智能车辆即陆地自主行驶车辆.docx
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智能车辆即陆地自主行驶车辆
第一章绪论
1.1引言
智能车辆即陆地自主行驶车辆(AutonomousGroundVehicle)[1]是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统,它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体。
目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性,以及提供优良的人车交互界面。
近年来,智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力,很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。
1.2研究的目的与意义
智能车的设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识,对我们的知识融合和实践动手能力的培养,具有良好的推动作用
通过对智能寻迹小车的制作可以使增强我们的动手能力,懂得灵活的运用大学里所学的知识。
1.3研究内容
本文主要研究智能小车寻迹系统,是具有寻迹、定位、时间、速度检测和寻迹功能。
通过各类传感器件来采集各类信息,送入主控单元STC89C52单片机,处理数据后完成相应动作,以达到自身控制。
控制电机为伺服电机,小车自带电机驱动电路。
其中寻迹采用反射式光电传感器完成;速度测试采用霍尔传感器完成。
经过采集电路,再经过CD4069转化为数字信号送单片机处理判别方向。
由控制单元处理数据后完成相应动作,实现了走交叉路口,智能报警,行车时间,行车里程三大功能
第二章系统设计
2.1系统设计方案
在现有电动车的基础上,加装光电检测器,自制印刷电路板,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
智能小车寻迹系统由电源模块、检测模块、执行模块、采集模块、信息处理模块等组成。
系统结构框图如下:
2.2检测模块方案
设计中寻迹是指小车在白色地板上寻黑线行走,检测原理为小车在行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,小车上的接收管接收不到红外光。
单片机判断是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
所以检测元件必须采用对光线敏感的传感器。
(1)采用反射式光电传感器FJK125该传感器体积小结构简单,由一个发射管和一个接收管组成[2],当小车在白色地面行驶时,传感器发射管发射红外线信号,经白色反射后,被接收管接收,一旦接收管接收到信号,接收管将导通。
反射式光电传感器价格便宜,灵敏度可调,但是容易受到周围环境的影响,测量距离短。
(2)采用光电开关它具有简单、可靠的工作性能,只要调节探头上的一个旋钮就可以控制探头的灵敏度。
该探头输出端只有三根线(电源线、地线、信号线),只要将信号线接在单片机的I/O口,然后不停地对该I/O口进行扫描检测,当其为高电平时则检测到白纸,当为低电平时则检测到黑线。
此种探头还能有效地防止普通光源(如日光灯等)的干扰。
其缺点则是体积比较大,占用了小车有限的空间。
由于小车的空间有限,需要的传感器很多,综合考虑选择第一种方案。
2.3采集模块方案
反射式光电传感器的输出信号是模拟信号,所以需要采集电路把传感器的模拟输出信号转换成单片机可以识别的数字信号。
(1)方案一:
使用普通单级比例放大电路。
其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。
但是也存在着许多不足。
如抗干扰能力差、共模抑制比低、受空间环境影响大等。
(2)方案二:
使用差动放大电路。
采集电路需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰,而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。
这种情况下须采用差动放大电路,并应设法减小温漂。
但在实际操作中,往往满足了高共模抑制比的要求,却使运算放大器输出饱和;为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。
(3)方案三:
使用反相器。
反相器是一个简单的电压比较器,在传感器输出信号<2.5V时,反相器输出高电平,相反则输出低电平。
由于反相器电路结构简单,灵敏度高,动作迅速,抗干扰能力强,所以选择第三种方案。
测速电路采用的是霍尔传感器[3]。
霍尔传感器是根据霍尔效应用半导体材料制成的元件。
它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。
测速系统可以分为3个部分。
第一部分是信号源,由霍尔传感器产生电压信号,信号通过差分放大,滤波得到较清晰的信号。
第二部分是信号经过A/D转换[4]送入单片机进行处理[1]
2.4执行模块方案
执行模块包括电机驱动电路和显示电路,,由于本设计中采用的电动小车自带驱动电路,所以这里只考虑显示电路。
显示电路要求实时显示小车在行驶过程中的时间,路程等信息。
(1)方案一:
使用八段数码管[5]。
数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。
数码管分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
数码管的优点是价格便宜,编程简单,显示亮度高。
缺点是安全性低,即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏,采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏
(2)方案二:
使用1602字符液晶。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码所以1602字符液晶能够同时显示16x02即32个字符。
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。
由于显示内容较多,所以采用方案二。
第三章系统硬件分析
3.1电动小车硬件组成框图
智能电动小车采用STC80C52单片机进行智能控制。
开始由手动启动小车,并复位,当经过规定的起始黑线时候,由光电传感器检测,单片机控制实现小车的前进、后退、左拐、右拐等动作。
电路结构框图如下[6]:
3.2STC89C52单片机
3.2.1STC89C52单片机简介
单片机自70年代问世以来,以极其高的性能价格比,受到人们的重视和关注,应用很广,发展也很快。
单片机体积小,重量轻,抗干扰能力强,环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。
经过数十年的发展,现代单片机技术更趋成熟,逐渐实现大容量,高性能,外围电路内装化等方面的发展,已深入渗透到各个领域,特别是检测和控制领域。
现在发展较成熟的机种主要是52系列,52单片机存储器采用的是哈佛机构,即程序存储器空间和数据器存储空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间、可控制系统。
MCS-52以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统。
正是因为其优越的性能和完善的结构,导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构,有许多世界上大的电气商丰富和发展了MCS-52单片机,象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-52的单片机产品,就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C52(人们习惯将MCS-52简称C52,如果没有特别声明,二者同指MCS-52系列单片机)的单片机品种。
MCS-52具有比较大的寻址空间,地址线宽达16条,即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kB,这作为单片机控制来说已是比较大的,这同时具备对I/O口的访问能力。
此外,MCS-52采用模块化结构,可方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产品。
从而容易使产品形成系列化。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能的8位微处理器。
3.2.2STC89C52管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口,如下所示:
P3口管脚备选功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.2.3STC89C52振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2.4STC89C52芯片烧写
STC89C52芯片在销售给用户之前已在单片机内部固话有ISP系统引导程序,配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部。
下图为STC89C52单片机烧写过程。
3.3LCD1602液晶显示器
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用,现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
LCD1602字符型液晶显示模块[7],它可以显示两行,每行16个字符,相当于32个LED数码管,而且比数码管显示的信息还多。
采用单+5V电源供电,外围电路配置简单,价格便宜,具有很高的性价比。
3.3.11602液晶显示引脚
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为电源地
第2脚:
VDD接5V电源正极
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
模块引脚功能如图3-1所示
引线号
符号
名称
功能
1
Vss
接地
OV
2
Vdd
电路电源
5V+/-10%
3
VL
液晶驱动电压
4
RS
寄存器选择信号
H:
数据寄存器
L:
指令寄存器
5
R\W
读/写信号
H:
读L:
写
6
EN
片选信号
下降沿触发
7
|
14
D0
|
D7
数据线
数据传输
15
BL+
输入
背光正极
16
BL-
输入
背光负极
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了不同的点阵字符图形,这些字符有,阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,其中数字与字母同ASCII码兼容。
其内部还有自定义字符(CGRAM),可用于存储自已定义的字符。
1602模块的设定,读写,与光标控制都是通过指令来完成,共有11条指令,
指令1:
清显示,光标复位到地址00H位置。
指令2:
光标复位,光标返回到地址00H。
指令3:
光标和显示模式设置I/D:
光标移动方向,高电平右移,低电平左移,S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效,低电平则无效。
指令4:
显示开关控制。
D:
控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:
控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:
控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。
指令5:
光标或显示移位S/C:
高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标。
R/L,高向左,低向右。
指令6:
功能设置命令DL:
高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:
低电平时为单行显示,高电
平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符。
(有些模块是DL:
高电平时为8位总线,低电平时为4位总线)
指令7:
字符发生器RAM地址设置,地址:
字符地址*8+字符行数。
(将一个字符分成5*8点阵,一次写入一行,8行就组成一个字符)
指令8:
置显示地址,第一行为:
00H——0FH,第二行为:
40H——4FH。
指令9:
读忙信号和光标地址BF:
为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙。
指令10:
写数据。
指令11:
读数据。
3.3.2寄存器的选择功能及指令功能
(1)寄存器的选择功能如表3-3
RS
R/W
操作
0
0
指令寄存器(IR)写入
0
1
忙标志和地址计数器读出
1
0
数据寄存器(DR)写入
1
1
数据寄存器读出
(2)指令功能
格式:
RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
共11种指令:
清除,返回,输入方式设置,显示开关,控制,移位,功能置,CGRAM地址设置,DDRAM地址设置,读忙标志,写数据到CG/DDRAM,读数为CG/DDRAM。
3.4传感器的原理及应用
随着电子计算机、生产自动化、现代信息、军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等科学技术的发展,对传感器的需求量与日俱增,其应用的领域已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常文化生活之中。
可以说,从太空到海洋,从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行,都离不开各种各样的传感器。
下面我们介绍光电传感器和霍尔传感器的原理及应用。
3.4.1光电传感器的原理
光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化.早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上.在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源.这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形.
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下,有三部分构成它们分为:
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。
此外,光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。
它由很小的三角锥体反射材料组成,能够使光束准确地从反射板中返回,具有实用意义。
它可以在与光轴0到25的范围改变发射角,使光束几乎是从一根发射线,经过反射后,还是从这根反射线返回。
3.4.2光电传感器驱动电路
采用反射式红外光电传感器FGKl25来实现小车寻迹功能,利用红外线对不同颜色的反射系数不同而产生强弱电流信号,此种传感器受外界环境的影响比较小,抗干扰性比较强。
在没有强烈日光干扰(在有日光灯的房间里)探测距离能达5cm,完全能满足探测距离要求。
我们在车底安装了6个反射式红外线传感器,前后两侧的4个传感器完成前进和后退时寻迹功能。
前方中间的传感器完成定位指令。
电路如图3-4所示,把电路参数设置为只对黑、白两色敏感(测到黑色输出高电平、测到白色输出低电平),改变尺R2的大小,调整输出对地面灰度的敏感程度。
根据传感器放置的高度和设置的寻迹条明暗程度,我们选用了270K欧姆固定电阻,这样可以直接过滤掉部分灰色干扰杂块。
输出信号经过CD4069构成整形电路后得到一个高、低电平送给单片机。
光电传感器驱动电路如下:
3.4.3霍尔传感器
霍尔集成传感器是将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路集成在一块芯片上,为用户提供一种简单化的和比较完善的磁敏传感器。
霍尔传感器测速原理:
传感器的位置固定在靠近小车车轮的适当位置,小车的轮上装几个磁铁,每当磁铁转过霍尔传感器时,引起磁场的变化。
霍尔集成传感器分为线性型和关型两大类,本系统中选用的是开关型霍尔集成传感器SS44E。
SS44E传感器的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压放大后再经信号变换器,驱动器进行整形,放大后输出幅度相等,频率变化的方波信号脉冲,计算脉冲的个数,即可确定旋转物体的速度。
如我们在小车的轴上安装了4块磁铁,则车轮旋转一周霍尔传感器计数4个脉冲。
用lmin计量的脉冲数除以4就是小车的转速。
第四章系统软件分析
在进行微机控制系统设计时,除了系统硬件设计外,大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。
因此,软件设计在小车控制系统设计中占重要地位。
对于本系统,软件更为重要。
在单片机控制系统中,大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。
数据处理包括:
数据的采集、数字滤波、标度变换等。
过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算,然后再输出,以便控制生产。
为了完成上述任务,在进行软件设计时,通常把整个过程分成若干个部分,每一部分叫做一个模块。
所谓“模块”,实质上就是所完成一定功能,相对独立的程序段,这种程序设计方法叫模块程序设计法[8]。
本系统软件采用模块化结构,由主程序﹑定时子程序、显示子程序﹑算法子程序构成。
具体流程如图4-1[9].
4.1I/O定义
根据硬件电路图,确定单片机的I/O,接着定义一下ioconfig.h,确定单片机每个口的输出。
LCD1602占用p0口,按键占用P3^2、P3^4、P3^5,伺服电机占用P1^0、P1^1,传感器占用P1^2--P1^7。
蜂鸣器占用P2^4,LED指示灯占用P2^5、P2^6。
4.2主程序设计
主程序里首先初始化外部设备,检测显示屏、按键等外设是否准备好,然后就是调用各个子程序,详细程序如下:
voidmain()
{
init();//LCD1602显示
for(;;)
{
scan_key();//键盘扫描
scan_D();//传感器扫描
deal();//处理传感器状态
display_length();//路程显示
}
}
4.3显示子程序设计
显示子程序显示当前系统运行时间及小车走的路程。
具体过程为:
首先检查LCD状态,假如LCD的状态一直为忙就等待,同时一直扫描LCD的状态,当LCD的状态为闲时就写入数据。
写入数据时要先把LCD的原来数据清空,然后确定数据的位置,接着就写入字符数据。
4.4转向子程序
转向程序的核心是算法。
小车的控制过程如下:
当中间的传感器检测到黑线时候,小车就直线行走,左侧或者右侧传感器检测到黑线时候,小车就右拐或者左拐,小车前面两个传感器是用来判断是否有交叉路口的,假如前面两个传感器都有信号且其他不全有信号时候,判断前方有交叉路口,执行报警子程
第五章整车调试
小车制作完成的时候,接下来的工作就是调试,其中包括硬件调试和软件调试。
测试仪器包括模拟万用表,数字万用表、信号发生器、示波器、直流稳压电源等。
5.1硬件电路调试
硬件电路包括单片机电路、传感器电路,驱动电路、电机等。
5.1.1单片机电路调试
单片机是电路的控制核心,单片机能否正常工作至关重要。
测量步骤如下:
(1)用数字万用表直流电压挡,黑表笔接电源的负极,红表笔接单片机
的40引脚(电源引脚),测量结果为5.14V。
表示单片机供电正常。
(2)用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出,如果有正脉冲信号输出,
则单片机基本上是好的。
5.1.2传感器电路的调试
光电传感器是电路的眼睛,假如光电传感器不正常,电路就不能按照预想的方式工作。
为了能精确判断出地面黑线位置并确定小车行走方向,因此需要对光电传感器的排布及安装位置进行设计,我们的小车的光电传感器布局[10]如下:
传感器的排列方式确定了以后,接下来测量传感器灵敏度,传感器的发射管为一个发光二极管,用万用表测量正向导通电阻为10K
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- 智能 车辆 陆地 自主 行驶