公交车实时站台站牌公告显示系统的设计与实现
南京工程学院
毕业设计说明书(论文)
作者：李申学号： 240092232
系部：康尼学院
专业：通信工程
题目：公交车实时站台站牌公告显示系统的设计与实现
指导者：宋红梅讲师
评阅者：
2013 年 6 月南京
摘要
本系统以单片机STC89C52为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制一个译码器74HC138和两个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字全屏能显示1个汉字，采用4块8×8点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。
关键词：STC89C52单片机；LED点阵屏；74HC595；74HC138
Abstract
In order to meet the needs of E-stop on real-time and Interoperability in Intelligent Transportation management System (ITS), this article introduces a design. The system base on a modular design concept,GSM communications module and LED screen display.Meanwhile it uses STC89C52RC single-chip microcomputer as a central control unit.GSM SMS moduleconnects with the Central Control Unit through RS232 serial port, and receive SMS information though the Serial port, achieves the communication between the Traffic Control Center and the E-stop. Then, the central control unit process and analysis those information received. The E-stop display the receives information on the screen by these characters stored in the ROM. Furthermore the screen can display real time and remain time by a Clock-chip.
Key word: LED dot matrix screen;89C52;74HC595;74HC138
目录
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 选题背景与意义 (3)
1.4 论文主要研究内容 (3)
1.5 主要章节安排 (4)
第二章总体设计方案 (5)
2.1总体方案的选择 (5)
2.1.1单片机的选择 (5)
2.1.2 LED显示屏的选择 (5)
2.1.3 GSM Modem 的选择 (5)
2.2 系统结构框图 (6)
第三章硬件介绍 (8)
3.1 硬件组成 (8)
3.2 控制单元介绍 (8)
3.3 驱动单元介绍 (12)
3.3.1 74HC595 (12)
3.3.2 74HC138 (14)
3.4显示单元介绍 (16)
3.5传输单元介绍 (17)
3.5.1 TC35i (17)
3.5.2 GSM网络介绍 (19)
3.5.3短信息的介绍 (20)
第四章硬件设计 (21)
4.1 最小系统设计 (21)
4.2 LED汉字显示电路设计 (26)
第五章软件部分的设计 (32)
5.1 LED汉字显示的软件设计 (32)
5.2 GSM模块的软件设计 (42)
第六章系统的制作与结果 (44)
6.1 系统硬件部分的制作与结果 (44)
6.1.1 系统硬件制作 (44)
6.1.2 系统硬件调试 (45)
6.2 软件的实现与结果 (46)
6.2.1 Keil 编译与调试 (46)
6.2.2 生成*.HEX文件 (47)
6.3硬件运行结果 (48)
第七章总结与展望 (49)
致谢 (50)
参考文献 (51)
附录1 系统原理图 (52)
第一章绪论
1.1 引言
公共交通系统是城市重要基础设施之一，具有消耗能源小，运载量大，相对污染小，运输成本低等优点。但随着经济的快速发展，城市的机动车辆不断增加，同时又因为公交车的舒适性差，等候时间长等诸多原因导致城市交通流量不断加大，交通拥挤程度不断加剧。现行的公交企业运营调度管理工作也存在着诸多问题：目前调度主要以人力为主，技术方案落后；制定运营计划主要靠经验，缺少科学与合理性；运营调度管理人员素质不高，不适合新技术的应用等等。这些因素制约着调度工作的发展和优化，给公交系统带来很多问题。与发达国家相比，我国城市的公交调度水平是比较落后的，主要表现在两个方面，一是调度方式还是比较单一，以人力调度为主。另外一个是没有采用先进技术来监控车辆，比如到发站时间模糊，应变能力低，缺少信息化服务。
自二十世纪八十年代以来，许多国家公交部门开始应用先进的信息通信来进行公交车辆定位、车辆监控、计算机辅助调度以提高公交调度的效率。随着我国城市“公交优先”战略的贯彻实施，建立完整和科学的智能公交系统，已成为城市基础设施建设的发展趋势[6]。近年来各城市都比较重视对交通系统管理和控制的研究和开发，致力于通信技术，自动化技术等现代高新技术等系统地解决公共交通问题。同时由于科学技术的进步和政府对公交投入的力度的加大，我国的公交调度系统正逐步得到改进，并提出了智能交通系统（ITS）的概念。
智能交通系统是通过对相关的交通信息进行实时采集、传输和处理，且能把握当前交通运行状况以及可以预测未来的交通状况，通过多种手段和设备能够对各种各样交通情况进行有效处理，通过高效的信息交流手段，使用户迅速获知交流信息，从而有效的提高了交通效率和安全，并使交通设施得到充分的利用，实现交通系统的集约式发现。在此基础上，城市智能公共交通管理系统是集计算机网络技术、无线通信技术、数据库技术、电子技术等技术为一体的
1
交通系统。该系统具有公交车辆的定位跟踪、辅助导航、车辆调度指挥、动态发布公交信息以及出行者最佳路线查询等功能。通过建设智能公交管理系统可以大大提高城市公交车辆的综合管理和调度的智能性，从而有效地缓解城市交通的压力，降低对城市环境的污染等，而公交智能化系统调度系统则利用先进的技术手段，动态的获取交通信息，实现对车辆的实时监控和调度，市公交调度的发展方向，是公共交通实现科学化、现代化、智能化管理的重要标志。
智能公交调度指挥管理系统分为三个部分，第一部分为公交中心调度管理分系统，它的作用是在大屏幕上显示实时的将车辆定位信息；以短消息的方式向乘客发布跨线路、跨区域公交车辆运行情况；发布广告和公益信息；车辆管理系统汇总等；第二部分为车载终端分系统，它的作用是完成车辆报警和定位；利用GSM网进行通讯；广告信息显示和车内自动报站等；第三部分为电子站牌分系统，也就是本次毕业设计研究的站牌显示系统，它的作用是显示公交车辆预计、准确到站时间；行车情况；以短消息向乘客发布本线路公交车辆运行情况；显示公益信息及广告信息[4]。电子站牌就是电子显示屏幕形式的公交车的指示牌，乘客可以通过该电子屏幕，清楚的了解到自己要乘坐的下一辆甚至线路全部公交车的运行状况，即公交车什么时间到达本站、车上的人员拥挤状况、该车是否出现故障等信息[3]。
要对城市公共汽车电子站牌系统进行设计，首先要充分考虑我国城市公共交通的现状：线路复杂、公交网络站牌密集、站牌环境恶劣等。所以设计的方案要适应实际情况。由于科技的飞速发展，电子站牌也越来也信息化[5]。例如，可以知道车辆经过线路哪些站，或者到达某车站还有哪几路公交车。如果能建立一个基于城域网网络的计算机查询系统就可以很方便地解决这些问题。但是对于公交公司建立这样一个专用的计算机网络系统，会加重他们的运营成本，同时由于系统终端长期置于露天开放的环境下，虽然采用高可靠性的触摸屏显示设备，但是维护和管理比较麻烦。因此一种既廉价又实用可靠的技术是很有必要的。采用成熟的STC89C52单片机系统来实现系统的主要设计功能是很好的选择，而且工作是稳定的。网络结构采用的是星型与总线型相结合的结构，
2
系统主机是一台PC机，这样PC机就可以检测整个公共交通系统，还可以进行联络各个站牌的工作，这样不但降低了成本，而且保证了系统的功能。
1.2 选题背景与意义
伴随着各个城市的城市规模不断的扩大,公交线路不断增多,公交网络
日益复杂,传统的MIS（magement information system，管理信息系统）系统已经不能有效的承担起城市交通系统的管理和运行。目前我国各城市公交系统服务水平较低,公交运营服务不能很好地满足市民出行的要求,市民只能在站
台被动候车,不能清楚的了解公交车到站时间、大概位置等信息，在一定程度
上影响了公交系统的利用率,加剧了市区交通拥堵。智能交通系统ITS 就是在这样的背景下应允而生的,可以有效的解决这些问题，为市民的出行带来方便。它将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地集成于一体, 在大范围内、全方位发挥作用, 实现实时、准确、高效的综合交通管理[1]。本项目的开发和应用可以让乘客清楚的了解到车辆到站还有几站路、到站的时间信息等，这样就大大的方便的市民乘车，极大的提高公交营运效率和服务水平。此外,电子站牌还可以为政府和有关部门
发布天气预报，公益广告，灾害预警等信息，为构建和谐社会发挥作用。
1.3 研究现状
公交站牌显示系统目前还在不断开发中。主要有基于GSM无线传输模块的站牌显示，有以太阳能电池板供电站牌，有基于城市ITS智能运输工程大力开发公交站牌系统。
1.4 论文主要研究内容
该论文主要研究利用单片机来实现LED汉字动态显示，深入了解单片机STC89C52，驱动74HC595、74HC138和汉字显示原理。
3
1.5 主要章节安排
首先就课题研究的背景和意义做出说明。第二章介绍了系统设计方案。第三章、第四章对硬件和硬件设计进行了介绍。第五章主要介绍了软件部分的设计。第六章主要介绍系统的调试与实现。最后给出结论并对课题未来的发展做出了展望。
4
第二章总体设计方案
2.1总体方案的选择
本次毕设我选择的方案是单片机、LED显示屏与GSM Modem组成的显示系统。
2.1.1单片机的选择
目前单片机已非常普遍，基于51内核的单片机芯片也有众多供应厂商。例如，台湾宏晶科技的STC系列，Cyganl公司的C8051系列。这些单片机都有丰富的片上资源，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。我选择的是宏晶科技公司的STC89C52RC单片机。
2.1.2 LED显示屏的选择
LED点阵显示屏：整个站牌由LED显示屏构成，站点信息在点阵屏幕上显示，并且可以以静态的方式固定显示站点或以动态的方式轮流显示所有的站点。系统利用GSM短息模块的GSM网络将系统进行更新、升级[3]。这种方案的优点是：成本相对比较低廉，能即时动态的显示站点信息，显示的信息容量也比较大，便于远程控制和升级。缺点是：受目前LED显示技术的限制，对于图像和视频显示的效果不是很理想[1]。
2.1.3 GSM Modem 的选择
本设计中GSM Modem是该系统中的核心部分。
5
TC35i是Siemens公司推出的新一代无限通信GSM模块。自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯。可以可靠、快速、安全地实现系统方案中的数据、语音、短消息服务和传真的传输。TC35i模块的工作电压为3.3--5.5V，在两个频段工作，分别是900MHz频段和1800MHz频段，900MHz 频段功耗为2W，1800MHz频段功耗为1W。模块具有AT命令集接口，支持文本PDU和模式的短消息。此外，该模块还具有其他的功能，如漫游检测功能、电话薄功能、多方通话等。有三种常用工作模式，分别是省电模式、IDLE模式、TALK模式。有独特的40引脚的ZIF连接器，可以双向传输指令、电源连接、语音信号、数据及控制信号。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分连接SIM卡支架和天线。TC35i模块主要由供电模块（ASIC）、GSM射频模块、 GSM 基带处理器、ZIF连接器、闪存、天线接口六部分组成。基带处理器是模块的核心，主要作用是处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备的所有的模拟和数字功能。可支持FR、HR和EFR语音信道编码。
2.2 系统结构框图
系统结构框图如图2.1所示
图2.1 系统结构框图
6
我采用的单片机芯片是与MCS-51 兼容的STC89C52RC，STC89C52RC单片机带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能8位微处理器。看门狗电路采用STC89C52内部的看门狗设置。
汉字显示电路采用的是16*16 LED点阵显示。点阵显示有两种显示方法，一种是静态显示，但需占用较多的I/O口线。另一种是动态扫描显示，通过控制各个显示器公共阳极轮流接高电平的办法，逐一轮流地启动各个LED。动态显示法是目前各种单片机采用的流行方法。其优点是硬件简单，“动态”由软件实现。
GSM模块采用TC35i，TC35i带有标准的串行通信接口通过MAX232进行电平转换后与单片机进行接口。
7
第三章硬件介绍
3.1 硬件组成
系统的硬件主要由控制单元、显示单元、驱动单元和传输单元组成，下面对它们进行介绍。
3.2 控制单元介绍
STC89C52RC是宏晶公司生产的高性能、低电压的CMOS8位单片机，片内含8Kb的Flash只读程序存储器（ROM）,ROM可反复擦写,和512b的随机存取数据存储器（RAM），片内置通用中央处理器（CPU）和Flash存储单元，兼容标准MCS—51指令系统，可灵活应用于各种控制领域。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100000次[8]。将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器， STC89C52RC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[7]。
1.时钟电路
STC89C52内部有一个高增益反相放大器，能构成振荡器。放大器的输入端是引脚RXD，输出端是引脚TXD。时钟产生方式有两种，内部方式产生或外部方式产生。时钟电路的内部振荡方式如图3.1(a) 所示，定时元件外接在RXD 和TXD引脚上，自激振荡就会在内部振荡器上产生。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路[9]。晶体振荡频率一般在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
时钟电路的外部振荡方式如图3.1(b)所示，RXD接地,TXD接外部振荡器。对外部振荡信号没有特别的要求，保证脉冲宽度就可以了，采用的信号为方波，频率低于12MHz。振荡频率被片内时钟发生器两分频，产生了一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
8
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图3.1 时钟电路
2.复位及复位电路
（1）复位操作
对单片机初始化就是复位。主要作用是把PC初始化为0000H，让单片机执行程序。单片机除了正常初始化之外，当操作错误和程序运行出错导致的一些问题让系统处于死锁状态时，也需要手动复位让系统重新启动。。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，复位状态如表3.1所示。
表3.1一些寄存器的复位状态
寄存器复位状态寄存器复位状态P C0000H T C O N00H
A C C00H T L000H
P S W00H T H000H
S P07H T L100H
D P T R0000H T H100H
P0-P3F F H S C O N00H
I P X X000000B S B U F不定
I E0X000000B P C O N0X X X0000B
T M O D00H
（2）复位信号及其产生
9
复位信号的输入端是RST引脚。高电平有效是复位信号，时间应持续24持续振荡周期(即二个机器周期)以上。
图3.2复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括两部分，分别是芯片内、芯片外。施密特触发器接收到外部电路产生的复位信号(RST)之后，输出的信号在每个机器周期的S5P2时刻被片内复位电路采样，这样内部复位操作才能得到所需要的信号。
复位操作有两种方式，分别为按键手动复位、上电自动复位两种方式。
当外部复位电路的电容充电就能实现上电自动复位。其电路如图3.3（a）所示。实现自动上电复位的前提是电源Vcc的上升时间不超过1ms，这样就可以实现系统的复位初始化了。
按键手动复位有两种方式，为脉冲方式和电平方式。其中，当复位端经Vcc电源与电阻接通就能实现按键电平方式。其电路如图3.3（b）所示；RC 微分电路产生的正脉冲可以实现按键脉冲复位。
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
10