2智能公交报站器 0614
哈尔滨理工大学毕业设计
题目：智能公交报站器设计
院、系：自动化学院自动化系
姓名：刘盛浩
指导教师：宋清昆
系主任：吕宁
2017年06月23日
智能公交报站器设计
摘要
随着近几年中国经济的飞速发展，人民的生活水平也得到了显著的提高，越来越多的中高等收入家庭购入了轿车作为代步工具，人们的出行条件也得到了巨大的改善。但在当前社会，人们的出行方式仍然以公共交通工具为主。随着近年来各地政府大力发展城市的公共交通事业，例如修建地铁和新能源公交车的使用。以公交车为例，前几年售票方式已从有人售票改变成无人售票，近几年，公交车加入了语音报站系统。该系统通过司机控制，每到一站，司机手动播放站点信息，目前使用较为广泛，但这种方法不具备自动性。当前新型号公交车具有自动报站功能，但新型号公交车短期内不能大量替代传统公交车，因此，研制出一款具备自动报站功能且方便安装在传统公交上的自动报站系统十分重要。
本公交车报站系统采用语音报站方式进行报站，通过STC89C52单片机控制语音芯片进行报站操作，报站过程不需要人工干预。该系统通过GPS定位系统实时获取公交车位置，并根据当前公交车是否抵达站台区域来判断是否报站。
关键词GPS；STC89C52；公交报站；语音芯片
Intelligent bus stop reporting system
Abstract
With the rapid development of Chinese economy in recent years, people's living standard has also been significantly improved, more and more in the higher income families purchase the car as a means of transport, people travel conditions have been greatly improved. But in the current society, people's travel mode is still dominated by public transport. In recent years, local governments have been making great efforts to develop urban public transport, such as the use of subways and new energy buses. To bus, for example, a few years ago, ticketing has been changed from someone ticket to unmanned ticketing, in recent years, the bus joined the voice reporting system. The system is controlled by the driver. At each station, the driver manually broadcasts the information of the station. It is widely used at present, but this method does not have automation. The new type of bus with automatic stop function, but the new type of bus in the short term is not a lot to replace the traditional bus, therefore, developed a automatic stop function and convenient installation in the traditional bus automatic station report system is very important.
The bus stop reporting system uses the voice reporting station for reporting stations, and the voice chip is controlled by the STC89C52 microcontroller for reporting station operation. The station reporting process does not require manual intervention. The system uses the GPS positioning system to obtain bus location in real time and determines whether to report station according to whether the bus arrives at the platform or not.
Keywords GPS, STC89C52, Bus station, V oice chip
目录
摘要...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II
第1章绪论 (1)
1.1研究目的及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.3本文主要研究内容 (6)
第2章报站系统总体设计 (7)
2.1报站系统总体架构 (7)
2.2系统主要功能 (8)
2.3 GPS解析 (8)
2.3.1 GPS数据格式 (9)
2.3.2 GPS应用 (9)
2.4本章小结 (10)
第3章报站系统硬件设计 (11)
3.1硬件设计总体方案 (11)
3.2主控制器设计 (11)
3.2.1单片机最小系统 (11)
3.2.2电源与下载接口 (13)
3.3液晶屏幕LCD12864 (14)
3.4语音芯片ISD4002 (14)
3.5本章小结 (15)
第4章报站系统软件设计 (16)
4.1软件总体设计 (16)
4.2报站系统主程序设计 (17)
4.3 GPS数据处理程序设计 (18)
4.3.1 GPS数据的获取 (18)
4.3.2 GPS数据的解析 (18)
4.4 LCD12864屏幕显示程序设计 (20)
4.4.1内部寄存器说明 (20)
4.4.2工作指令与时序 (20)
4.4.3程序设计 (21)
4.5 ISD4002语音模块程序设计 (21)
4.6本章小结 (22)
第5章公交报站系统的调试分析 (23)
5.1软件调试环境搭建 (23)
5.2硬件测试环境搭建 (25)
5.3测试结果 (26)
5.4本章小结 (27)
结论 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
附录A (32)
附录B (38)
附录C ................................................................................ 错误！未定义书签。
第1章绪论
1.1研究目的及意义
当前，我国国民经济发展虽然有所放缓，但整体推进势头依然强劲，城市化、工业化进程不断加速，各级各类城市成为人口的集中地，这一基本态势导致我国城市交通需求总量猛增。国内汽车化水平随着国家整体实力也提升连年走高，全国民用汽车尤其是小汽车，成为城市车辆的主体。我国城市交通拥堵、阻塞现象因此也在日益凸显，车辆尾气排放导致的环境污染、交通事故频发等，均让社会各界开始把更多的目光投向机动车。城市经济可持续发展、城市公众生活水平质量已经受到城市交通问题的已严制约[1]。解决这一问题的基本出路在于既有交通资源利用效率最大化。因为具备了相对污染少、能源消耗低、人均占用面积小运送效率高、运载量大等现实发展优势，城市公共交通可以高效利用交通资源，让城市交通压力得到有效缓解[2]。所以，城市交通问题处理的核心环节在于：让公共交通工具成为公众出行的首选。不过，想使公众自愿搭乘公共交通工具出行，公共交通服务质量必须要全面提升，把公共交通的快捷、可靠、省钱和方便真正植物公众内心。所以，进行现代公共交通管理系统开发与建设，把公交管理全面改善，实现公交服务质量提升，将城市交通状况整体改善，成为城市交通问题解决的核心。大城市公交系统自80年代中期以来出现萎缩现象。90年代伊始，大部分城市中，乘公交出行居民比例由当初的30%变为不足10%。企业生存、发展与服务质量缺少内在联系，经济与运营效率之间脱钩，公交企业主生存发生必须有政府财政补贴，这导致公交业主始终处于亏损状态，这是公交发展不进反退的基本原因。近年来，中国城市化发展速度加快，城市公交建设总体来看进展明显，不过，经济社会发展始终超前于城市公共交通的总体局面并无改观。分析表明，国内公交车数字电视业务通常没有站点附近酒店、景点等信息提供，通常用于广告播放，智能交通系统等也因此得以问世。人工手动报站是国内公交报站器的主流，当前只有哈尔滨、上海、南京、广州中山等城市在使用GPS语音自动报站系统。价格昂贵的GPS定位系统自动报站器让其普及受阻。传统公交运营系统管理模式与设备的不足之处比较多。城市建设和发展的一个主体构成就在于城市公共交通,其不但是政府管理水平的集中体现，也能把各城市的风土人情、形象与风貌清晰的展示出来，可以创造更多的社会效益与经济效益。日益完善的GPS技术不断降低着GPS产品价格。能完成语音自动播报、定位精度高等GPS语音报站系统已具备研发与普及的基本条件。不过，从语音报站技术来看，高楼、树木、桥底等相对封闭场所
会对信号接收产生影响，有时甚至接收不到，这些直接制约了这项现代科技的服务能力。城市地理信息系统，GPRS无线通信网和GPS定位的结合体会成为这一领域未来发展的基本走势。
国内外的语音报站技术分类有以下几种：一是语音报站器，公交车出行过程不受影响，在公交车即将到站前需要由乘务人员按动报站按钮方可报站。原理为先将我们预先需要的站点按照顺序依次输入进去由报站人员注意是否到站来按动报站按钮，在经由语音芯片进行播放语音。这种方法的优点是设计简单，没有过于成熟的功能，制造的成本也是十分低廉，非常适合三线城市及县、镇、乡等城市去实现报站功能。但这种方法的缺点也同样十分明显由于需要人工来进行报站的功能这就对于司机有了一定的要求，出现误报、忘报的概率会提高[3]；二是门控语音报站器，这种是将开门、关门时的转换信号发送到单片机，再由单片机与语音报站器连接，开关门来发送信号进行报站。该方法兼有语音报站器的设计简单、制造低廉的优点，同时还无需人工的额外操作。该方法的报站较为准确。缺点是当车门开关时就已经到站，无法做到提醒人们站点即将来做准备。三是无线信标语音报站器，它是在每个公交车站点设置发射信标点，公交车临近到站点左右会收到信标信号，开始自动报站，出站后信号消失，开始预报下一站。此方法优点十分明显，报站十分准确，对人工的要求减少很多。缺点也很明显虽然此报站器报站准确，但需要为每个站点组建无线发射信标，建设复杂、费用高，大部分站点无电源供应，公交车数量多时存在频率干扰问题，且较严重，用户修改站点非常不方便，系统维护成本高[4]；四就是GPS自动语音报站器，此报器是在公交车上安装GPS自动语音报站器，当车即将到达站点时即可收到GPS信号，识别后经由语音模块播放录好的音频。该方法报站精准，无须人工操作，无须建设任何车外设施，极大减少司机的工作量，被广泛使用. 故本设计采用基于GPS的公交报站[5]。
1.2国内外研究现状
国外的研究现状
1.日本VICS
上世纪60年代，ITS研究工作已在日本启动，东京在1970年时完成了VTCS（车辆交通控制系统)配置，CACS（综合汽车控制系统)研发于1973-1978年间在该国展开，第一套导航系统于1981年由本田公司正式售出，Accord 轿车成为第一款安装导航系统的机动车。CRT技术于1987年被日本丰田汽车公司配置在Crown 轿车中，用于地图显示，对于汽车领域内来，这同样尚属首次。基于民间企业、团体的由智能交通运输系统相关的机构、行业与学术组织组成的日本VERTIS（道路交通车辆智能化推
进协会）于1994年1月正式宣告成立，该协会还和日本政府5个相关省厅组成了联席会议制度。智能交通运输系统和系统结构的全面计划于1996年7月被日本政府的这五个省厅联合推出，日本智能交通运输系统设计与开发以及该国智能交通系统的长远目标也就此得以确立，其将九个发展区域多达二十种用户服务项目悉数涵盖其中[6]。发展区域主要有支持行人和支持紧急车辆管理、提高商业车辆的管理、支持公共交通、提高交通管理的效率、最佳交通管理、安全驾驶系统、电子收费系统、导行系统。这方面的典型是：车辆信息与通讯系统（即VICS），VICS的应用始于1996年4月，自此，其应用范围不断扩大，日本国内各主要城市与高速公路均可以找到VICS。日本现已全面建成UTMS（全球交通管理系统)，VICS、定点公交车优先交通信号控制和公交优先系统是其实现的载体，车辆运行管理系统（基于UTMS）也于横滨冬季奥运会（1998）上得到验证。日本气象协会、日本A- works、丰田、日本电装(DENSO)、日本电气株式会社(NEC)、名古屋大学等机构于2001年正式组成了P-DRGS协作团体，矢志交通信息系统（基于浮动车）研发与测试，在分析超过1500台出租车后，将位置等数据提供出来，以此完成配车支援，并把触摸屏式信息服务技术提供给出租车乘客[7]。
VICS现已在日本全国普及，能实时发布诸如天气状况和交通事件，停车场信息，旅行时间预测，实时路况等在内的多种出行信息服务。将该国的交通环境、通畅和安全进行了本质性改观。截止2006年3月，安装VICS系统的汽车达18000000辆。富士Chimera的曾将ITS市场进行了系统服务、路车间通信基础设施、车载设备划分，并就此展开调查。结果表明，日本ITS市场规模在2004年时是8461亿日元，如果折算成人民币的话，是651亿元。预计，这个数字在2010年会在1.71万亿日元以上，也就是在1315亿元人民币以上，和2004年相比，增幅将达到102%，这方面增长最快的就是系统服务。
2欧盟ERTICO-TMC
20世纪70年代初，与ITS相关的讨论开台在欧共体出现。德国大众与博世公司于70年代中正式启动了路车通讯导航实验计划。在时任法国总统密特朗倡导下，欧洲19国于1988年将尤里卡联合开发计划全面启动，斥资50亿美元，进行横跨欧洲的智能化道路网构建是该计划的主旨，基于科研成果与现实使用之间转化时间最短，通讯、电子和汽车业等民间企业与欧盟委员会正式成立ERTICO（欧洲道路运输信息通讯合作组织），欧盟外国家政府与中央、地方与产业界间联络工作由其负责。作为欧盟委员会的一个咨询性部门，欧洲道路运输信息通讯合作组织的主要职责是战略实用计划制定，全面促进标准化工作发展[8]。
对全欧洲应用ITS进行促进与支持，进行理想交通环境构建与营造，获得相应的经济收益等，是欧洲道路运输信息通讯合作组织的使命。由于
少了部门及政府、国家间约束，在欧洲道路运输信息通讯合作组织推动下，企业及机构之间合作效率不断提升，欧洲ITS大市场已基本形成。
RDS-TMC、TrafficMaster、EURO SCOUT、SOCRATES为欧洲当前极具代表性的几种交通信息系统。而使用范围最大、应用最成功的大规模交通信息解决方案是RDS-TMC。RDS属于数据广播系统欧洲标准，由EBU（欧洲广播联盟）于1984年制定推出。数字编码系统是交通信息频道（Traffic Message Channel，TMC）的本质。
涵盖被盗车辆跟踪、车辆行车时间预测在内，基于浮动车数据的交通信息服务由英国ITIS公司于2003年推出，系统约有5万辆浮动车数量，德国VISUM Online的内核算法将交通事故数据、浮动车（FCD）数据和检测器数据融于一体，是一种现代ATIS（出行信息系统）的理想载体，能通过网络直接发布VISUM Online所得信息；Trafficmaster是欧洲实时交通信息提供商，其主要业务是固定探测数据，同时可以提供浮动车数据，以此服务于固定或移动网络、移动电话服务、车载设备提供服务。动态交通信息服务（基于浮动车）测试当前正在荷兰、丹麦等国展开[9]。
3美国ITS
早在60年代，电子导行系统计划被美国提出，其实质就是利用路车双向通讯技术，引导或提示驾驶员完成最优行车路线选择。囿于联邦议会约束，该计划当时未能实施。及至80年代后半期，受欧洲、日本等国影响，ITS在美国进入了实质性发展阶段。
国内研究现状
当前，汽车已经成为国人工作、生活的必备工具，在可预见的未来数年，我国汽车增速会依旧处于显著增加态势。车载GPS系统的市场空间、潜力极为巨大。乐观估计，国内GPS系统需求量年均增幅将超过30%。兼具防盗、定位、导航等功能是车载GPS技术的突出优势，日本、欧洲、北美等国家或地区，GPS应用已经普及，各类GPS市场中，汽车导航销售额排名第一。市场规模、技术应用等，是国内车载GPS市场传统约束因素。近年来，我国产品与技术水平不断发展完善，汽车市场进步尤其明显，车载GPS市场同样因此迎来了规模发展阶阶段。和GPS关联密切的电子地图及其它动态内容的进一步完善，将会持续提升GPS实用性，并在实质上促进国内汽车市场发展呈现显著增加态势。静态导航会被动态导航最终替代。
数据显示，中国汽车导航市场目前正处发轫时期，现实需求量估计在550000台左右，若按4000元/台标准价格核算，在未来3-5年，百亿元市场规模即将形成。国务院发展研究中心提供的预测数字显示，当前，中国私家车保有量为45000000多辆。到2010年，这个数字会改写成56690000辆，而到2020年，将会是131030000辆。中国GPS协会发布的相关报告表明，汽车自主导航系统在2010年时将有1000000台销售量，5000000台
保有量。国内车载GPS市场发展潜力由此可见一斑。
中国是全球汽车市场增长的重点国家，对全球市场来说，国内导航系统市场已经开成了一定的决定性影响力。卫星导航车辆应用在国内的发展趋势主要表现在：车辆监控系统的需求倾向已在市场中大量出现，应用服务与产品质量提升是此项技术发展的关键，专业应用尤其如此；国内的导航系统，尤其是车载导航仪等的系统集成、服务、产品及技术已经有显著进展，短期内，批量市场有望快速形成；几乎和车辆应用系统发展保持同步状态的信息服务产业同样已在各地许多城市陆续形成规模，未来数年，势力成为产业发展的一股主导量力量；车辆导航与监控合2为1成为这类产品发展的基本趋势；卫星导航车辆应用的广度、深度、多元化同步发展现象会在国内陆续出现[10]。
2.2车载GPS市场的发展空间
调整表明，尽管我国GPS市场规模多达数百亿元，但国内只有不足5%车辆配置了车载导航系统。
汽车业发展对车辆导航产业具有决定性功能。国内GPS导航市场潜力明显优于西方国家。截止2007年12月，日本、欧美汽车车载导航安装率分别是59%、25%，我国不足5%。日本、欧洲、北美等地的汽车导航销售已经呈规模化发展现实，占居了各种GPS市场排行榜首位，国内GPS 技术才刚刚开始。日本相关机构表示，中国车载产值到2010年时，最低会在200亿元人民币以上。因此，各类导航产品被许多商家推出。
2.3北京车载动态导航市场概况
国内动态导航服务业正处商用测试阶段。传统静态导航技术还在手机导航产品、导航仪中采用，产品普及率只有2%，使用粘性不足。而北京动态导航信息服务调研数字表明，有多达70%的司机对具备动态导航功能的导航仪有消费欲望，市场潜力诱人。
我国诸如北京智能交通数据采集处理发布一类的核心技术现已基本具备与国际技术水平媲美能力，测试的数据质量结果表明，准确率、覆盖率分别达到84.5%、74.2%，准商用水平基本具备。从产业链打造、推动来看，由科研机构、信息服务提供商、电信运营商、软件厂商、地图厂商、终端厂商组成的交通信息产业联盟基本成形，密切协作、共建行业标准的条件已经具备[11]。
在汲取他国先进经验和技术前提下，国内动态交通信息行业标准更应以我国城市交通特点为抓手，由此制定出完整、先进的行业标准。这项工作也在政府主导下，已经基本制定成功，并正式投入使用，经过2008年北京奥运会及随后的相关实践测试，结果表明，其对未来动态导航技术将发生极大的促进功能。
1.3本文主要研究内容
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[12]。
本文主要研究内容如下：
1.单片机的选择; GPS定位模块的数据采集;精度的选择;语音模块;
2.GPS信号的采集和定位的算法编写;
3.GPS 语音报站系统硬件电路设计;
4.单片机外围硬件电路的设计;
第2章报站系统总体设计
2.1报站系统总体架构
智能公交报站系统总体结构分两大部分：显示功能与报站功能。显示功能是主控制器通过显示模块（如LCD12864液晶屏）来显示即将到达或已经到达的公交车站的站名。报站功能是通过主控制器对当前公交车行驶位置进行判断，若行驶位置到达目标站台，就控制语音模块报出相应公交车站站名。系统的总体架构流程图如下。
图2-1 系统总体流程图
2.2系统主要功能
根据系统的总体架构分析，可知，智能公交报站系统的主要功能分下列几个方面。
1. 公交车位置获取
公交车在行驶过程中是处于运动状态的，而不是静止的，所以，本系统的主要功能之一是获取行驶运动中的公交车实时位置。该位置可通过公交车线路信息进行表达，但本系统设计的目的是使报站系统具有简单操作、更新快捷的特点。因此公交车的位置应该由经纬度值进行表示，更新系统时，只需要将公交车沿线经过的公交站台经纬度信息输入至报站系统中即可。
2. 车站名称显示功能
报站系统通过LCD12864液晶显示屏幕将公交车沿线车站名称信息进行显示，具体显示的内容为:当公交车驶入站台时，显示当前站台名称。加入站台显示功能主要是为听力障碍人群提供文字信息，这也是本系统与其他系统不一样的特色功能。
3. 语音播报车站名称功能
报站系统的另一个主要功能为语音报站功能。当公交车行驶到车站站台区域时，语音播报系统应该通过语音方式播报站台名称信息，并提示公交车乘客下车。语音播报通过语音芯片与放大器及声音喇叭共同实现。
2.3GPS解析
GPS系统即全球定位导航系统，由美国主导，其为一种通过无线电信号利用空间地理位置信息进行位置信息确定的系统。GPS系统可提供系统授时、全天候定位等功能。正常情况下，GPS的定位至少需要三颗卫星，而要实现精确定位，则需要最少四颗卫星。组成GPS星座的卫星共计有24颗，这24颗卫星分布在空间中不同位置的轨道，这样就可以使得在地球任意位置上任何时刻都会有4颗卫星处在头顶上空。当前世界上，GPS 系统已经在军事、商业、民用领域上得到了广泛的应用。民用级别上，GPS的使用完全免费，只需要购入GPS接收机即可。GPS接收机内部具有相关信号接收与解算芯片，芯片的主要工作原理是：利用前端无线接收芯片将空间中的GPS导航信号进行接收并对信号的增益进行相关放大处理；处理后的信号送入解码芯片进行解码，解码芯片最少要接收三颗卫星的信息，根据三颗卫星的实时空间状态对接收机所处位置进行结算，根据多普勒原理：电磁波在发射源向接收机靠近时接收机接收到的实际频率将会变高，电磁波在发射源向接收机远离时接收机接收到的实际频率将会变低。由于GPS自身携带了走时十分精确的原子钟，原子钟走时精确是由于其内
部李永乐原子的自身振荡频率来测量达到时间。原子钟是当前世界上测量时间最精确的时钟源。因此，理论上我们只需要4颗卫星即可完成定位，但通常情况下，为了保证定位的精度，至少利用6到9颗卫星。
2.3.1GPS数据格式
报站系统中，主要使用了GPS数据中的经纬度数据，以下面的GPS 数据做例子，解释GPS数据的构成。
表2-1 一帧GPS数据
$GPRMC,150510.00,A,4542.81382,N,12637.06545,E,0.067,,070617,,,A*72 $GPVTG,,T,,M,0.067,N,0.123,K,A*22
$GPGGA,150510.00,4542.81382,N,12637.06545,E,1,04,1.86,414.9,M,11.7,M,,*5C $GPGSA,A,3,05,07,15,06,,,,,,,,,2.93,1.86,2.26*03
$GPGSV,3,1,09,02,52,150,28,05,77,029,46,06,06,137,30,07,21,051,45*72
$GPGSV,3,2,09,15,21,222,27,20,43,283,,21,06,312,26,29,38,273,23*7B
$GPGSV,3,3,09,30,30,090,*49
$GPGLL,4542.81382,N,12637.06545,E,150510.00,A,A*6D
如上表所示为一帧GPS数据，其数据格式为NMEA0183，该数据格式由美国国家海洋电子协会制定，其协议为文本格式，是当前世界范围内GPS芯片或模块输出的统一标准格式。符号$用作语句起始字符，表示每一段数据帧的起始，其后面通常伴随着GPS卫星解算信息。GP表示全球定位系统（GPS），这同时也是用来区分GPS和其他导航系统输出的关键字符，当GPS模块同时接收多个导航系统的导航数据时，这个字符也能将输出的数据进行区分，其余的字母组合则表示了不同的消息识别码，具体含义如下：
RMC：包含日期、时间、位置、方向、速度；
VTG：方向角、当前对地速度；
GGA：时间。位置。定位位置数据；
GSA：接收机工作模式、卫星工作数据；
GSV：卫星ID、当前海拔、仰角、方位角、信噪比；
GLL：经纬度、UTC时间（格林威治时）、定位状态；
2.3.2GPS应用
根据上述GPS数据含义说明，结合实际系统中设计使用要求，本报站系统中仅需要使用GPS模块输出的经纬度信息。
使用GPS作为公交车位置信息获取的主要原因如下：
1. GPS定位快
通常情况下，GPS模块冷启动后120s左右便可搜到GPS卫星并完成定位工作。但在阴雨等天气，由于天气原因GPS定位的时间将被延长，但通常情况下，定位时间不会超过240S。
2. GPS观测时间短
GPS定位模块具有纠错与跟踪功能个，当公交车快速行驶时，仍然能进行定位并且能实时计算公交车当前位置信息。
3. GPS模块使用简单
GPS模块的使用不需要进行复杂的控制，只需对GPS模块进行上电即可，GPS模块便会自动将GPS的标准数据通过TTL输出，控制器只需要将数据接收并分离信息提取即可。这一个过程大大加快了控制器的获取速度，并减轻了控制器的工作量。
4. GPS定位精度高
GPS系统的民用级别动态精度为6米左右，静态精度通常也在4米左右，对公交车站台精度来讲完全够用，其产生的误差可以忽略不计。
5. GPS具备全天候定位
根据GPS的特点，任何地点任意时刻都有4颗卫星在使用者上空，任何时刻都能收到GPS定位信息，而当遇到雨、雪、大风等恶劣天气时，GPS模块仍然能正常接收GPS信号。
2.4本章小结
本章主要进行了公交报站系统的整体实现方案设计与GPS数据解析，对系统的整体实现功能进行了说明。GPS定位是本公交报站系统中的关键部分，正确的使用GPS信号才能使系统正确的进行报站，完成预期功能。
第3章报站系统硬件设计
3.1硬件设计总体方案
公交报站系统主要由语音播报模块、显示模块、主控制器与液晶显示屏幕四大部分构成。主控制器为STC89C52RC单片机、语音播报模块型号为ISD4002、GPS模块为BS-280、液晶显示屏幕型号为LCD12864。硬件设计总体方案如下图所示。
3.2主控制器设计
3.2.1单片机最小系统
本报站系统中，选用STC89C52单片机作为本报站系统的主控制器，主控制器是公交报站系统的核心元器件，是系统重要的组成部分。主控制器的主要工作是接收GPS模块数据并分析处理，判断公交车到达站点后控制液晶屏幕与语音播报模块进行报站。
STC89C52芯片是通用型8051单片机，是基于因特尔公司于上个世纪推出的内核进行研制生产的，该芯片稳定性较好。虽现阶段有同等类型的单片机性能超过8051单片机，但是8051单片机自身具有的高度稳定性、适应性等特点是其他单片机不能取代的，因此，本设计中选用8051单片机做为智能公交报站器的主控制器，8051单片机同时还具有外围电路设计简单、编程简单等特点。
图3-2 主控制器最小系统
如上图所示为STC89C52的单片机最小系统，其包含了一个晶振电路。因为本智能公交报站系统中，主控制器与GPS模块之间进行数据传输主要通过串口完成，因STC89C52单片机为51内核，其内部无时钟源，必须要外接一个晶振作为单片机正常工作的时钟源。晶振频率的确定根据使用的功能进行确定。本系统中，使用了串口进行数据接收，接收时波特率大小为9600Kbps，根据51数据手册，其对应使用最佳的晶振频率应该为11.0592MHz。因此，控制电路设计中，晶振频率选取11.0592MHz，匹配电容选用30pF。
若要使单片机正常工作，还需要给单片机设计一个复位电路。复位电路的主要作用是在单片机上电时给单片机提供一个复位信号，从而引导程序从内存起始位置进行执行。
图3-3 复位电路
如图，复位电路由电容与电阻串联组成，使用到的电容为电解电容，其大小为10uf，电阻的阻值为10KΩ，复位电路的工作原理为：系统初始化上电后，由于电解电容开始充电，故可视其为短路，此时RST引脚应该为高电平，电源对电解电容进行充电过程中，RST引脚上电压逐渐降低，当电解电容电量充满后，电解电容相当于开路，无电流流过，此时RST引脚为低电平。单片机复位引脚检测到电平由高电平变化为低电平时，便执行复位操作。从而使单片机开始正常工作。
3.2.2电源与下载接口
由于单片机的正常工作电压为5V，而且系统中使用到的GPS模块、语音播报模块和LCD12864液晶显示屏幕供电均为5V，因此，系统供电电路中不使用稳压降压模块，直接采用5V电源供电，电源接口电路图如下
图3-4 电源供电接口
图中，S1为系统电源总开关，负责控制系统总电源；电阻R1与LED 指示灯D1构成电源指示电路，用来显示电路通断；C1为电解电容，其主要目的是储能作用，是系统电源波形更加平稳；C2电阻为0.1uf，其主要作用是对输入电源中的高频谐波噪声进行过滤，防止干扰到主控制器。
主控制器设计中，还预留了下载接口与GPS模块接口，方便对单片机的程序下载与GPS连接。
图3-5 GPS接口与下载接口
3.3液晶屏幕LCD12864
智能公交报站系统设计中，使用了LCD12864液晶显示器作为系统的公交站站名显示。LCD12864液晶屏的分辨率为128*64，其显示方式为点阵图形显示，即通过组合像素点来显示字符。LCD12864内部的控制芯片为ST7920，并且还集成了汉字字库，即不需要通过对汉字进行取字摸与编码就能显示汉字。使用时，只需要将汉字写入LCD12864内部寄存器即可。
电路设计方面，由于LCD12864为液晶显示屏，无背光光源，故使用时需要对液晶屏内部的发光LED进行供电，通常LCD12864内部自带背光限流电阻，所以，电路设计时，就不需要对液晶屏幕背光供电部分加入限流电阻，但为了安全起见，本次设计中，在液晶屏背光供电电源正极上串入了阻值为200Ω的限流电阻。在LCD12864的对比度调节引脚上需要接入一个滑动变阻器来调节屏幕显示的对比度。通常该滑动变阻器阻值应取1KΩ左右，电路设计中，滑动变阻器选择阻值为1KΩ。本次设计中，液晶屏幕电路图如下。
图3-6 LCD12864电路图
3.4语音芯片ISD4002
语音芯片ISD4002是一颗高保真具有语音录制和播放功能的芯片，本报站系统中，使用该语音芯片进行公交车到站的语音播报工作。因为该芯片使用的特殊性，需要将要播放的音频提前录制到芯片中，再由主控制器进行选择播放。语音芯片应用电路图如下。
图3-7 ISD4002应用电路图
如图所示，ISD4002芯片与主控制通信方式采用SPI协议进行通信，SPI协议是一种只有四根线组成的高速全双工数据传输协议。ISD4002芯片共有28个引脚，其引脚功能为：
PIN1、SS，器件选择端，当该引脚低电平时，期间被选中；
PIN2、MOSI，串行输入端，主控制器应在时钟上升沿之前半个周期将数据放到该数据线上
PIN3、MISO，串行输出端；
PIN4、PIN11、PIN12、PIN23、VSS为电源负极地线；
PIN5~PIN10、PIN15、PIN19~PIN22为空引脚；
PIN13、AUD_OUT音频输出端；
PIN14、AMCAP自动静噪端；
PIN16、PIN17、ANAIN为录音信号差动输入端，主要接MIC；
PIN18、PIN27、VCC，电源正极；
PIN24、RAC，行地址时钟输出；
PIN25、INT，中断输出，当放音结束时输出中断，该引脚为低电平；
PIN26、XCLK，外部时钟输入端。不使用时必须接地；
PIN28、SCLK，串行时钟，用于同步串行数据；
考虑到ISD4002芯片能带动的喇叭功率较小，因此电路设计中，加入了一个运算放大器作为放大器件对喇叭进行驱动，驱动电路图如上图所示。
3.5本章小结
本章中，对公交报站的硬件进行了设计，包括对主控制器STC89C52、液晶显示屏幕LCD12864和语音录放芯片ISD4002进行了设计，设计包括电路设计与使用分析说明。硬件部分设计完成后，下一章将对报站系统的软件进行设计。