智能公交车论文v0.2.doc

智能公交车系统设计摘要: 系统设计分为小车、站台两个部分。包括电机驱动模块、寻黑线模块、行车距离检测模块、液晶显示模块、语音提示模块。小车采用两片AT89S52单片机构成双核系统，更高的CPU处理速度使得小车可以在轨道上高速运行；小车使用PWM驱动电路，进行四轮驱动，单侧两轮使用统一电机，这样减少了单片机运行程序即加快了程序的循环速率，使得小车运行更稳定；显示模块中，使用1602液晶屏。关键词：智能控制，反射式红外传感器，单片机1. 方案论证与比较1.1. 直流电机驱动系统设计方案一、静止可控整流器，简称V-M系统。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案二、脉宽调速系统。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：a、由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。b、同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。c、由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。1.2. 寻黑线系统方案一、使用传统简易光电传感器结合外围电路探测。由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二、利用两只光电开关。分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先后来控制小车转向来调整车向，但测试表明，如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度，如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。同时光电开关易受外接可见光的干扰，从而可能造成错误，所以我们不使用该方案。方案三、使用反射式红外传感器 本系统采用5个反射式红外传感器，寻黑线，此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要，该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。光线跟踪，当红外光照在黑线上时，被吸收，从而红外接收器感受不到红外光，检测电路输出低电平；当红外光照在白纸上时，红外被反射，从而红外接收器感受到红外光经，检测电路输出高电位，经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。1.3. 行车距离检测 方案一、通过测试得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积tv作为驶过的距离。但该方案受电池电量、路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差较大的缺点。故不予采用。方案二、利用霍尔开关在后轮内侧匀距贴上m个磁钢，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n乘以c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。方案三、红外收发器计数在黑色车轮上贴上一条白胶带，制作一个反射式红外传感器电路，对准车轮，当车行驶时，黑白区域会交替出现在传感器前，反射式红外传感器向车轮发送红外线时，当黑色区域对准接发器时，红外线就会被车轮接收，红外探头就接收不到返回波；当白色区域对准接发器时，红外线就会被车轮反射，红外探头就接收到返回波。这样传感器就会产生脉冲信号，并把信号发送给单片机，单片机通过计数，就会得到车轮转动的总圈数，再乘上车轮的周长就得到了小车行驶的距离。由于我们使用的小车车轮有较高的防滑性能，且同侧车轮使用同一驱动电机（具有相同的转速），所以行车距离检测是比较准确的。经过实验测试，精度相当高。所以在本次设计中我们使用第三种方法进行测距。1.4. 显示模块方案一、均用LED显示。各个显示部分均用LED显示，此方法优点是使用简单，电路搭建容易，程序编写简单，但LED数码管可显示的字符较少，且不直观，所以我们不使用此方法。方案二、使用LCD显示。LCD显示模块可以较直观的显示大量的字符，包括一些西文字符，且效果较好，所以在本次设计中我们将使用此方法。1.5. 语音提示模块方案一、使用蜂鸣器 使用蜂鸣器来产生语音提示信号，此方法的特点是电路简单，驱动程序简单，但他只能产生一种声音，无发区分是到了哪个站点，而且蜂鸣器的声音比较刺耳，会对测试者造成一定的人生伤害。方案二、使用ISD1700芯片模块 该芯片是一款非常好的芯片，华欧电子制成的以ISD1700为核心的语音模块具有录放音功能，且具有分段储存语音的功能，模块还具有快进和快退功能，与单片机只需要一个端口相连，通过单片机发送一个低压信号就可以放音，但该模块价格较高，因经费问题，我们不得不放弃该方案，从而选择方案一。2. 硬件电路设计2.1. 寻黑线模块电路本系统共设计了5个反射式红外传感器，在寻黑线电路板上成一字排开，当中间部位的传感输出低电平，两边输出高电平时，小车走直线；当左侧部位的反射式红外传感器输出低电平，右边输出高电平时，单片机控制转向电机向左转；当右侧部位的反射式红外传感器输出低电平，左边输出高电平时，单片机控制转向电机向右转；当输出低电平的反射式红外传感器越靠边上，则与之相应转向速度就越快，进而实现小车的寻黑线（图1） 。图1：反射式红外传感器模块电路图2.2. 脉宽调制原理脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性，也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性，因而改变了电动机的转向。改变控制电压的大小，则调节了输出脉冲电压的宽度，从而调节电动机的转速。只要锯齿波的线性度足够好，输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的如图2。图2：电机驱动2.3. 站台模块 在站台上配有液晶屏，可以通过键盘输入站台与起点站间的距离，并能够在液晶上显示站台号和站台与起点站间的距离。站台上还留有NewMsg_RF2401无线发射模块接口（如果加上NewMsg_RF2401可以与小车实现无线通信）。站台使用五伏直流电源供电。图3：站台电路图2.4. 语音模块语音模块以蜂鸣器为核心进行搭建，电路简单实用。因电路简单就不在赘述。2.5. 行驶距离检测模块该模块的核心是反射式红外传感器，如图1所示。3. 系统软件设计根据系统工作要求，软件的设计可以分为两部分：公交车和电子公交站。其中，公交车上使用了两块单片机，分别起着主控制器和协控制器的作用。其工作流程图如图4所示。主控制器在输入站台与起始点的距离后，即对写控制器发送开始指令。协控制器根据光电传感器所反馈的信息进行寻迹，并控制小车的方向和速度。主控制器在此过程中进行车速和车距的控制，并在小车距离公交站点1m时，驱动蜂鸣器。而协控制器在小车到达车站后对小车进行靠站停车的控制。图4：软件工作流程图电子公交站的控制比较简单，仅仅执行接收键盘输入信息及信息显示等工作。4. 测试数据及结果分析对公交车的测试情况如表1和表2所示。表1：速度测试列表（单位：m/s）次数 路面状况平纸板水泥地面木质跑道10.300.290.3520.320.270.3430.320.260.36表2：跑道全程测试情况次数 项目完成时间（s）行驶过程中脱离轨道次数躲避障碍物时碰撞次数198002101005. 总结本次设计中我们力求实现公交系统完全智能化，在小车的设计上使用了两块51单片机基本上实现小车的自动寻黑线、显示距离、到站警报和到站停靠5秒等功能。但在设计中也有不少遗憾，由于时间紧张，没有实现超声波测距、测速，和无线通信等功能，无法达到完全智能化，我们以后一定会加倍努力，通过不断学习来丰富自己的知识，设计出更好的电子产品，在这里谢谢各位领导和老师给了我们锻炼的机会。参考文献1. 何小艇主编，电子系统设计