能，为公交车装备现代化，提高服务档次起到本产品应尽的责任。

目前的公交车自动报站系统主要有以下三种：

  第一种是GPS（Globalpositioningsystem，全球定位系统）自动报站系统，现在已经正式上市，他可通过GPS全球定位技术（误差在4米以内）确定公交车位置，自动报出车辆所在站名，以及服务用语，在特殊情况下还可以把手动报站，车内呼叫等功能一并实现，还可以连接车内LED（Lightemittingdiode,发光二极管）大屏显示广告以及站台信息，该系统还可以和GPRS（GeneralPacketRadioService,通用分组无线业务）通讯系统连接，实现实时监控公交车运行情况，实现总调度过程。

   GPS系统是由美国国防部开发的高精度卫星导航系统。

用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

GPS语音自动报站系统，采用先进的卫星定位技术彻底改变了传统公交车语音报站器必须由司机操控才能工作的落后方式，进站、出站自动播报站名及服务用语，准确、及时、完全不需要人工介入，是公交车语音报站器的一项技术革命，它将为公交车的管理人员和乘客带来福音，实现了公交车报站器的完全智能化。

目前，国内GPS语音自动报站系统处于试验阶段，仅有北京，广州、青岛等几个城市采用GPS语音自动报站技术。

基于GPS的公交车自动报站系统能完全实现预定的功能，能大大降低司乘人员的劳动强度，加大公共交通运营管理力度，增强公交车管理的科学性。

对维护运营秩序、提高运营效率、保证运营安全和促进智能公交的发展都具有积极意义。

目前的系统还存在一些不足，在有些城市，因为树木、高楼的遮挡，存在有些路段接收不到GPS信号的问题，这就需要利用陀螺仪等其它辅助定位系统和GPS定位相结合进行定位。

系统下一步发展趋势，是GPS自动报站系统和GPRS技术和GIS（Geographicinformationsystem，地理信息系统）相结合，即把GPS定位、GPRS无线通信网和城市地理信息系统结合起来,对城市的车辆进行实时的控制与管理，形成城市的智能交通网络，进一步促进城市交通的发展[11]。

第二种是基于电磁波理论的公交车自动报站系统。

可利用公交车上现有的移动电视来接收电磁波，从而显示信息，并在车底部安装线圈并通以微量电流；在距站点数百米处的车道下埋设数匝线圈，其两端连向站牌；并在站牌上安装相关装置。

公交车以一定速度在路上行驶，在到站前会经过路下线圈，路下线圈切割车上通电线圈所产生的磁场而产生感应电流。

电流流经站牌，触动内部装置，使站牌发送出电磁波。

在车上的乘客就能从荧屏上获取相关报站信息。

该系统的优点是能准确报站，不但给乘客带来方便，而且能让司机更加专心于驾驶，加强了道路安全性。

但是铺设价格昂贵，其可靠性也没有实际验证，现在只有部分专家支持，并没有实际使用。

第三种是基于单片机的公交车自动报站系统，而这种系统又大致由两种技术支持。

其中一种的技术关键是对车轮转轴的转角的脉冲进行计数，将计数值与预置值对比，即可确定报站时刻，达到准确自动的目的。

以AT89C51为CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）在中断处理程序中对外来脉冲计数，利用ISD4004输出语音。

系统完成后就可以上机调试，使用时可用配套的烧写器将站与站之间的距离写入单片机内，如果不知道距离可以在机上采用手动方式输入，使装置处于输入状态，出站时按下录入键，到站时按下确定键，就可以将站与站之间对应的数据写入单片机。

使用中如果出现错报，采用手动调整即可。

该方式应用89C51单片机的高速计数器端口进行脉冲计数，以距离来控制报站时刻，首次实现了模糊控制，改变现有设备的不足。

做到简单实用自动化程度高。

传感器在公交车上的应用极大的提高了设备功能。

但是在改变线路或者增加站台等情况时，修改程序比较复杂，尤其是遇到突发状况时司机的任何解决突发状况的方法都将使该系统不能正常运作，目前该系统在实际中使用较少。

另外一种基于单片机的公交车自动报站系统就是利用无线数传模块来实现的。

每个站牌上和每辆公交车上设一个发送/接收装置（主要是PTR2000芯片），发送装置不断发送信号，接收装置即公交车在离站10到20米的时候接收到信号，然后就自动语音报站，同时设有LED数码管显示和手动报站装置。

这种就是该论文中设计的报站系统，接下来的论文将详细介绍。

这种报站系统软件编写简单，修改容易，而且芯片价格低廉，大批生产比GPS系统达到更高的性价比,是公交车自动报站系统的较佳选择。

另外，现实生活中,如果调度室能够掌握每辆公交车的到站情况,可以提高公交系统的工作效率。

但公交线路多处于繁华地带。

如果采用有线方式来传输数据,不但铺设线路的施工复杂、成本高,而且,如果日后公交线路需要变更（如车站位置更改）,改变链路会十分麻烦。

在前面提到的GPS系统中这个问题解决的比较好。

还有一种便捷的无线数据传输途径是通过移动通信中的发送手机短消息方式,即在每个车站安装手机短消息收发系统,以发送短消息的方式来传输到站信息。

但是公交车站间通信次数比较多,通信费用会比较高。

既便捷又经济的方法是在每个车站安装无线数传模块来传输数据。

但若采用以调度室为基站的主从方式进行通信,需要很大的发射功率来保证覆盖所有的车站,同时车站也要有很大的发射功率来保证基站能收到车站上传的信号。

因此,采用基于令牌传输方式的无线接力数据通信是最理想的选择[1]。

采用基于令牌传输方式的无线接力数据通信比较复杂，在该论文中的自动报站系统对这个问题的处理比较简单，只是在到达总站的时候公交车才会发送信息给总站，便总站调度。

1.2报站系统的新发展

目前大多数公交车报站系统设计主要考虑为公交车内的乘客服务，没有考虑到在站台等车乘客的需求,虽然站台有站牌，但对于盲人、识字不多以及对乘座公交车不太熟悉的人来说，还不是很方便；再加之，到达同一站台的公交车较多，也很容易引起乘客的混淆。

有关专家在原公交报站系统的基础上应用射频芯片NRF401设计了一款无线公交车报站系统，在该系统中，公交车内通过半自动报站设计的同时把该车的相关信息通过由NRF401组建的无线电路传送到站台，完成即将到站车辆的预报以及显示该车所经路线基本情况。

通过在站台增加语音播报和动态文字显示设计，使原来仅有一个站牌来提供简单静态线路信息的站台成为一个公交信息亭。

方便了乘客乘车，有效地提高了公交运营公司的服务质量。

在系统中无线通信电路采用无线射频收发一体型芯片NRF401组建，当公交车快到达站台时，车内自动报站的同时通过无线收发电路把该路车车次、上下行等情况传输到站台，站台接收电路收到信息后送给单片机，由单片机控制完成站台的语音播报和液晶显示。

系统的硬件设计中充分考虑了性价比，用最少的器件设计出满足要求的硬件电路。

该系统的总体结构以AT89C52单片机为核心，由ISD4004语音电路、模拟射频电路、LCD（LiquidCrystalDisplay,液晶显示屏）显示电路等组成。

本次设计系统采用PTR2000芯片来实现无线通信降低了系统成本，同时对单片机数据通信的差错采用循环冗余码控制和反馈重传方式，大大提高了数据通信可靠性，误码率很小。

语音播报软件设计，使语音自然流畅，完个符合人们的自然习惯，同时为进一步设计功能更多、更人性化的公交报站系统做了技术铺垫。

2006年开始，济南部分地区就已经有这种公交智能预报系统。

希望公交车报站系统能够越来越完善，越来越人性化。

1.3论文的组织结构

该课题以单片机为基础，重点研究无线数传模块以及语音芯片和单片机之间的数据收发问题，最后研制出可以实际应用的公交车自动报站系统。

论文共分五章，组织如下：

第一章绪论，主要说明研究课题的目的和研究意义，然后介绍公交车自动报站系统的发展和国内外的研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容和论文的结构。

第二章总体方案，介绍了该系统的工作原理和各个采用到得模块。

第三章硬件设计方案，介绍了总体硬件电路图和硬件设计中使用到的单片机、无线数传模块、语音芯片、键盘的相关功能和工作原理，并着重介绍了硬件的连接。

第四章软件设计方案，介绍了系统各个部分的程序流程。

第五章是结论和展望.

第二章总体方案

2.1工作原理

本次毕业设计的技术路线为采用89C51单片机为核心部件，扩展无线数传模块组成公交车自动报站系统，其中假定公交车车站已经设计了含无线数传模块的无线收发电路，该系统的工作原理如图2-1所示，安装在站牌及其他建筑物上的发射模块每隔3秒钟发射一次该站的地址信号，当汽车行驶到发射模块的作用半径时，检测接收到的地址信号，如果该地址刚好是该车的行驶路线停靠点，自动报站器发出一次报站音，显示一次站点名称，并为下一次报站做准备。

该报站器的具体功能如下：

1）公交车离站台十米到二十米识别并自动报站，通过语音和LCD显示报站。

2）报站器设手动按键，另设站点编号LCD显示，方便手动报站，到哪一站只要按下相应编号的键即可。

3）到达总站时，总站会收到公交车发送的到站信息，方便总站调度。

4）后台管理软件具有报站信息管理和写入修改功能。

具体功能如下：

A、建立每路车的站点信息（地址），对应的语音和显示报站信息文件，要求在同一文件中，并且一一对应。

B、信息文件方便修改、保存、打印。

C、信息文件可以通过串口写入到报站器中。

2.2模块简介

系统组成模块采用51系列单片机，发送/接收一体化模块（PTR2000），语音部分（ISD1420语音模块），显示部分（FM12864F液晶显示模块），按键五部分组成，单片机是核心部分，通过指令来控制其他各个部分的运作；PTR2000模块用于接收每个车站所发送的信号（或向总站发送信号，实现调度），以方便自动报站；同时在到达总站时发送信号方便总站调度；语音芯片部分用于语音报站；串口部分接LCD显示，用于显示报站；键盘为手动报站部分，用于司机手动报站。

汽车在离站20米左右将接收到信号，当汽车接收到某一信号两次或三次时，在没有其它信号的情况下，单片机根据还原的语音信号，通过语音合成芯片播放报站和广告语音。

当汽车在拐弯处或相邻两条线路间时，会收到两个或多个无线信号，产生这种情况，单片机会选择暂时不报站，延时一段时间，取收到信号最多的站名来报，或者报汽车行驶在某站到某站之间。

车站无线发送模块在论文要求中已定，其发射内容包含发射时间间隔，发送数据内容等。

车站无线接收模块是本次设计的主体部分，目的是接受站台发送的信号，在无线数传模块接受到站台信号后，传送到单片机，然后通过单片机的控制，执行相应的语音程序，实现自动报站。

第三章硬件电路的设计

3.1硬件总体电路设计

目前，在公交车报站方面，也由传统的人工报站，逐渐改变为使用单片机控制的语音文字报站系统，现在车内还能播放广告，天气预报，新闻等，使人们在乘坐公交车的同时，也能通过多媒体了解世界；同时，部分车辆里面还设有空调，即使在炎热的夏天，就算车里挤满了人，也会感到很凉快。

我们此次采用无线数传模块组成的公交车自动报站系统选用硬件连接总体结构图如下图3.1所示：

3.2PROTELL99软件简介

随着电子技术的飞速发展和新型电子元器件的不断涌现，现代电子电路已经变得越来越复杂。

如何快捷，有效，准确的完成电子电路的设计工作，已经成为广大设计人员十分关心的问题。

而另一方面，微型计算机技术的迅猛发展，为我们提供了一个进行电路附注设计的完美平台。

Protell99是ProtellTechnology公司与1999年推出的运行与Windows系统下的EDA（EnterpriseDigitalAssistant，企业数据处理终端）电子辅助设计软件。

在之前，许多软件公司都推出了自己的电子线路辅助设计工具。

电路设计者在进行电路设计的时候常常采用不同公司开发的工具，这意味着设计者不仅需要掌握这些数目众多的软件使用方法，而且还要能够熟练地在这些软件之间进行文件交换操作，并适应各种软件的使用风格。

随着电子线路辅助设计功能的不断强大，这些工具也变得越来越难以学习和使用，给设计者带来了很多困扰。

而Protell99被设计成了一个客户/服务器应用程序，完全消除了上述问题带来的困扰。

在Protell99提供的集成的客户/服务器环境中，设计者可以运行各种服务器程序组件，如原理图设计服务器，网络表生成服务器，电路仿真服务器，PCB（PrintedCircuitBoard，印制板）设计服务器和自动布线服务器等。

不论是Protell99本身的组件还是来自第三方的设计组件，都可以很容易地嵌入到Protell99中，以增强其应用功能。

客户程序提供给设计者一些基本的使用资源，如菜单，快捷栏，工具栏，状态栏，工程管理器等等，设计者对这些资源可以自由定义，建立便于自己使用的菜单，快捷键，工具栏等[14]。

Protell99虽然包含有数目众多的服务器程序，但基本上可以分为5个组件：

1）原理图设计组件

2）PCB设计组件

3）自动布线组件

4）可编程逻辑器件组件

5）电路仿真组件

各部分功能分述如下[2]：

原理图设计组件可以进行原理图和层次原理图的设计。

设计者可以将整个电路系统分为几个小系统，小系统又可分为几个功能模块，功能模块再分为几个基本的模块，最后，设计者进行基本模块的设计，并依照各层次的关系将基本模块组织起来，完成整个电路系统的设计。

相反，设计者也可以从基本模块的设计着手，实现自底向上的设计。

　　PCB设计组件的主要功能是用于设计出印制电路板图，其设计分辨率可以达到0.0001mil（mil为英制毫吋单位，1mil=0.0254mm），能够设计的工作层数达32层。

和原理图设计组件一样，PCB设计组件也提供有强大的编辑功能，如库文件创建，修改功能和报表输出等功能。

另外，它与自动布线组件相结合。

有助于设计者摆脱沉重的手动布线工作，并且由于其具备在线式的设计规则检查功能，所以在岁大程度上避免了设计者的失误。

自动布线组件是为PCB设计组件服务的，用以实现电路板布线的自动化。

它作为一个服务器程序，内嵌于PCB设计组件中。

自动布线组件基于人工智能技术，它可对PCB板进行优化设计，所采用的拆线似的多层迷宫式布线等算法，可以同时进行全部信号层的自动布线，并进行优化。

设计者可以采用两种方法进行可编程逻辑器件设计：

1）在原理图设计组件中使用专用的PLD（ProgrammableLogicDevice，可编程逻辑器件）库“Symbols.lib”来进行器件的设计。

2）采用CUPL语言来编写PLD的功能描述文件。

完成可编程逻辑器件的设计后，设计者对器件进行编译操作，生成熔丝文件，用以制作具备特定功能的元器件。

设计者可依据库中提供的仿真元件库“sim.ddb”，在原理图设计组件中进行电路设计，最后使用电路仿真组件对所设计的电路进行仿真，并根据输出信号的状态调整电路的设计。

显然，这个组件给设计者的电路设计工作带来了极大的不便，有助于减少设计者工作中的失误。

软件使用中的问题

Protel中常用元件的封装：

以下元件在ProtelDOSSchematicLibraries.ddbMiscellaneousDevices.ddb（以上是schlib）Advpcb.ddbTransistors.ddbGeneralIC.ddb（以上是PCBlib）等库文件中，可以使用通配符“*”进行查找：

（提醒:

使用封装时最好少用水平/垂直翻转功能；自己建好的元件库或者PCB，一定要1:

1的打印出来，和实际比较，以确保无误；有条件的话，尽量先买好器件，再定封装，可以节省很多时间。

）

常用原件封装表：

电阻，小电感axial0.3/axial0.40805/0603等

小电容RAD0.1/RAD0.20805/0603等

电解电容（RB.2/.4）1210/1812/2220等

小功率三极管TO-92A/BSOT-23

大功率三极管（三端稳压）T0-220

小功率二极管DIODE-0.4

双列ICDIPxxSO-xx（xx代表引脚数）

有源晶振DIP14（保留四个顶点去掉中间10个焊盘）

四方型IC大部分需要自己用向导画尺寸参照datasheet

接插件SIPxx/IDCxxDB9/DB25

由SCH生成PCB时提示出错：

sch编辑界面中选择design–>updatepcb在出现的对话框中按“PreviewChange”按钮，选中OnlyshowErrors会列出所有错误：

1）footprintnotfound：

确保所有的器件都指定了封装；确保指定的封装名与PCB中的封装名一致；确保你的库已经打开或者被添加。

2）nodenotfound：

确认没有“footprintnotfound”类型的错误；编辑PCBlib将对应引脚名改成没有找到的那个node。

3）Duplicatesheetnumber：

degisn-options-organization给每张子电路图编号。

二极管的引脚错误：

这是Protel99SE的一个经典问题，它的pcb库和sch库的引脚名不同，一个叫1，2；一个叫A，K。

修改办法：

新建一个封装，统一用12或者AK。

电容，二极管，三极管等器件的极性问题：

直插铝电解：

负极附近有黑色的“-”标记，如果没有剪腿的话，长腿为正。

贴片钽电解：

有横杠的一头为正。

二极管：

有圈的一头为负

一些基本概念和术