城市智能公交系统参考模板

1、1 / 51摘要本系统由公交车系统和站牌系统两大部分组成。其中公交车系统采用高性能的ATmega128 和 ATmega16 单片机作为控制核心，实现自动报站功能、红外避障功能、终点站无线充电功能，并结合红外传感技术实现与站牌系统的通信。站牌系统采用AT89S52 单片机作为控制核心，用串口总线通信技术实现站牌间的互相通信，并具备LCD 汉字显示功能、LED 闪亮提醒功能。关键词: ATmega128 ATmega16 AT89S52 单片机 红外避障 自动报站 无线充电 串口总线通信AbstractThe system consists of the bus system and bus s

2、ystem has two major components. Which bus system uses high performance ATmega128 and ATmega16 MCU as the control core, realizing automatic function, infrared obstacle avoidance function, the terminal wireless charging function, and combined with the infrared sensing technology and bus system communi

3、cation. Stop system using AT89S52 MCU as the control core, using serial bus communication technology to realize the stop between each other communication, and with LCD display Chinese characters, a LED shining reminding function.KeyKey word.word.ATmega128 ATmega16 AT89S52 singlechip infrared obstacl

4、e avoidance automatic station wireless charging serial bus communication 目录摘要摘要.1目录目录.3创新点介绍和技术说明创新点介绍和技术说明.5第一章第一章 绪论绪论 .71.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义.71.2 国内外现状国内外现状.71.3 研究内容及方案设置研究内容及方案设置.91.4 系统功能与指标系统功能与指标.10第二章第二章 关键技术介绍关键技术介绍.112.1 单片机的简介单片机的简介.112.1.1 单片机的典型应用领域及特点 .112.1.2 单片机的系列 .132.1.3 单片机的

5、结构 .142.2 WT588D 语音芯片的简介语音芯片的简介.162.2.1 主要性能 .162.2.2 工作原理 .162.3 L298 的简介的简介.182.4 直流电机简介直流电机简介.192.5 红外传感器寻迹简介红外传感器寻迹简介.192.5.1 寻迹原理 .192.5.2 传感器的选择和安装 .202.6 LCD 显示器简介显示器简介.20第三章第三章 功能分析功能分析 .22第四章第四章 系统设计系统设计 .234.1 系统结构系统结构.234.2 寻迹模块设计寻迹模块设计.264.2.1 硬件设计 .264.2.2 软件设计 .274.3 公交车车次显示模块设计公交车车次显示

6、模块设计.294.3.1 硬件设计 .294.3.2 软件设计 .304.4 语音芯片模块设计语音芯片模块设计.314.4.1 硬件设计 .314.4.2 软件设计 .324.5 红外通信模块设计红外通信模块设计.344.6 避障模块避障模块.344.6.1 硬件设计 .354.6.2 软件设计 .354.7 XKT-408 无线充电模块无线充电模块.364.8 液晶显示模块液晶显示模块.384.8.1 硬件设计 .384.8.2 软件设计 .394.9 串行通信模块串行通信模块.394.9.1 硬件设计 .404.9.2 软件设计 .40第五章第五章 总结总结 .41参考文献参考文献.43致

7、谢致谢.44创新点介绍和技术说明1、公交车系统采用红外寻迹的方案完成公交车的整个行驶过程，利用 WT588D 语音芯片结合单片机实现公交系统的自动报站功能。当到达某个站牌附近指定位置时，单片机控制语音芯片自动报站。这是比同类智能公交系统设计较新颖的设计。2、公交车系统的红外通信模块可实现与站牌系统的通信。当公交车上的红外发射管发射的调制波被站牌接收到时，站牌上相应站点旁的指示灯会亮,液晶屏显示相应信息。3、站牌系统中运用多主串口总线通信技术实现站牌间的数据同步，使该条路线上的每个站牌上的相应站点指示灯被点亮，无论乘客在哪个站，都可以通过站牌的指示灯知道公交车所处位置。这样的通信方式给乘客带来了

8、较大的方便，也是本系统设计的另一大的亮点。4、站牌系统还安置了 LCD 显示器,使用的是诺基亚 5110 液晶显示屏。能够动态地切换显示公交车气预报，公交车所处位置，广告宣传内容等。不但方便了乘客的外出乘车，也给等车的乘客带来些许的乐趣，另外及时发布最新路况信息，为市民们出行提供良好的参考可谓一举多得。5、公交系统具备智能避障功能。为了避免多辆公交车在相继进站时发生碰撞，我们在公交车上添加了红外避障功能。当检测前方近距离范围内停有其他车辆，公交车会停止前进,当障碍物（其他车辆）离去后，公交车继续寻迹前进，这样提高了整个系统的智能性。6、本系统还引入了无线充电技术，给整个系统带来了新的色彩。现在

9、全球正在提倡环保节能、低碳生活，以电能作为动力的智能公交车今后将成为主流。为此我们模拟了一种以电能作为动力的公交车。在公交车的终点站，我们配置了无线充电系统，在非接触的情况下可以自动完成充电功能。7、本系统选用模型路线，最大限度模拟真实的公交线路，并且所有模块及液晶显示屏，串口总线通信均可安装在成品站牌中，性能指标符合真实比例，可移植性强，具有很强的社会实用价值。8、系统的适用范围：本系统适用于智能公交系统，以其智能化给乘客带来方便（例:可以通过站牌指示灯来了解是否公交车还在行驶和所到达的位置，不必担心没有公交车或不知道公交车的位置，为他们的外出乘车提供了极大的便利），各方面基本符合实际要求，

10、且系统本身成本经济，具有很高的应用前景。第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着城市公交系统的快速发展，公交车为外出的人们提供了方便快捷的服务,而公交车的报站系统直接影响服务质量。传统的报站方式是由乘务人员进行人工报站，因方言或拥挤情况，该方式工作强度太大、效果也较差。并且，传统的公交系统的站牌处只显示站名，没有对公交车随时随刻所处的位置进行汇报和提示，这样就使得乘客在等车时存在盲目性，不能准确预知公交车何时到站，可能会因此浪费不少时间，给等车的乘客带来很多不便。为了缓解这种不便，本系统在站牌系统中设置指示灯，以指示公交车的位置，并通过串口总线通信技术实现每个站牌上相同站点的指示灯同时点亮

11、。站牌上还安置了液晶显示器，让乘客了解公交车的运行情况、准确知道公交车所在的位置，同时还可以利用等车的时间关注一下站牌上液晶屏中播放的知识，有效地减少了乘客等待公交车的烦恼。同时又很好地利用科技的先进能力，为人们造福。因此，智能公交系统成为人类社会发展的必然趋势。随着经济的发展，人民的生活水平不断提高，汽车已经成为人们外出必备的工具。同时却又引发了一系列不良影响，例如环境的污染问题。针对这一问题，我们在本系统中设置了无线充电。1.2 国内外现状在美国，美国城市公共交通管理局（UMTA）已经启动了智能公共交通系统项目“Advanced Public Transport Systems（APTS）

12、”美国的 APTS 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。目前，美国一些开发公交车队管理系统的公司，采用自动确定车辆位置的全球定位系统（GPS）和计算机辅助发车系统等，进行实时管理公共汽车的运营，并开发了一些先进的系统。在日本，城市公共交通智能化的发展经历了 3 个阶段：70 年代末开始应用公共汽车定位系统公共汽车接近显示系统；80 年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入 90 年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控

13、制系统（CTCS），旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客的认可。在 CTCS 中，公共交通运营管理系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及乘客数据实现精确平稳的公共运营交通服务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导和双向通讯的方法，将服务信息提供给公共汽车运营员和驾驶人员，同时这些信息也通过进站汽车指示系统和公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统包括累计运营数据、乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客服务功能中包括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路接驳信息提示，公共交通综合管理系统的硬件包括公交主控中心、区域中心以及路边、车库

14、和车载设备等。欧洲许多国家通过实施公交优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公共车坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益。与欧美、日本等国家相比，我国的公共交通事业还比较落后。截止 2000 年，我国城市公交客车的总保有量为 23 万辆，每千人拥有公交车 0.7 辆，距离发达国家每800 人拥有一辆公交车的水平还有一定差距，而且公交智能化水平还较低，绝大部分仍沿袭旧的运营体制。但是，近几年，由于科学技术的进步和政府对公交投入力度的加大，我国智能公共交通系统已出现端倪。比如：上海的地铁安装了自动

15、检票系统，可实现乘客的自动计数，统计客流变化情况。还有一些城市正在着手实施公交“一卡通”。杭州、上海、北京等几座大城市已在部分公交线路上建立了公交车辆跟踪地阿杜系统，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客流。这些系统虽然使得中国迈进了公交智能化时代，但由于他们缺乏对许多基础理论的深入研究，一般没有将动态交通情况信息与车辆定位信息有效融合，而且某些系统的开发和研制又缺乏交通领域专家的直接参与，使目前的系统具有以下的缺陷：不是以公交线网优化为基础，致使调度效果欠佳；大多数系统线路与线路间缺乏联系，未能实现网络上

16、的整体协调调度；缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低；由于站点间运行时间单纯由距离比汽车运行速度求得，没有陷阱的算法作保证，致使在电子站牌上显示的下班车到达时间不准确。智能公交系统（Intelligent Transportation Systems）简称 ITS。1994 年开始我国关注国际上 ITS 的发展，特别在 1995 年之后，我国对 ITS 的研究、试验、国际交流活动日益频繁，且在 ITS 上的开发和应用也取得了相当大的发展，1996 年以来，国家科技部、交通部、铁道部先后成立了智能交通系统工程研究中心，组建了中国ITS 政府协调小组，随后又成立了智能交通协会，现任会长是科技

17、部部长万钢，制定的总体规划包括道路，铁路，水运和民航的中国 ITS 发展规划。 1.3 研究内容及方案设置城市智能公交系统强调的是公交车通过寻迹完成整个行驶过程，途中每到一站公交车自动停车，然后利用语音芯片实现自动报站，公交车发送信号给站牌，站牌收到信号后相应的站点旁的指示灯点亮，与此同时，通过串口总线通信方式使得同路线上的相同站点的指示灯也被点亮。通过语音芯片实现自动报站，减轻了驾驶员的劳动量并减少因驾驶员的报站或按键失误给乘客带来的不便。站牌上站点指示灯的显示可以让等车的乘客清楚公交车所处的位置，同时站牌上还按有液晶显示器，可以显示天气预报和公交车所到站和即将到的站，同时还可显示广告等信息

18、。在一定程度上给乘客带来方便的同时也给她们带来了休闲和娱乐。针对这个目的我们提出了如下几种相关的研究方案:方案一：利用无线通信技术，实现车与站牌之间的通信。但考虑到无线通信技术适应于长距离间的通信，短距离容易造成干扰，而本系统的模拟环境有限，故此种方案利用价值不大。方案二：采用超声波检测障碍物。但是超声波存在反射、噪音、交叉问题等缺点，而且超声波很容易受外界干扰易使测得的数据不够准确，从而产生误动作。综合超声波的各项缺点我们决定放弃超声波检测障碍物这一方案。 故本系统在单片机的控制之下，采用了红外通信技术完成车与站牌之间的通信功能，采用红外避障传感器实现公交车的智能避障功能，以此辅助完成整个智

19、能公交系统的功能。1.4 系统功能与指标功能：实现自动寻迹行驶，自动报站，公交车与站牌以及站牌与站牌的即时通信，通过液晶屏进行汉字显示，智能避障，无线充电。指标：1、本系统公交车与站牌与实际的比例为 1:100，其他各项指标基本符合实际标准。 2、系统采用电流为 800mA 的充电电池。第二章 关键技术介绍2.12.1 单片机的简介所谓的单片机，其外表通常只是一片大规模集成电路芯片，但在芯片内部却集成了中央处理器单元（CPU） 、各种存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM 和 Flash ROM 等）、各种输入/输出接口（定时/计数器、并行 I/O 和 A/D 转换接口等）等众多的功

20、能部件。因此，一片芯片就构成了一个基本的微型计算机系统。 由于单片机芯片的微小体积、极低的成本和面向控制的设计，使得它作为智能控制的核心器件被广泛地嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域的电子设备和电子产品中，可以说，以单片机为核心构成的单片机嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。 单片机有很多种类， 8051 单片机， AVR 单片机，Motorola 单片机。51 系列单片机最早有 Intel 公司推出，主要有 8031 系列，8051 系列。后来 Atmel 公司以 8051的内核为基础推出了 AT89 系列单片机。其中 AT89C51 AT89C52

21、AT89S51 AT89S52 AT89S8252 等单片机完全兼容 8051 系列单片机，所有的指令功能也是一样的。就是功能上做了一系列的扩展。本系统中的站牌系统的核心控制芯片就是 AT89S52。AVR单片机也是 Atmel 公司的产品，是 8 位单片机中第一个真正采用 RISC 结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得 AVR 单片机具有高达 1MIPS/MHz 的高速运行处理能力。本系统中的公交车系统就是采用 AVR 单片机中的 ATmega128，ATmega16 作为核心控制芯片。2.1.1 单片机的典型应用领域及特点以单片机为核

22、心构成的单片机嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。在现代的数字化世界中，单片机嵌入式系统已经大量地渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。其主要应用领域有以下几方面：1工业检测与控制主要应用工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要的作用。2仪器仪表目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表

23、向数字化、智能化、多功能化方向发展。3消费类电子产品例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。4通讯在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。5武器装备在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机嵌入其中。6各种终端及计算机外部设备计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。7汽车电子设备已经广泛地应用在各种汽车

24、电子设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等。8分布式多机系统在较复杂多节点的测控系统中，常采用分布式多机系统。一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。 从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。2.1.2 单片机的系列Zilog 的 Z80 系列（这个是比 51 还要老的单片

25、机）Intel 的 51 系列单片机Atmel 的 AT89 系列单片机Atmel 的 AVR 系列单片机Microchip 的 PIC 系列单片机Freescale 的 MC 系列Motorola 的 6800 系列义隆公司的 EM 系列麦肯公司的 MDT 系列和泰的 ABOV 系列意法半导体的 ST 系列单片机ARM 系列 32 位的单片机等2.1.3 单片机的结构典 典型单片机的基本组成结构为了提高 MCU 并行处理的运算效率，AVR 单片机采用了程序存储器和数据存储器使用不同存储空间和存储总线的 Harvard 结构，如下所示。Harvard 结构图AVR 的内核结构示意图B、 、 、

26、PSWALU、 、 、 、 、 、 P3、 、 、 P1、 、 、ISP、P3、 、 、 、P1、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 /、 、 、 、 、 、 、ACCSPTMP1TMP2、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 PC、 、 、 、 、 PC、 、 、 、 、 、 RAM、 、 、 、 、RAM P0、 、 、 P2、 、 、Flash P0、 、 、 、P2、 、 、 、 VCCGNDPSENPROGALE/PP/EA VRSTP0.00.7P2.02.7P3.03.7P1.01.7XTAL1XTAL2 AT89S5 指令图 2 的系统2.2 WT58

27、8D 语音芯片的简介2.2.1 主要性能WT588D 语音芯片是一款功能强大的可重复擦除烧写的语音单片机芯片，高度集成的单片机技术足以取代复杂的外围控制电路，配套 WT588D Voice Chip 上位机操作软件可随意把信息在线下载，大大减少了语音编辑的时间。支持插入静音模式，不占用 SPI-Flash 内存的容量。输出模式有 MP3 控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制控制端口扩展输出模式，完全支持 6K22KHz 采样率的音频加载。220 个可控制的语音地址位，单个地址位里能加载 128 段可组合语音。PWM 和 DA

28、C 输出方式，PWM 输出可直接推动 8/0.5W 的扬声器，DAC 输出外接功放，音质好。2.2.2 工作原理WT588D 系列语音单片机的封装有：16PIN 模块、28PIN 模块、DIP18、SSOP20 和LQFP32 芯片，我们采用的是 16PIN 模块。内部电路如下图, WTW-16P 采用 WT588D-20SS 作为核心控制电路，WTW-16P 内部包含了 WT588D-20SS 外围所需的 SPI-FLASH、振荡电路、复位电路，外部只需要接上电源、控制端以及扬声器（或者功放）就能正常工作。为了节省单片机 I/O 口，我们采用一线串口控制模式，因此只使用了其中的七个引脚。简介

29、如下表：封装引脚引脚标号功能描述1/RESET复位键，低电平保持5ms 有效3PWM+PWM+音频输出脚，需要从软件设置 PWM 输出才生效（接扬声器正极）4PWM-PWM-音频输出脚，需要从软件设置 PWM 输出才生效（接扬声器负极）8GND地线脚(接地)10DATA按键/三线时钟/一线数据输入脚(接单片机 I/O 口)14VCC存储器电源输入脚（3.3V）15BUSY语音播放忙信号输出脚16VDD数字电源输入脚（3.3V）一线串口只通过一条数据通信线控制时序，依照电平占空比不同来代表不同的数据位，先拉低 RESET 复位信号 5ms，然后置于高电平等待大于 17ms 的时间，再将数据信号拉

30、低 5ms，最后发送数据。高电平与低电平数据占空比为 1：3 即代表数据位0，高电平与低电平数据位占空比为 3：1 代表数据位 1。高电平在前，低电平在后。数据信号先发低位再发高位。2.3 L298 的简介L298 的内部结构图：L298 是一个很好的驱动电机芯片，无论是直流电机还是步进电机都可以。最大的输出电流是 2A。1 个芯片里包含了 2 个 H 桥，可以驱动两个电机，两个使能端分别为 EnA 和 EnB，都是高电平才有效， In1(In3)和 In2(In4)的电平必须输入是相反的电平再可以使能电机转动 .L298 引脚说明：2.4 直流电机简介定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为

31、直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流电机，将机械能转换为电能。直流电机的可逆运行原理：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极 N、S 之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网） ，对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极 N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流

32、电动机运行。直流电机的分类：按结果主要分为直流电动机和直流发电机;按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机2.5 红外传感器寻迹简介2.5.1 寻迹原理公交车在粘有白线的黑板“路面”上行驶，由于白线和黑板对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路” ，我们采用了简单、应用比较普遍的红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在寻迹公交车行驶过程中红外发射二极管会不断地对地面发射红外线，当红外线遇到黑色地面后被吸收，没有被反射回来，此时模块的输出为低电平；遇到白线时发生漫反射被接收管接收，此时模块的输出为高电平。单片机就是否收到反射回来的红

33、外光为依据来确定白线的位置和公交车的行走路线，红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过 3cm。2.5.2 传感器的选择和安装 市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器件外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成红 外探头。TCR 系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了 TCRT5000 反射传感器作为红外光的发射和接收器件，其内部结构和外接电路均较为简单，如图传感器原理图2.6 LCD 显示器简介站牌系统用到的液晶显示器是诺基亚的 5110 显示器，84x48 的点阵LCD，可以显示 4 行汉字，采用串行接口与主处

34、理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有 9 条。支持多种串行通信协议（如 AVR 单片机的I、MCS51 的串口模式等） ，传输速率高达 4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。 可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。LCD 控制器驱动器芯片已绑定到 LCD 晶片上，模块的体积很小。采用低电压供电，正常显示时的工作电流在 200A 以下，且具有掉电模式。LPH7366 的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中，如本系统中站牌设备。 诺基亚 5110 液晶显示器的引脚图如下所

35、示：诺基亚 5110 液晶显示器的引脚图第三章 功能分析 城市智能公交系统最终实现的目标是小车在给定的路线上实现自动寻迹，每到达一站自动停止，自动报站，同时公交车发送信号给站牌，站牌接收到信号后使该站点旁的指示灯被点亮，站牌间通过串口总线通信技术使得同路线上的相同站点的指示灯都被点亮。整个过程中站牌上的液晶显示器动态切换显示天气预报、公交车的动态位置、广告内容等。公交车在行驶的过程中还具备智能避障功能，到达终点站后能自动无线充电。智能公交系统的整体图如下： 为了实现以上目标，对小车和站牌的实际做以下分析：本系统由两辆公交车和七个站牌构成，其中有一个站牌为公共站牌。公交车在模拟跑道上利用红外对管

36、扫描自动寻迹前进，通过扫描跑道上的标志到达站牌指定位置停车，语音芯片通过单片机的控制实现自动报站，单片机控制红外发射头发送调制波（两辆车的调制波不同），站牌上的红外接收头接收到信号后传送到51单片机，继而判断来自哪路车，控制站牌上对应的指示灯被点亮，同时站牌通过串口总线通信发送数据给该路的每个站牌，每个站牌相应的指示灯也被点亮，站牌的液晶屏会显示公交车离本站还有几站地、天气预报、广告等信息。停车一段时间后公交车会继续寻迹前进。由于两路公交会有公共路段、公共站，公交车系统添加了红外避障功能，红外避障传感器检测到障碍物后自动停车，待障碍物离开，继续前进。公交车在行驶结束后会进入停车场，利用无线充电

37、技术对公交车进行无线充电。第四章 系统设计4.1 系统结构本系统是由公交车子系统和站牌子系统组成。公交车系统基于ATmega128、ATmega16 芯片的基础上，增加了红外寻迹模块、数码管显示模块、WT588D 语音自动报站模块、红外通信模块、左右轮电机模块。站牌系统采用以AT89S52 为核心的主控芯片，增加液晶显示模块、红外通信模块、RS232 总线模块、指示灯显示模块等。通过运用外部中断、定时器、PWM、串口通信等技术实现了城市智能公交车功能，城市智能公交系统的结构图和系统整体流程图如下所示：公交系统的结构框图红外通信模块红外寻迹模块ATmega128 单片机左轮电机右轮电机数码管显示

38、模块语音模块红外避障模块无线充电模块站牌系统的结构框图RS232 总线通信液晶显示模块 红外通信模块AT89S52 单片机指示灯显示模块电源模块是否是否开始小车前进判断是否到站小车停止，自动报站，发送信号站牌判断是否收到信号同路线上的所有该站点的指示灯全被点亮延时公交系统的整体流程图站牌系统的整体软件流程图如下图所示：站牌系统的整体流程图否判断是否收到 1KHz或 2KHZ 的波？设置电子开关，使工作在发送状态通过串口向各站发送该站编号是串口收到数据？初始化外部中断和定时器开始初始化串口设置电子开关，使工作在接受状态为该站设置一个编号是液晶屏显示所到的站点，距离该站还有几站更新站牌指示灯，点亮

39、相应站的指示灯液晶屏显示新闻、广告等内容否4.2 寻迹模块设计4.2.1 硬件设计(1) 总体方案 整个寻迹系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过 LM324 比较器处理之后，送给软件控制模块（以 ATmega16/ATmega128为主控芯片）进行实时控制，输出相应的信号给 L298 驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。（2）传感检测单元检测（白线）软件控制 寻迹模块框图驱动电机控制小车 正确选择检测方法和传感器件是决定寻迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是寻迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，本系统在地盘装设有三个红外探测头

40、，进行三方向纠正控制，将大大提高其寻迹的可靠性，具体位置分布如图：红外探头的分布图图中寻迹传感器全部在一条直线上。并且中间与两边的红外传感器之间的距离不能超过白线的宽度。公交车前进时，始终保持中间的红外传感器能检测到白线，两边的传感器哦只检测到黑板。当公交车偏离白线时，中间的传感器就会检测到黑板，把检测信号送给小车的处理和控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。本系统中的红外对管间的距离为 1.4cm，距离地面的距离为 8mm，间距适当，寻迹效果较好。否否是是4.2.2 软件设计此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。本系统

41、采用 ATMEL 公司的性能优越的ATmega128、ATmega16 分别控制 2 辆公交车。其程序控制流程图如下图： 否否否否否是是是PA 口的高三位为 110是是是开始定义变量 i 和tempPA 口的高三位为 010将 PINA5-7 赋给 temp（红外对管扫描情况决定 PA 的高三位的电平高低）公交车直线行驶PA 口的高三位为 100公交车左拐行驶PA 口的高三位为 001公交车右拐行驶PA 口的高三位为 011公交车左拐行驶公交车右拐行驶PA 口的高三位为 111公交车左拐寻迹开定时器中断产生1K/2K 方波,公交车停止，语音芯片工作报站。延时关定时器中断，公交车继续寻迹行驶，语

42、音芯片停止工作。否 寻迹软件流程图小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I/O 口，一旦检测到某个 I/O 口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号送给电动机从而纠正小车行驶的状态。整个寻迹模块的电路原理图如下图所示： 寻迹模块的电路原理图4.3 公交车车次显示模块设计4.3.1 硬件设计 本系统的公交车子系统由两辆公交车组成，分别由 ATmega128 和 ATmega16 作为主控制芯片，车次分别为 919、920，通过数码管显示车次。 数码管的显示分为静态显示和动态显示。本系统采用的均为动态显示。数码管的驱动方案有多种，有不需要其他芯片直接驱动的，本系统中由 A

43、Tmega128 主控的小车数码管的驱动就是采用这种方式，这种方式需要足够的 I/O 口，比较适合于驱动少量数码管。也有需要外加芯片驱动的，本系统中由 ATmega16 主控的小车数码管是由74HC138 和 74HC595 间接驱动的，其中 74HC138 控制位选，74HC595 控制段选。 硬件设计电路原理图如下所示：数码管显示模块原理图4.3.2 软件设计软件流程图如下所示：数码管显示模块流程图数码管 1 显示 9开始延时数码管 2 显示 1 或 2延时数码管 3 显示 9 或 0延时4.4 语音芯片模块设计4.4.1 硬件设计WT588D 系列语音单片机的封装有：16PIN 模块、2

44、8PIN 模块、DIP18、SSOP20和 LQFP32 芯片，我们采用的是 16PIN 模块。应用电路如下图：为了节省单片机 I/O 口，我们采用一线串口控制模式，因此只使用了其中的七个引脚。简介如下表：由于语音芯片只有在非常恶劣环境下才需要单片机在每次发送地址位时进行复位，所以我们将 1 引脚接 10 电阻接到 VDD直接拉高，扬声器分别接 3、4 引脚，PWM 波控制扬声器发声，8 引脚接地，10 引脚接单片机 PE0 口，由单片机发送地址位以控制播放的语段，14、16 引脚接 3.3V，3.3V 电源由 5V 经过 LD1117-3.3稳压管稳压而成。15 引脚串联 LED 和 470

45、 电阻，在语音芯片工作时，LED 灯亮。4.4.2 软件设计一线串口只通过一条数据通信线控制时序，依照电平占空比不同来代表不同的数据位，先发拉低 RESET 复位信号 5ms，然后置于高电平等待大于 17ms 的时间，再将数据信号拉低 5ms，最后发送数据。高电平与低电平数据占空比为 1：3 即代表数据位 0，高电平与低电平数据位占空比为 3：1 代表数据位 1。高电平在前，低电平在后。数据信号先发低位再发高位。控制时序图和软件流程图如下：结 束d+_否否是开 始将数据口 PD0/PE0 置低延时 5ms将数据口 PD0/PE0 置高判断地址位数d 是否小于 8定义变量 d 并赋初值 0判断地

46、址的第d 位是否为 1延时 600us将数据位 PD0/PE0 置低延时 200us将地址位向右移 1位将数据口 PD0/PE0 置高是延时 200us将数据位 PD0/PE0 置低延时 600us语音模块的软件流程图4.5 红外通信模块设计本系统中的公交车系统要和站牌系统进行通信，这部分功能通过红外通信模块完成。由于本系统中的公交车系统由两辆公交车组成，为了避免信号之间的干扰，所以要产生两种不同频率的信号，一路公交车上的单片机利用定时器产生 1kHz 波，另一路公交车上的单片机利用定时器产生 2kHz 波。与此同时我们采用 555 定时器产生38kHz 的波，用于和单片机产生的波进行调制，然

47、后在公交车到站时通过红外发射头发送给站牌，站牌通过红外接收头的接收、放大和解调直接输出公交车发送的信号。利用555 定时器产生 38KHz 方波的算法：占空比 q=(R1+R2)/(R1+2R2)，由于需要产生占空比为 66.6%的方波，故计算可得 R1= R2；振荡频率 f=1/(R1+2R2)Cln2=38kHz，取，计算得 R1= R2。利用 555 定时器产生 38kHz 方波的电路原理图如下图所示：555 定时器产生 38kHz 方波电路原理图4.6 避障模块 为了避免小车在寻迹行驶的过程中发生碰撞，两辆小车上分别都安置了红外避障传感器。红外避障传感器我们选择了漫反射光电开关 E18

48、-D80NK 代替，它是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。 实物图 调节距离方式图4.6.1 硬件设计避障电路原理图4.6.2 软件设计开始小车前进判断是否有障碍小车停止延时 避障模块软件流程图 4.7 XKT-408 无线充电模块 为了提高公交车系统的供电便利性，我们增加了无线充电模块对公交车进行无线充电。无线充电技术属于无线电能的传输(Wirelss Power TransmissionWPT)，是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种

49、技术，主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。如图 1 所示， 无线充电模块由发射模块和接受模块两部分组成，将发射模块放置公交车终点站，接受模块放置公交车上。其中发射模块是由芯科泰电子公司生产的一款最小体积的无线输电模块，模块体积仅为长 18mm 宽 15mm 高 8mm 的输电控制模块，除外置一个发射线圈外无任何元件，无线充电接收电流可高达 600mA，基本满足普通电子产品的充电供电之用，模块具有识别能力，可根据负载大小自动增减发射功率，工作效率约70安装方便简单，价格低廉，可直接工作在 412V 的宽电压工作，主要用于短距离的各种小电子产品使用，符合本系统的使用要求。接收

50、模块是由相应的接收线圈和接收板构成。发射线圈的制作:在直径为 40mm 的圆上绕 20N，电感量约为 30uH。接收线圈选用发射线圈的同样大小匝数可视具体情况绕制，在确定距离后调整线圈的匝数至接收电压稍高于负载为佳（也可直接用发射线圈作接收）。发射模块工作电压：5V-12V。发射模块工作电流：随接收负载电流的大小自动增减。接收模块的输出电流：5V/600mA。收发的作用距离：120mm，如果小电流工作可适当增加接收线圈匝数来增加传送距离。 XKT-408 实物图 发射电路原理图如下所示：接收路原理图如下所示：4.8 液晶显示模块 为了增加本系统的智能化并给乘客带来更多的方便和乐趣，我们在站牌上

51、安置了液晶显示器，不但可以显示公交车所处位置和下一站的信息，等车的乘客能够准确地预知公交车的位置，还可以显示天气预报和广告新闻内容，给焦急等车的乘客带来些许的关怀和乐趣。4.8.1 硬件设计硬件原理图： 液晶显示电路原理图4.8.2 软件设计液晶显示模块软件流程图4.9 串行通信模块 为了完成站牌与站牌间的通信，我们应用了串行通信技术。所谓串行通信，即一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。它的特点是：数据位传送，传送按位顺序进行，最少只需一根传输线可完成。串行通信成本低但速度慢，且通信的距离可从几米到几千米。根据信息的传送方式，串行通信可以进一步分为单工、半双工和开始判断站牌是否接收到

52、信号是否是 1K 信号显示广告 天气预报 车位置是否显示 920 车进站显示 919 车进站是否全双工三种。本系统中采用的是 RS232 串口通信。目前较为常用的串口是 9 针串口（DB9，通信距离较近时12m） ，可以用电缆线直接连接标准 RS232 端口，若距离较远，需附加调制解调器（MODEM） 。RS232 串口通信接线方法（三线制）接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接。DB9 接口三线引脚定义：RXD 接收数据， TXD 发送数据。GND 信号地。RS232 逻辑电平：逻辑 0 电平规定为+5+15 之间，逻辑 1 电平规定为-5-15 之间，因此

53、在与单片机进行通信时需要进行电平转换。4.9.1 硬件设计RS232 串行通信接口的电路设计如下：RS232 串行通信电路原理图4.9.2 软件设计串口通信模块软件流程图接收到信号发送给 919 路其他站牌，使相应指示灯点亮发送给 920 路的其他站牌，使相应的指示灯点亮继电器上电串口发送数据开始是否是 1k 信号否是第五章 总结本系统由公交车系统和站牌系统两部分组成，公交车系统是由达盛科技有限公司所提供的 EXP-ATmega128 作为电动小车的主要微控制器，在该控制器的基础之上，增加了红外寻迹模块、数码管显示模块，红外通信模块，语音自动报站模块、驱动和控制电机模块、红外避障模块以及无线充电模块。站牌系统是由 AT89S52 作为主控芯片在该控制器的基础上增加了红外通信模块、