一种公交车无效停车系统的设计.docx
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一种公交车无效停车系统的设计
课题名称
一种公交车无效停车系统的设计
院/专业
班级
学号
学生姓名
毕业论文
指导教师:
徐锋
2013年5月20日
摘要
在当今世界,绿色环保,高效节约已成为国际大形势。
各行各业乃至人们的日常生活中都在进行着一场效率的革命。
进过对大量城市的公共交通运输系统研究后发现,在这些大中型城市中,尤其是郊区,公交车的无效停车现象很频繁。
即公交到站后,无人上下车,车从提前减速,到停车稳定,再到起步相对一直平稳的行走需要消耗更多的动力,对车也有一定程度的磨损,更重要的是浪费了时间,降低了交通效率。
然而公交车作为一种重要的交通工具,公交系统是城市交通的命脉,关系到大多数城市居民的出行。
对现有缺点的改进是我们当代人的使命和责任,因此公交车无效停车系统的设计势在必行。
本设计对现行的公交车系统进行深入的研究,充分了解其利弊以后,采用51内核单片机为主控芯片,压力传感器为外部感知系统,红绿双色LED点阵屏为信号输出系统,通信模块作为距离传输与识别系统,设计了一种可以避免公交车无效停车的系统。
减少公交车停车、启动时的资源浪费,为乘客和司机都提供便利,同时也极大程度的提高了公交车的运行效率和服务质量。
关键词:
高效节约;无效停车系统;设计
Abstract
Intoday'sworld,environmentalprotection,highefficiencysavingshasbecometheinternationalsituation.Allwalksoflifeandevenpeople'sdailylivesarecarryingoutanefficiencyrevolution.Intoalargenumberofthecity'spublictransportsystemfoundinvalidinthoselargeandmedium-sizedcities,especiallyinthesuburbs,busparkinginvalidisveryfrequent.However,busasanimportanttransport,thebussystemisthelifebloodofthecitytrafficrelatedtomostofthecityresident’stravel.Improvementstotheexistingshortcomingsofourcontemporarymissionandresponsibility,andthereforeinvalidbusparkingsystemdesignareimperative.
Thedesignoftheexistingbussystemin-depthstudytofullyunderstandtheprosandconsofusing51coremicrocontrollerasthemasterchip,pressuresensorforexternalsensingcomponents,LEDcolorlightsforsignaloutputcomponents,thedesignofabuscanbeavoidedtheinvalidcarparkingsystem.Reducethebusstop,startwasteofresources,toprovideconveniencetothepassengersanddrivers,butalsogreatlyimprovethebusoperationandqualityofservice.
Keywords:
environmentalprotection;invalidbusparkingsystem;design
第一章绪论
1.1公交车无效停车系统设计的背景
二十一世纪,我们已经进入了高速化的时代,科技不断进步,交通日益发达,人们的出行也日益增多,我们已经离不开交通了。
然而日益繁重的交通给一个城市带来的是严重的环境污染、人口拥堵等问题。
且在当今世界,绿色环保,高效节约已经成为国际大形势。
各行各业乃至人们的日常生活中都在进行着一场效率的革命。
因此在未来的发展中,高效节能必将是大势所趋。
一个城市的发达程度很大程度上要看这个城市的公共交通系统的发展程度。
公交作为一种重要的交通工具,是城市的交通命脉,其有着人均占道面积少、成本低、运载能力高、运行线路覆盖面广的特点,在缓减交通拥堵和节能减排方面都有较好的作用。
然而现在大多数的城市公交系统中存在一些不良问题,尤其在城市的郊区,公交车到站后的无效停车现象严重。
即公交到站后,无人上下车,车从提前减速,到停车稳定,再到起步相对一直平稳的行走的车需要消耗更多的动力,对车也有一定程度的磨损,更重要的是浪费了时间,降低了交通效率。
对现有问题的改进是我们当代大学生的使命和责任。
基于以上使用公交时的不便,特设计出了一种公交车无效停车系统。
本设计利用无线通信、单片机控制、传感器等技术,在当下实现起来比较容易,方便了乘客和司机,更提高了公交运营公司的服务质量和运行效率。
同时本设计系统成本也比较低,便于推广。
1.2公交车无效停车系统现有的技术情况
目前在欧美、日本等发达国家中的发达城市中,它们利用全球定位系统,将站台信息通过中继站,将信号发回总的调度中心,再进行统一指挥。
在目前的我国,绝大多数城市的司机通过自己的主观感觉去判断站台的乘客是否需要上车,仅凭司机自己的直觉去判断,经常容易出现判断失误。
很容易让乘客产生不满。
我国公交系统与欧、美、日等发达国家相比,起步较晚。
如今只有部分大城市仅具备电子站台系统,其他多数城市只达到一般标准。
中国的公交系统发展较缓慢,其原因也与全球定位系统的普及与推广的运营费用很昂贵有关系。
1.3本课题应解决的主要内容及技术要求
本设计采用宏晶科技有限公司的STC89C52RC单片机作为主控芯片,电阻应变式压力传感器为底层触发装置,红绿双色LRD点阵屏为信息显示模块,NRF24L01无线模块实现数据通信。
1.3.1研究的基本内容
1.掌握信息编码技术,及无线电通信知识。
公交和公交站点之间的通信是通过无线信号的收发来实现的。
在通信信道中存在各种干扰信号,会容易造成误码,对此采用奇偶校验以及握手等形式对接收到的信息进行确认。
其次由于双向车道的上行和下行的公车都有可能同时在一个站台的有效检测范围之内,为了防止将对面车道上行驶的公交车错误识别为本车道的到站公车,我们实行特定的地址编码来识别公交车的上下行。
2.无效停车系统的设计。
该停车系统主要包括硬件系统与软件系统,硬件系统包括主控芯片的选择、无线数据收发模块、传感器和信号输出模块。
软件系统采用C语言编写。
3.无线收发模块的设计,无线数据收发模块采用集成模块。
模块尽可能低功耗、低价位、高传输速度且含有通用编解码电路,在灵敏度和抗干扰性方面要有比较好的保障。
如今越来越多的无线模块其稳定度与功率都大幅度的提高,并且价格也比较低廉。
采用集成芯片或模块,其设计、制作与调试工艺都变得简洁起来。
十分便于在公交车系统中普及起来。
4.站台系统的LED点阵屏信号输出,公交车所处位置的识别是一个很重要的环节,本设计系统采用特定地点编码,通过编码来确定公交车所处站点。
数据传输采用4位传输。
站台通过LED点阵屏方便传达公交车当前是否在有效范围内,并且通过灯的颜色再把站台候车乘客的信息及早的反馈给司机。
1.3.2本设计主要问题的解决方案
1.无线传输的抗干扰性与安全性的解决,公交车与站点在通信工作中,采用了无线通信技术。
为了提高其抗干扰性与安全性,本设计通过对比各种无线数据传输模块,最终选定了含有可以保障传输安全跳频功能的NRF24L01无线发射接收模块。
由于该系统需要一个稳定快速且传输距离远的无线模块,故选择频率较低、性能稳定的2.4GHz的频段。
该模块最大发射距离可达1000m左右。
在安全性方面,本设计选用的NRF24L01无线模块具有调频功能,无需采用外部的编码解码芯片来实现编解码。
调频功能可提供许多变化的地址码,本设计采用8位地址,最多可提供3的8次方,即6561个地址,对于一个公交车站台系统来讲,已经远远足够。
功能可靠,性能稳定,价格低廉,适合本设计使用。
2.人体感应结构的设计,这是感知有无乘客需要等即将到达的公交的外部底层设备,故而设备的量程和精度必须有一定要求,精度不需要很大,量程在合适的范围内且有初值为非零。
所以选型很有考究,市面上的普通传感器价钱昂贵,而且量程很大,与本设计不符。
经过研究之后找到了一款电阻应变式压力传感器,价钱低廉,性能稳定。
3.外部信号输出设备,本设计采用双色点阵屏作为外部的信号输出设备,点阵屏是种高度集成的LED双色灯,也极双色发光二极管,这种点阵屏有许多优点,首先是节能,低功耗,其次是发光亮度大,灯的寿命长,基于以上优点,本设计采用该种外部信号输出装置。
1.3.3论文的基本架构
本文分为六个章节,基本框架安排如下:
第1章:
绪论。
概述了课题研究的背景和意义,并在国内外发展方面对公交车站台智能提示系统进行了简介与分析对比,得出了实现公交车站台智能提示系统所需要解决的主要问题,并对各问题进行了阐述并拟出了解决方案。
第2章:
系统设计概述。
从系统层面对整个公交车站台智能提示系统进行了整体的论述。
详细介绍了其工作关系与工作原理,并对车站系统、车载系统、距离标识发送系统三个子系统进行了详细的说明。
第3章:
无线通信简介与方案选择。
分析了无线数据传输并结合本设计的实际应用考虑,对无线通信进行了简略的介绍,对本设计采用的NRF24L01模块收发电路和数据安全进行了详细的介绍。
第4章:
系统硬件设计。
本章详细介绍了公交车无效停车系统的硬件设计。
着重介绍了主控芯片功能与应用,传感模块和显示模块的实现与操作。
并从其子系统方面对硬件电路进行了详细的介绍。
第5章:
站台结构规划与设计。
本章通过作图示设计了实现公交车无效停车系统的站台构图。
帮助更好的将设计的系统硬件配套。
第6章:
本章介绍了keil开发环境与STC-ISP下载环境。
从车站系统、车载系统、距离标识发送系统、信号传输系统几个方面,介绍了各模块的软件设计,并给出了各模块的软件流程图。
第7章:
本章对此次论文进行了总结。
从选题开始,到对题目的论证,以及对设计中所遇到的困难和克服的方法。
第二章公交车无效停车系统设计概述
2.1系统总体概述
本设计的公交车无效停车系统在总体上主要分为3大部分,分别是车站系统,车载系统和距离标识发送系统。
车站系统主要负责各公交车发送来的信息的接收、信息的处理,处理后对外部LED信号灯信号输出模块进行相应的控制驱动,用以及时提醒车站内的乘客准备候车,同时将车站乘客的乘车信息通过信号灯的形式直接反映给公交车司机。
安装于公交车上,接收距离标识系统发送来的距离标识信息,然后将此信息发送给车站的接收系统,让车站系统进行信息处理。
距离标识发送系统,负责发送一定的站点标识,其物理放置的位置要与相应的站点标识信息相互对应。
系统总体构架如图2.1所示,距离标识发送系统负责发送距离标识编码,信息发送具有一定的有效范围,仅在公交车进入此信息发送有效范围内部,公交车上的车载系统才能够收到相应的站点信息。
公交车进入距离标识发送系统的有效范围内部的时候,将接收到距离标识发送系统发送的距离标识信息,然后将其所处的位置编码通过无线信号发送给车站的接收系统,车站的接收系统进行LED点阵屏信号显示,同时站台的乘客接收到相应的信息时也会对将要过来的司机给予反馈。
距离标识发送系统主要包括标识编码系统,即公交车距离车站500米预播报信息编码标识。
图2.1系统总体构架图
2.2车站系统软硬件功能连接介绍
车站系统的硬件部分主要包括以下几个部分,分别为主芯片控制系统,负责车站控制的硬件实现;无线站点信息发送部分,负责距离标识信息的发送;无线站点信息接收系统,负责接收解码车载系统发送而来的信息;语音播报系统,负责一定的语音播报提示;文字显示系统,对公交车的站点信息进行文字提示;看门狗(硬件看门狗),用于程序跑飞的情况下进行系统复位;电源系统,负责给系统提供电源。
车站系统的软件部分主要包括以下几个部分,分别为主程序,负责对各个子模块进行调度;接收信息中断服务程序,负责读取接收到的站点信息,并进行一定的分析运算;距离标识发送驱动程序,负责驱动外部无线发送模块发送信息;定时器中断程序,进行一定的计时工作;LED点阵屏做为相应的站点提示模块;完成对公交车距离信息的信号提示工作;看门狗复位程序,在主程序里面给看门狗进行软件复位,保证其正常工作。
其中软硬件结合通过一定的IO口进行连接。
2.3车载系统软硬件功能连接介绍
车载系统应用于公交车上,负责信息的接收与发送。
车载系统的硬件主要包括以下几个部分,分别为主芯片控制系统,作为控制的硬件实现,通过软件系统来控制驱动外围电路;无线公交车位置信息发送系统,用来发送接收来的距离标识信息给车站系统;站点信息接收系统,负责接收由距离标识发送系统发送的距离标识信息;看门狗(硬件看门狗),用于程序跑飞的情况下进行硬件复位;电源系统,负责给各个模块提供电源。
车载系统的软件部分主要包括以下几个部分,分别为主程序控制电路模块,负责对各个子模块进行调度,并控制各个模块顺序工作;接收信息中断服务程序,负责读取接收到的距离标识编码信息,并进行一定的分析运算;站点信息发送驱动程序,负责驱动外部无线信息发送模块;定时器中断程序,进行一定的计时工作;看门狗复位程序,在主程序里面给看门狗进行软件复位,让其正常工作。
其中软硬件结合通过一定的IO口进行连接。
2.4距离标识发送系统软硬件功能连接介绍
距离标识发送系统应用于特定的地点,在本设计中,其主要位于两个地点,一个是处于车站站台,用于发送距离标识信息给公交车的车载系统,告知公交车到达车站;另一个位于距离车站上行500米处,用于发送距离标识信息给公交车的车载系统,告知公交车位于车站尚有500米的距离。
通过标识信息,车站系统进行播报。
车载系统的硬件部分主要包括以下部分,分别为主芯片控制系统,作为控制功能的硬件实现,通过软件系统来控制驱动外围电路;无线公交车位置信息发送系统,用来发送接收来的距离标识信息给车载系统;看门狗(硬件看门狗),用于程序跑飞的情况下进行硬件复位;电源系统,负责给各个模块提供电源。
车载系统的软件部分主要包括以下部分,分别为主程序,负责对各个子模块进行调度;接收信息中断服务程序,负责读取接收到的距离标识信息,并进行一定的分析运算;站点信息发送驱动程序,负责驱动外部无线信息发送模块;定时器中断程序,进行一定的计时工作;看门狗复位程序,在主程序里面给看门狗进行软件复位,让其正常工作。
其中软硬件结合通过一定的IO口进行相连接。
以上就是对公交车站台智能提示系统的一个总体概述,通过整体概述,可以很清晰的了解该系统的主要组成部分、及其功能。
第三章无线通信简介与方案选择
3.1无线通信简介
现代无线通信始于19世纪末。
1873年,麦克斯韦提出电磁波辐射理论,奠定了无线电通信的理论基础;1897午5月18日,马可尼进行横跨布里斯托尔海峡的无线电通信试验取得成功,标志着无线电通信的诞生;1901年,马可尼实现了隔着大西洋的无线电通信。
从20世纪初以来,巨大的市场需求、理论界的一次次跨越、微电子和半导体器件的进步,使无线通信技术日益成熟并得到飞速发展,无线通信进入了崭新的时代。
在未来的无线通信技术里(移动通信),将对无线电发展要求更多,如自适应编码调制技术、多输入多输出技术、软件无线电等。
3.1.1通信系统结构
通信就是将信息从发送方传送到接收方的过程。
图3.1为“一个通信系统”的简化方框图。
可以看到一个通信系统是由发信设备、传输介质和收信设备三部分组成。
其中,发信设备将原始的信源转换成适合在给定传输介质上传输的信号,其中包括放大、滤波、调制、编码等处理过程;收信设备完成相逆的功能,包括译码、解调、变换、放大等,将收到的信号还原成原来的信息送至接收端。
传输介质也称为信道,在信道中还常常会引入干扰噪声,而造成通信质量的下降。
图3.1通信系统结构框图
3.1.2无线通信技术分类
无线通信在距离上有近距离、中距离、远距离之分。
本课题所做的公交车站台智能提示系统设计基于低成本低消耗的目的,只着重介绍近、中距离的无线通信。
根据工作频率的不同,无线通信系统大体分为低频段和高频段两类,典型的工作频率为135KHz以下、13.56MHz、433MHz、860~960MHz、2.45GHz等。
不同频率的无线通信系统,其工作距离不同,应用的领域也有所差异。
在315MHz、433MHz和868MHz等频段,这些频段的无线芯片,主要用于无线数据收发。
在无线数据采集以及无线监控中,这些频段是现存应用中使用最多的。
许多WSN无线传感器网络都是在这些频段上运行的。
在这些频段上,数据的通信速率一般在1.2~20kbps之间,绝大部分只是提供一个频段。
由于这些频段较低,穿透障碍的能力相对较强,通信距离也相对较远。
在高频段,无线通信主要采用2.4GHz的频段。
这个频段的技术特别多,应用也十分丰富。
随着通信的发展和人们的需求,包括UWB、802.11、蓝牙和ZigBee等在内的短距离无线通信技术也在日益成熟。
本设计采用NRF24L01无线模块作为无线发射接收模块。
3.2NRF24L01无线模块介绍
nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz~2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时,工作电流也只有9mA;接收时,工作电流只有12.3mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
3.2.1NRF24L01无线模块的主要特点
1.GFSK调制单收发芯片
2.硬件集成OSI链路层
3.具有自动应答和自动再发射功能
4.片内自动生成报头和CRC校验码
5.数据传输率为lMb/s或2Mb/s
6.SPI速率为0Mb/s~10Mb/s
7.125个可选工作频道
8.与其他nRF24系列射频器件相兼容
9.QFN20引脚4mm×4mm封装
10.供电电压为1.9V~3.6V
3.2.2NRF24L01无线模块的引脚功能
NRF24L01的各引脚功能如下:
CE:
使能发射或接收
CSN,SCK,MOSI,MISO:
SPI引脚端,微处理器可通过此引脚配置nRF24L01模块
IRQ:
中断标志位
VDD:
电源输入端
VSS:
电源地
XC2,XC1:
晶体振荡器引脚,引脚说明2
VDD_PA:
为功率放大器供电,输出为1.8V
ANT1,ANT2:
天线接口
IREF:
参考电流输入
表3.2模块引脚功能表
引脚
名称
引脚功能
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
3
SCK
数字输入
SPI时钟
4
MOSI
数字输入
SPI数据输入脚
5
MISO
数字输出
SPI数据输出脚
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
7
VDD
电源
电源(+3V)
8
VSS
电源
接地(0V)
9
XC2
模拟输出
晶体振荡器2脚
10
XC1
模拟输入
晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
11
VDD-PA
电源输出
给RF的功率放大器提供的+1.8V电源
12
ANT1
天线
天线接口1
13
ANT2
天线
天线接口2
14
VSS
电源
接地(0V)
15
VDD
电源
电源(+3V)
16
IREP
模拟输入
参考电流
17
VSS
电源
接地(0V)
18
VDD
电源
电源(+3V)
19
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
20
VSS
电源
接地(0V)
3.2.3NRF24L01无线模块的工作模式
通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式
表3.3模块工作模式配置表
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发射模式
1
0
1
数据在TXFIFO寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式,直至数据发送完
待机模2
1
0
1
TXFIFO为空
待机模1
1
-
0
无数据传输
掉电
0
-
-
-
待机模式1主要用于降低电流损耗,在该模式下晶体振荡器仍然是工作的,待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式。
待机模式下,所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小,同时nRF24L01也不工作,但其所有配置寄存器的值仍然保留。
3.2.4NRF24L01无线模块的工作原理
发射数据时,首先将nRF24L01配置为发射模式:
接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区,TX_PLD必须在CSN为低时连续写入,而TX_ADDR在发射时写入一次即可,然后CE置为高电平并保持至少10μs,延迟130μs后发射数据,若自动应答开启,那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式,接收应答信号(自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致)。
如果收到应答,则认为此次通信成功,TX_DS置高,同时TX_PLD从TXFIFO中清除,若未收到应答,则自动重新发射该数据(自动重发已开启),若重发次数(ARC)达到上限,MAX_RT置高,TXFIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时,使IRQ变低,产生中断,通知MCU。
最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高,则进入下一次发射,若发送堆栈中无数据且CE为高,则进入空闲模式2。
接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式,接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。
当接收方检测到有效的地址和CRC时,就将数据包存储在RXFIFO中,同时中断标志位RX_DR置高,IRQ变低,产生中断,通知MCU去取数据。
若此时自动应答开启,接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
最后接收成功时,若CE变低,则nRF24L01进入空闲模式1。
该模块的SPI口为同步串行通信接口,最大传输速率为10Mb/s,传输时先传送低位字节,再传送高位字节。
但针对单个字节而言,要先送高位再送低位。
与SPI相关的指令共有8个,使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。
相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义,这些配置寄存器可通过SPI口访问。
nRF24L01的配置寄存器共有25个,常用的配置寄存器如表3.4所示。
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