智能环保公交车系统

毕业论文（设计）

课题智能环保公交系统

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智能环保公交系统

目录

摘要........................................................................................................................................................... - 3 -第一章绪论 ..................................................................................................................................................... - 5 -第二章方案设计与论证 ................................................................................................................................. - 6 -

2.1设计任务 (6)

2.1.1任务的提出.................................................................................................................................... - 6 -

2.1.2实施方法........................................................................................................................................ - 6 -

2.2设计方案 (7)

2.2.1系统基本方案................................................................................................................................ - 7 -

2.2.2 各组成模块方案........................................................................................................................... - 7 -

2.2.2.1控制电路.................................................................................................................................................. - 7 -

2.2.2.2电机驱动电路.......................................................................................................................................... - 7 -

2.2.2.3电源电路.................................................................................................................................................. - 8 -

2.2.2.4自动寻迹模块.......................................................................................................................................... - 8 -

2.2.2.5站台检测模块.......................................................................................................................................... - 8 -

2.2.2.6语音播报模块.......................................................................................................................................... - 9 -

2.2.2.7显示模块.................................................................................................................................................. - 9 -

2.2.2.8公交站台模块.......................................................................................................................................... - 9 -第三章硬件设计 ........................................................................................................................................... - 10 -

3.1主控电路 (10)

3.2电源部分 (10)

3.3串口电路 (11)

3.4晶振电路 (11)

3.5复位电路 (11)

3.6电机驱动电路 (12)

3.7语音播报电路 (12)

3.8寻迹电路 (13)

3.9站台检测电路 (13)

第四章软件设计 ........................................................................................................................................... - 14 -

4.1寻迹算法设计 (14)

4.2到站算法设计 (14)

4.3系统流程图 (14)

第五章测试结果与分析 ............................................................................................................................... - 15 -

5.1测试结果 (15)

5.2结果分析 (15)

总结................................................................................................................................................................. - 16 -参考文献......................................................................................................................................................... - 16 -致谢................................................................................................................................................................. - 17 -

附录一：元件清单 (18)

附录二：程序代码 (19)

智能环保公交车系统

摘要

本设计的显著特点就是绿色、环保、智能，在设计的时候利用电容放电作为整个系统的储能和供能系统，其相比于燃油机车、燃气机车更为清洁、低碳、绿色、环保；相比于普通电动车，又避免了电池的二次污染。同时对整个系统实现智能控制，。能够有效的实现公共交通智能化。

本系统设计以51单片机为主控制模块,同时设计了电机驱动模块、语音播报、自动寻迹等模块。实现了模拟公交车的自动行走、到站检测、语音播报等功能。在电源供电的设计中，考虑到当前对环保的需求，本系统采用了大容量的电容电池为系统供电，在电容电车的研究方面作出了一点尝试。此外在设计中运用了红外检测、电容电池等技术，具有一定的先进性和可持续发展意义。公交车系统智能环保化不仅可以建设树立城市的文明形象，而且可以提升综合竞争力，还可以市民生活品质。具有非常现实的意义。关键词：环保；智能；单片机；电机驱动；电容电池；语音芯片

智能环保公交系统

Abstract

The distinctive features of this design is the green, environmental protection, intelligence, at the time of design using capacitance discharge as the energy storage and supply system of the whole system, The locomotive compared with fuel, gas engine cleaner, low carbon, green and environmental protection; Compared with ordinary electric vehicles, and avoid the secondary pollution of the battery. To realize intelligent control of the whole system, at the same time. Effective implementation of intelligent public transport.

This system design is given priority to with 51 single-chip microcomputer control module, and design the motor drive module, voice broadcast, such as automatic tracing module. Bus to realize the simulation of automatic walking, arrive station detection, voice broadcast, etc. In the design of power supply, given the current demand for environmental protection, this system USES a large-capacity capacitor battery for power supply system, in the study of capacitance trolley made a point to try. Also used in the design, infrared detection, capacitors, batteries and other technology has certain advancement and sustainable development. Intelligent bus system not only can environmental protection construction to establish a civilized image of the city, but also can enhance comprehensive competitiveness, citizens can also the quality of life.

Has the very realistic significance.

Key words: environmental protection; Smart; Single chip microcomputer; Motor drive; Capacitance of the battery; Voice chip

第一章绪论

在我国城市建设的不断发展情况下，公交车作为市民出行的主要交通工具之一，然而随着城市人口的急剧膨胀和科学技术的飞速发展，机动车在爆炸式增长，而停车设施严重不足，造成道路交通拥堵。到目前为止，我国厦门、广州、北京、杭州、济南等城市均安装了公交智能终端设备。总的来说已初步实现了公交车智能化的实时管理。但是，在信息量的传播、应用和信息互动等方面，我国与发达国家的公交智能化程度相比都存在一定的差距，尤其缺乏面向公众领域公交信息智能化的应用。而根据当前的城市现状及国内外多年治理交通的经验可以看出公交车在交通运输方面起到极大的作用。因而公交车的需求增加，应运而生的是对公交车环保、节能、智能的要求也越来越高。如果将公交系统不断完善，则城市的交通拥堵问题就可以得到有效的缓解。为实现通畅、安全、环保的智能交通，设计出了一种基于单片机的智能环保公交车系统。以后的设计都应当朝着这方面进行。

本次设计采用环保的大电容放电对系统提供电源，把51单片机作为总的控制中心，制作一个非电池供电智能环保公交车。通过红外检测寻迹线，得到的信号经过单片机处理，达到控制公交车寻迹的目的，实现了模拟公交车的自动行走，同时本系统还有到站检测、语音播报等功能。本文阐述了公交车寻迹的工作原理、总体设计方案，并对系统的各个模块进行分析该系统具有实时性、可靠性、控制精度高，节能无污染等优点。

智能环保公交系统

第二章方案设计与论证

2.1 设计任务

随着城市化进程的加快，公共交通作为城市的基础设施之一，仍然是绝大多数出行者的首选方式。快捷、方便的公交系统，是城市交通通畅的保证。同时，考虑到当前对环保的需求，电容电车是当前公交车发展的一个趋势。设计一种环保的、智能的公交车系统，成为当前社会的迫切需要。

2.1.1任务的提出

设计并制作一套非电池供电的智能环保公交车系统，包括一台能沿着黑色引导线自主行驶的公交车和两个电子公交站，公交车行驶线路如图1.1所示。公交道路宽为60cm，公交道路用光滑平整的白纸制作，黑色小车引导线和状态标识线（可用电工胶带）宽度约为1.8cm，站台停靠标识线长为20cm。起点与终点之间公交车道总长约25m，公交站点B、C、D的位置在示意图位置附近任意放置。

图1.1 公交车路线图

2.1.2实施方法

了解任务的要求，规划出整体框图，首先设计基本模块（最小系统），然后从基本模块上面一步一步扩展，每扩展出一个模块就调试一个模块，直到所有模块设计出来并都成功调试，最后再整体联调。

2.2设计方案

2.2.1系统基本方案

根据小车具备的性能，本系统组成如图2.1所示。

图2.1 系统组成框图

2.2.2 各组成模块方案

2.2.2.1控制电路

方案一：采用凌阳十六位单片机构成控制电路。

凌阳十六位单片机内部自带A/D转换、语音控制模块，语音实现简单，功能较强。体积小，驱动能力高、结果简单、中断处理能力强，尤其适用于语音处理和识别部分，但价格比较贵。

方案二：采用51型单片机构成控制电路。

51型单片机结构简单，芯片价格便宜，性价比高，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。且价格比较低廉，市场供应充足。但A/D转换、语音处理需要外加芯片进行处理。

综合考虑学习的内容以及运用的熟练性，加上本系统设计的功能依靠51单片机均可实现，故采用方案二。

2.2.2.2电机驱动电路

本系统采用直流电机进行驱动。

方案一：利用分立元件构成的H桥电路

利用分立三极管元件构成的H桥电路结构简单，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动,其结构简单，价格低廉，但是性能不稳定，且驱动能力有限，所带负载不可过大。

方案二：采用L298集成H桥芯片。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率比较高，一片L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。且可用PWM进行调速，用该芯片作为电机驱动，在L298集成芯处中集成了两套H桥电路，可直接驱动两路直流电机，

智能环保公交系统

利用单片机产生的PWM信号，可方便地进行电机调速。操作方便，稳定性好，性能优良。采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

由于使用方便，性能较好，本系统设计采用方案二。

2.2.2.3电源电路

方案一：采用航模锂电池为小车供电。

该方案实现简单，电力充沛，但是不环保。

方案二：采用大电容为小车供电。

大电容充电后，利用其放电过程为小车供电，可实现环保供电，而且电容充电时间耗时很短，大大节约了时间。

所以在这里我选用方案二。

2.2.2.4自动寻迹模块

方案一：利用发光二极管和光敏二极管构成检测电路。

由于小车在行驶过程中的对稳定性要求较高，采用光电传感器检测易受光线环境和路面介质影响，误测几率较大，实际效果并不理想。在使用过程极易出现问题，从而造成整个系统的不稳定。

方案二：利用红外发光管和红外光敏管构成调制型检测电路。

红外光检测电路可分为非调制型和调制型电路，调制型发出的红外光是调制后的红外光，抗干扰能力较强，检测更为可靠，但电路相对也复杂。

方案三：利用红外发光管和红外光敏管构成非调制型检测电路。

非调制型红外发光管电路简单，检测距离短，通过反射光的有无来检测黑线。由于小车寻迹时检测距离较短，采用非调制型的红外发光检测电路已能满足要求，能达到较好的效果。

选择方案三，车站站台标志线的寻迹也采用该方案。

2.2.2.5站台检测模块

小车在行驶过程中，应提前检测到电子站台，以进行站台播报，当小车进站后应停在站台中间。

方案一：利用超声波发射、接收探头构成检测电路。

超声波发射头发射超声波测到物体后反射可由接收探头接收信号，从而进行站台检测。该检测反应速度灵敏，距离远，受外界干扰小，但电路较复杂。

方案二：利用红外发光管和红外光敏管构成调制型检测电路。

将红外管发出的信号调制后从站台发出，小车上的红外接收电路接收到信号后准备进站。该方案电路结构简单，实现方便，但由于检测距离较长，容易受到外界干扰，检测信号不稳定。

方案三：利用红外避障探头进行检测

成品红外探头也是一种红外调制型的检测电路，它的发射、接收电路集成到探头中，发射的信号经站台反射后被接收管接收到从而检测站到的位置。该方案抗干扰效果好，实现简单。

综合考虑，采用方案三进行站台检测。

2.2.2.6语音播报模块

方案一：利用语音芯片构成语音播报电路。

利用ISD1700或ISD4004语音芯片构成语音电路，外围电路较复杂，录音后有背景噪声。

方案二：采用WT588D语音芯片构成语音播报电路

WT588D语音芯片软件操作方式简洁，撮合了语音组合技术，音质较好。模块封装（带FLASH存储器及外围电路）有DIP16、DIP28，芯片封装有DIP18、SSOP20和LQFP32形式；根据外挂戒者内置SPI-Flash的不同，播放时长也不同，支持2M～32Mbit的SPI-Flash存储器；内嵌DSP高速音频处理器，处理速度快；内置13Bit/DA转换器，以及12Bit/PWM输出，音质好；PWM输出可直接推劢0.5W/8Ω扬声器，推挽电流充沛；支持DAC/PWM两种输出方式；支持加载WAV音频格式；可通过与业上位机操作软件，随意组合诧音，可揑入静音，揑入的静音不占用内存的容量，一个已加载诧音可重复调用到多个地址；USB下载方式，支持在线下载/脱机下载；即便是在WT588D诧音芯片通电的情冴下，也一样可以正常下载数据到SPI-Flash

综合考虑，采用方案二。

2.2.2.7显示模块

方案一：采用点阵显示。

该方案可显示字符与汉字，但电路使用较复杂，显示内容不多。

方案二：采用LCD12864液晶屏显示。

LCD12864液晶屏轻薄短小，耗电量低，无辐射危险而且可视面积大，分辨率高，可以显示汉字和符号，具有分辨率高、显示内容多、画面效果好，抗干扰能力强的特点。并且能够满足本设计的要求。

根据本系统要求，采用方案二。

2.2.2.8公交站台模块

1602液晶屏作为显示模块，显示清楚且制作较方便，所以我们选择1602作为显示模块。

智能环保公交系统

第三章 硬件设计

3.1主控电路

系统采用STC51单片机构成主控制电路，MCS-51单片机的扩展性能较强，根据需要，可扩展：ROM 、RAM ；定时 / 计数器；并行I / O 口、 串行口；中断系统扩展等。电路如图3.1所示

单片机的最小系统一般由单片机部分、电源部分、串口部分、晶振电路和复位电路部分等组成。 3.2电源部分

如图3.2是单片机小系统的电源部分原理图：

图3.2 单片机小系统电源原理图

图3.1最小系统组成框图

上图电路是为了给整个设计的各个部分提供电源（+5V），由图可知，一个电源插槽J1、电源开关J2、一个1K电阻、一个发光二极管和一个容值为1UF的稳压电容组成了电源部分。当电源接通后，打开开关，发光二极管就会发光。

3.3串口电路

串口电路串口原理图如图3.3所示：

如上图所示，一个MAX232芯片、5个0.1UF的电容和一个串口组成串口电路。电路中使用+5v单电源供电的MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,，电路中的CX1～CA4是必不可少的，具有调节电压值的作用。由图可知，当数据线接上串口DB9时数据经过3号引脚送给MAX232的13号引脚，在经过12号引脚输出将电平转换送往单片机芯片中，在经过一系列单片机讲信号送给11

号引脚经过芯片电平转换由14号引脚送给串口的2号引脚，已达到电平转换的作用3.4晶振电路

晶振电路如图3.4所示:

;

图3.4 晶振电路原理图晶振电路

由图显而易见，用于产生单片机工作所需的时钟信号，电路中选用容值为20PF的电容和11.0592MHZ的晶振，在单片机芯片的19（XTAL2）、18（XTAL1）号引脚之间跨界警惕震荡器和微调电容，就可以构成一个稳定的自激振荡器。

3.5复位电路

复位电路如图3.5所示：

智能环保公交系统

图3.5 复位电路原理图

复位电路原理图复位是使CPU和系统中其他功能部件都恢复到确定的初始状态，并从该状态开始工作。

3.6电机驱动电路

本系统采用L298驱动电机，电路如图3.6所示。

图3.6 电机驱动电路

电路中的二极管起保护电路的作用，通过对单片机的编程来实现对电机的正反转的控制，还可以实现两个直流电机的PWM的调速。

3.7语音播报电路

系统采用WT588模块构成，其电路如图3.7所

3.8寻迹电路

系统采用3路寻迹电路，电路如图3.8所示。

3.9站台检测电路

系统采用调制信号的红外探测探头进行站台检测，考虑到成品探头性能较好，系统中采用了成品红外检测探头。这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。其电路如图3.9所示

图3.7 语音播报电路

图3.8 寻迹电路

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第四章 软件设计

4.1寻迹算法设计

小车寻迹算法如图4.1所示。

前进

中间探头左边探头前进

右边探头

左转

右转

否

否

4.2到站算法设计

小车到站后程序算法如图4.2所示。

前进

站台检测探

头近站减速

进站检测探

头

否

停车

否

4.3系统流程图

整个系统程序流程图如图4.3所示。

图4.1 小车寻迹算法

图4.2小车到站检测处理算法

寻迹开始

检测障碍

物

是否有障碍否

小车减速检测1断点

是否有断点

停止30秒

否

检测2断点

是否有断点

停车

否

第五章测试结果与分析

5.1测试结果

完成系统设计后，对小车的关键指标进行了测试，测试结果如（表1）所示。

测

试

次

数据

数到B站时

间

报音时

间

中间站靠

站时间(/s)

靠站停止时车中心与

站台标识偏移距离

1 20.50s 5s 31s 2cm

2 21.30s 5s 31s 1cm

3 20.90s 5s 30s 2cm

（表1）

5.2结果分析

5.2.1小车通电后，按下电源开关，小车按照规定的轨道行驶，液晶屏显示小车行驶状态，在检测到站台后，小车减速行驶，语音播报站台名，并适时显示站台名，在检测到站台标志线后，小车立即停止31S，然后再加速行驶，直到全速，液晶屏显示小车的当前状态。直到第二次检测到站台时，小车再停止，语音播报，站台显示。小车能够按照

图4.3系统流程

智能环保公交系统

规定的路线寻迹，并且能够实现在到站前检测到站台，同时语音播报，在播报后停止31S后再走。

5.2.2本小车顺利完成了题目的预定任务，总体性能良好。但是也有不足的地方：

由于本小车采用的是双轮驱动，当小车进站停车时，前轮因为惯性而继续前行，所以影响到进站停车的精确性。这个地方有待改进。所以后来又在旁边添加了一排红外对管传感器，逐一测试站台中心线，再次达到减速效果，从而实现精准停车。

总结

本篇毕业设计是根据当前城市交通现状，制作了具有自动寻迹、到站检测、自动靠站、语音播报等功能的智能公交车系统，并利用环保的大电容放电对系统提供电源，实现了公交车的智能环保化。

毕业设计可以说是我们三年所学知识的总结与展示，是大学学习过程中的重要环节。在制作毕业设计的过程中，接触到了许多的新知识，把多门学科综合到一起的应用，不再是以前单一的模块，并且把大学里学到的知识联系起来，对大学学到的知识作了个总结，让我体会到如何独立思考，如何与人相互合作等等。在毕业设计完成过程中，我收获的不仅仅是知识，更多的是身心方面的锻炼！

这次设计虽然成功实现了，但是还是有很多方面有待改善，例如，实时时间显示，温度显示，湿度显示等等，这样一来小车会变得更加完美。我国已有城市将这种传感技术等引入到智能公交系统，但各项技术的应用仍处于探索阶段，尚未形成成熟的体系。日后需要在借鉴日本电装在公交智能化方面的先进理念的同时，提升技术，使公交车更安全、更环保、更便捷，以最大程度地提高用户的便利性。

参考文献

［1］王静霞：单片机应用技术［M］，电子工业出版社，2010.1.3；

［2］戴佳：51单片机C语言应用程序设计［M］，电子工业出版社，2009.11.2；

［3］郭天祥：51单片机C语言教程［M］，电子工业出版社，2009.2

［4］宋雪臣: 传感器与检测技术[M]，北京：人民邮电出版社,2009

［5］胡宴如: 模拟电子技术[M]，第二版，北京：高等教育出版社,2009

［6］侯媛彬等. 凌阳单片机原理及其毕业设计精选[M]. 科学出版社，2006

［7］陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.4

［8］徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6.

［9］华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .5

［10］李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 6

［11］王东锋，王会良，董冠强. 单片机C语言应用100例[M]. 电子工业出版社,2009.3 ［12］王晓明. 电动机的单片机控制[J]. 学术期刊，2002，13

［13］郭惠，吴迅.单片机C语言程序设计完全自学手册[M].电子工业出版社,2008.10 ［14］张毅刚,彭喜元,新编MCS-51单片机应用设计,第一版,哈尔滨工业大学出版社,2003,25～27

［15］Yamato I , et al 1 High frequency link DC/ AC converter for UPS with a new voltage clamper[J ]1IEEE PESC ,1990

［16］Yamato I , et al 1 High frequency link DC/ AC converter for UPS with a new voltage clamper[J ]1IEEE PESC ,1990 :52-105.

致谢

在本次毕业设计的制作过程中，首先要感谢我的指导老师杨老师为我们详细分析了论文的结构，并不厌其烦地帮我解决遇到的棘手问题。其次，我要感谢我大学里所有的授课老师，在毕业设计中用到的很多知识都是他们教会我的，在运用知识和查阅资料的同时，我又学到了不少新的知识，更重要的是学会了学习新知识的方法，最后，我要感谢我的同学室友，她们也给了我很多的帮助，让我体会到了互相学习的重要性，我相信这一切对我以后的学习和工作都有很大的帮助。

毕业设计的制作让我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学阶段的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练，但我觉得这几个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。相信这次经历为今后的发展打下了良好的基础。由于自身水平有限，本次设计中一定存在很多不足之处，敬请老师批评指正。

智能环保公交系统

附录一：元件清单

序列号元件名称型号个数（个）

1 玩具小车 1

2 单片机 STC89C52 1

3 语音芯片 WT588 1

4 集成运放 LM324 3

5 电机驱动芯片 LM298 1

6 稳压电源 7805 1

7 扬声器 1

8 液晶屏 12864 1

1602 2

9 红外对管 3

10 红外探头 1

11 可调电阻 103 9

12 二极管 IN4007 12

13 发光二极管 11

14 瓷片电容 104 17

30 2

15 电解电容 10uf 25v 1

1uf 50v 1

4.7uf 50v 1

0.1uf 50v 1

100uf 16v 2

2.2uf 50v 1

22uf 50v 1

22uf 25v 1

2.2uf 16v 1

220uf 16v 1

47uf 25v 1

16 按键开关 1

17 三极管 8050 1

18 电阻 1K 14

10K 3

4.7K 3

22K 4

附录二：程序代码

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar i,a=0,temp,dingwei;

sbit P00=P0^0;//循迹传感器最左有测得信号低电平有效sbit P01=P0^1;//循迹传感器次左有测得信号

sbit P02=P0^2;//循迹传感器中有测得信号

sbit P06=P0^6;//探头

sbit en1=P1^4; /* L298的Enable A */

sbit en2=P1^5; /* L298的Enable B */

sbit P10=P1^0;//单片机输出到L298N控制电机左后退

sbit P11=P1^1;//单片机输出到L298N控制电机左前进

sbit P12=P1^2;//单片机输出到L298N控制电机右后退

sbit P13=P1^3;//单片机输出到L298N控制电机右前进

sbit rst=P1^6;

sbit sda=P1^7;

sbit ce1=P3^4;

sbit ce2=P3^5;

sbit ce3=P3^6;

sbit ce4=P3^7;

sbit RS=P0^5;

sbit RW= P0^4;

sbit E=P0^3;

uchar e=0;

uchar t=0; /* 中断计数器 */

uchar m1=0; /* 电机1速度值 */

uchar m2=0; /* 电机2速度值 */

uchar tmp1,tmp2; /* 电机当前速度值 */

unsigned char t0,t1;

uchar code table[]={"欢迎乘坐本公交车"};

uchar code tab1[]={"请提出宝贵意见"};

uchar code tab2[]={"B 站到了"};

uchar code tab3[]= {"C 站到了"};

void delayms(uint tt )

{

uint i;

while( tt-- )

for(i=113;i>0;i--);

}

void write_date( uchar dat)//写数据

{

//busy();

智能环保公交系统

RS=1;

RW=0;

E=1;

P2=dat;

delayms(1);

E=0;

delayms(2);

}

void write_com(uchar dat)//写指令

{

//busy();

RS=0;

RW=0;

E=1;

P2=dat;

delayms(1);

E=0;

delayms(2);

}

void write_string(uchar *p)// 写数组，里面有汉字{

uint i=0;

while(*(p+i)!='\0')

{

write_date(*(p+i));

i++;

}

}

void init0()//初始化

{

write_com(0x30);//基本指令, 扩充指令为34H

write_com(0x01);//待令模式,清屏

delayms(50);

write_com(0x06);

write_com(0x0c);//显示开, 关光标 .开光标0X0E // write_com(0x02);

}

void delay0_5s1()

{

for(t0=0;t0<0x0a;t0++)