长通杯论文-自动循迹小车

1、 第八届“长通杯”电子设计大赛基于自动寻迹的智能公交车系统设计与总结报告 学院 ：电气工程学院 队长 ：岳丽娇 电技091班 队员 ：甄扣扣 电技091班 张 欢 电技091班 马得成 建环091班摘要:公交车以单片机最小系统为核心，用SST89E52RD单片机控制公交车的黑带识别、行驶驱动和方向控制，以SST89E52RD高速单片机处理公交车的速度、里程检测，站点到站停靠，语音报站；公路黑条及站台标志检测采用光电传感器，电机速度用PWM控制；里程及车速测量采用光电码盘，站点播报处理使用ISD4004语音集成电路。经调试及多次测试，智能公交车系统运行可靠，实现了公交小车按任意黑线行驶、到站前语

2、音提示、自动停靠、在规定时间内驶完全程以及站台显示器实时显示小车距离、车速、到站大致时间信息等设计要求。设计共分为7个模块：控制模块、电源模块、 电机驱动模块、轨迹探测模块、自动停靠站模块、里程与速度测量模块、语音（报站）模块、显示模块 。关键字：自动寻迹 智能 公交车一、 方案设计与论证1、控制模块方案 方案一：采用可编程逻辑器件CPLD CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大、密度高、体积小、稳定性高、处理速度快，适用于大规模的控制系统，但成本较高。 方案二：采用51单片机 51单片机的使用简单，对于小型系统的控制灵活，而SST51系列单片机相对来说功能强大、集成度高，烧写程序方便，经

3、济实用。 结论：本设计采用方案二。2、电源模块方案提供电源，由于小车及电路工作分别都要电源提供，需要调整电压。且各部分需要电压稳定，所以需要采用稳压系统，用L7805实现稳压功能，3、驱动模块方案 方案一：采用继电器驱动 采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对小车速度进行调整。本方案电路较为简单，但是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短，因此可靠性小。 方案二：采用专业电机驱动模块（L293B）驱动 采用双电源驱动L293B集成芯片控制输出，采用单片机输出PWM波到L293B集成芯片来控制直流减速电机的速度，通过控制双侧输出PWM波的占空比，从而控制双侧电机的转速，来实现

4、直线行进，转弯，停靠等操作。控制简单，且响应准确迅速。 结论：本设计采用方案二。4、 轨迹探测模块方案 为了使小车走完给定的图形，轨迹检测的灵敏度决定了小车行迹时的抖动程度和对黑线的偏差，所以为了达到行驶的稳定性，必须提高检测的灵敏并降低噪声干扰对其的影响。方案一、利用红外对管。 分别将五对按一定位置放置于小车底部，利用红外线发射管和接收管的光电特性，在行驶过程中对黑线进行循迹。使用其最大优点就是结构简明，成本低廉，免去了复杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面检测。 方案二、使用CCD传感器来采集路面信息。 使用CCD传感器抗干扰能力强，但需要有大量的图像处理工作，需要进行大

5、量的数据计算和存储。 结论：我们仅考虑赛道只有黑白两种颜色，故小车只要能区分黑白两种颜色，就可以采集准确的路面信息。因此综合考虑，本设计采用方案一。5、自动停靠站模块方案 本方案分为两部分：停靠标志黑线识别系统和停靠标志灯光识别系统。其中停靠黑线识别系统可以用轨迹探测模块代替，依靠轨迹探测模块中红外对管识别，而停靠标志灯光识别系统方案如下： 方案一、使用光敏电阻 因为灯光标志在轨迹右侧，所以只需在小车两侧各安装一光敏电阻，利用光敏电阻的光电特性，恰恰能很好的实现这一要求。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子同时产生空穴，电子空穴对的出现使电阻率变小。灯光消失

6、，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。通过比较位于小车两侧的光敏电阻接收到光的强度变化，确定是否为停车标志，以排除停车干扰。简单经济。方案二、采用方向性较强的光敏二极管作光源定位器。 若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出实时光线方位。若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，需要很多的器件，成本较高。 结论：本设计选用方案一。6、里程与速度探测模块方案 方案一：采用超声波测距超声波使用起来比较简单，在测量长度、速度方面有着很广泛的应用。但是超声波使用的是声音在传播的时候遇到障碍物折回的原理，前方必须有一定体积的障碍物

7、，在公交系统中通常不采用，故不选择此方案 方案二：采用光电码盘使用光电码盘是利用了光的直线传播的特性，有障碍物时光被障碍物挡住，没有障碍物时光可以直线传播到达指定的地方，由于其测量精度和分辨率高、抗干扰能力强，在比较小的场合应用的非常广泛。 结论、本设计采用方案二。7、语音（报站）模块方案该模块主要采用现成的模块系统，ISD4004具有音质好，电压范围宽，应用灵活等优点，但价格较高。根据要求及实验室的器件情况因此本设计采用蜂鸣器报站。8、显示模块方案 小车在循迹时，显示模块显示的是速度和最后循迹判断出来的图形，行迹时显示速度要迅速准确，所以要求此模块可读性高和操作性简单。方案一、7段数码管显示

8、 使用7段数码管显示行迹时的速度和循迹的图形，需要多个数码管，需要增加外围驱动器件（如74LS47或74LS48等），使得电路板空间拥挤，焊接时难度增加了，使用操作复杂了，并且数码管只能显示数字，不能直观的显示字母等符号，使得可读性降低。方案二、SMC1602液晶显模块使用1602液晶显示时，用8个P0口的数据线连接到液晶上就能控制1602的显示，使得小车的结构、使用和操作更加简单；1602的显示容量为162，这样仅用8个I/O口就能控制显示32个字符，每个字符显示位为57点阵式，可显示的字符种类增加，这样更使得可读性能提高。结论：综合考虑到显示的功能和整体结构的复杂程度，本设计采用方案二。二

9、、电路设计1、总体设计设计模块图如图3-1示： 图3-1 2.硬件设计 1）控制单元电路设计单片机SST89E52RD芯片与并口连接图 图3-32）电源单元电路设计 稳压电路图 图3-43） 电机驱动单元设计 电机驱动模块采用的是直流电机的专用驱动芯片LM298。LM298是SGS公司的产品，本设计采用的是15脚封装的L298N，内部包含四通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机，本设计在实际应用中用LM298来控制两路直流减速电机。驱动模块电路图如下： 图3-5转弯加速由于本设计前后电机采用同一电源供电，在前轮转向时，后轮速度将有所降低，此时即通过软件表象加速来弥补其

10、电流的降低，从而提高了小车在弯道的行驶速度。进弯道前减速行驶分别采用不同的速度来控制直道与弯道的行驶，可以使得在直道区尽可能加速，以节省时间；在弯道区减速，有更多的时间来寻轨，避免脱离轨道，也使得小车以比较直的方向进入C点以后区域反转式刹车当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案全速刹车反应时间减少为0.5s。 L293B工作表-引脚和输出引脚的逻辑关系电机运行情况EN 1（2） IN1（IN3） IN2（IN4）正转HHL反转HLH快速停止H同IN2（IN4） 同IN1（IN3）停止L

11、XX 表3-14）轨迹检测单元设计轨迹检测模块使用5对黑白对管，由于是自行设计电路，通过调整电路结构使得抗干扰能力增强，灵敏度提高，电路图如下图所示： 图3-6结合实际的传感器安排和寻迹方式：鉴于黑色路线的实际方向，为了可以检测出直线、弯道和起始标志、停止标志。小车使用5个黑白对管传感器，各个位置的对管检测到的信号经过处理，使小车进入不同的状态，完成一次规定动作（走直线、左微调、右微调、左转弯、停止）。对管位置如下图和下表所示: 图 3-7 对管编号对管位置引脚位置程序中字符1左前P2.0L12右前P2.1L23左后P2.2L34右后P2.3L45中后P2.7L5 表3-2当对管检测到黑线的时

12、候，对应的引脚为高电平，程序中表示为1；未检测到黑色的时候，对应的引脚为低电平，程序中表示为0。对应的真值表如下表所示：L1L2L3L4L5执行操作*0小车退后00001直线前进00011左微调00101右微调01001右微调01011右微调01100右转01111右微调10001左微调10011左转10110左微调10111左微调 表3-35）自动停靠站单元设计 只有轨迹黑线和灯光存在同时满足是才可以真正实现停靠站功能，如此可以有效的避免干扰，其中灯光识别电路如下： 图3-8 当信号为干扰信号时，由于没有灯光照射，所以两光敏电阻大小相同，即LM339两输入电压信号相等，否则不相等。LM339

13、“-”极电位LM339“+”极电位所得信号低高灯光信号基本接近干扰信号 表3-4自动停靠站模块工作表如下：L1L2L3L4L5信号动作11001灯光信号停靠站11011灯光信号停靠站11101灯光信号停靠站11111*停车 表3-56） 里程与速度探测单元设计 路程测量模块采用光电码盘，可以提高测量的准确度。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。 光电码盘如下图所示 图3-9电路图如下： 由定时器0和定时器1的计数溢出标志作为控制，实现输出高低电平的脉冲，占空比由定时器的计数器TH0,TH1,TL0,TL1的初始化来决定。 图3-107）语音（报站）单元设计 语音电路设计主要采用蜂鸣器报站的效果。硬件原理实现如下图所示： 图3-118） 显示单元设计 显示模块与电路连接如下图所示： 图3-123.软件设计软件设计的流程图程序实现 三：测试方法与测试结果1、测试仪器：2、测试方法：3、测试结果：四：讨论 五、总结本系统以单片机SST