【《汽车前照灯智能控制系统的硬件和软件设计案例》5400字】

汽车前照灯智能控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u15371汽车前照灯智能控制系统的硬件和软件设计案例 17293第1章系统硬件设计 1276431.1单片机最小系统的设计 1174591.2电源电路设计 3235231.3电机控制电路设计 557541.4方向盘转角检测电路设计 7311561.5车速检测电路设计 1038921.6USB转串口 11267751.7复位电路 11185501.8本章小结 1230642第二章系统软件设计 1311912.1程序整体架构 13143992.2主程序设计 14201582.3初始化模块设计 16300442.4方向盘转角采集程序设计 1623992.5车速采集程序设计 1990072.5电机控制程序设计 25第1章系统硬件设计1.1单片机最小系统的设计本文选用STM32F103VET6单片机作为最小控制系统。STM32F103VET6由意法半导体公司在ARMCotex-M3内核基础上研发，是一款低成本、低功耗、高性能的互联型微型单片机集成处理器，其实物如图4-1所示，其引脚图如图4-2所示。图4-1STM32F103VET6处理器图4-2STM32F103VET6引脚图STM32F103VET6具有以下功能：1)32位RISC结构，有很强的运算能力，工作频率可达72MHz。2)具有很强的抗干扰性，可在-40℃~+85℃范围内正常工作。3)可在2V~3.6V正常稳定工作4)单片机内有丰富的资源，可扩展性强，内部含有I/O口、定时器、比较器及数模转换器等。STM32F103VET6外围电路如下图4-3所示。图4-3STM32F103VET6外围电路1.2电源电路设计本文中应用的单片机系统在3.3V下工作，传感器在5V下工作，但是在现实情况下，一班是将12V汽车电池作为主电源进行供电，所以无法直接对系统进行供电，需要经过变压电路转变成其他电压后再供电。图4-4为12V电压转5V电压的变压电路原理图，图4-5为5V电压转3.3V电压的变压电路原理图。图4-412V转5V的电源电路图12V转5V电路选用的线性降压型DC／DC转换器为三端稳压器件7805，它使用简便，价格便宜。图4-55V转3.3V的电源电路图当电源的输出端超过额定负载或短路时，会对电源造成损坏，导致系统不能正常工作。为了防止这种情况发生，需要有过流保护电路。过流保护电路采用MT9700芯片。MT9700是一款低成本、低功耗的电子负载开关，常用于USB供电控制。MT9700特性参数如下：(1)工作电压范围：2.4V~2.5V(2)内阻:80mR(3)具备过热保护、限流保护（通过外部电阻设置电流大小）5V过流保护电路如图4-6所示，3.3V过流保护电路如图4-7所示。图4-65V过流保护电路图4-73.3V过流保护电路图1.3电机控制电路设计本系统使用两个舵机带动两个前照灯转动。舵机可以在程序的控制下，在一定范围内连续改变输出轴角度并且可以保持住。舵机主要由以下几个部分组成：外壳、舵盘、直流电机、减速齿轮组、角度传感器、控制驱动电路和接口线缆等。常见的舵机内部结构如下图4-8所示图4-8舵机内部结构其中角度传感器负责舵机的位置反馈，直接装在舵机的主输出轴上，能够将主输出轴旋转后产生的角度变化变成电压信号发送至控制电路；控制驱动电路负责接收外部接口传来的信号和角度传感器反馈的电压值，以及驱动直流电机旋转；减速齿轮组则是用来降低直流电机的转速并且放大扭矩。舵机内部的控制驱动电路板从外界接收控制信号，经过处理后变成一个直流偏置电压，在控制板内部有一个基准电压，这个基准电压由电位器产生并反馈到控制板。将外部获得的直流偏置电压与电位器的电压进行比较获得电压差，并输出到电机驱动芯片驱动电机，电压差的符号决定电机的旋转方向，电压差的大小决定旋转的角度，电压差为0时，电机停止转动。大致原理框图如下图4-9所示。图4-9舵机工作原理图舵机的输入有三根线，一般的中间的红色线为电源正极，咖啡色线的为电源负极，黄色色线为控制线号线。如下图所示。图4-10舵机输入线舵机的主要组成部分为伺服电机。接受到信号之前，转子停止不动；接受到信号之后，转子开始运动。因此可以通过输入不同的信号来控制舵机的旋转角度。舵机接收的脉冲信号类型是PWM信号，当信号进入内部电路时，一个偏置电压产生，驱动电机转动，电位器被电机通过减速齿轮带动移动，当电压差为零时，电机停止转动，从而达到伺服的效果。通过将一个特定的PWM信号输入舵机，就可以控制舵机旋转到一个指定的位置。本文选用的舵机型号为MG996R，这款舵机的规格如下：•尺寸：40.5*20*41mm•重量：55g•速度：1.8V@0.12±0.01sec/60°——6.0V@0.11±0.01sec/60°•扭力：1.8V@11kg-cm——6.0V@13kg-cm•电压：1.8V-6V•空载工作电流：220±20mA•堵转工作电流：2000±30mA•响应脉宽时间5usec•角度偏差：回中差1°，左右各45°误差3°。•齿轮：5级金属齿轮组•连接线长度：300mm•接口规格：JR/FP舵机驱动接口如图3-7图4-11舵机驱动接口1.4方向盘转角检测电路设计编码器，是一种用来测量机械旋转或位移的传感器。这种传感器能够测量机械部件在旋转或直线运动时的位移位置或速度等信息，并将其转换成一系列电信号。旋转编码器的原理示意图如下图4-12所示。旋转编码器内部大都由码盘、光电检测装置和信号处理电路等部分构成。码盘上刻了若干圈线槽，线槽等距并且可透光，当码盘旋转时就会周期性的透过和遮挡来自光电检测装置的光线，这样检测装置就会周期性的生成若干电信号。但是这些电信号通常比较微弱，需要加入一套处理电路对信号进行放大和整形，最后把信号整形为脉冲信号并向外输出。图4-12编码器原理示意图本文采用增量式光电编码器进行方向盘转向角度的检测。增量式旋转编码器是将设备运动时的位移信息变成连续的脉冲信号，脉冲的个数表示位移量的多少。编码器一般会把这些信号分为通道A和通道B两组输出，并且这两组信号间有90°的相位差。同时采集这两组信号就可以知道设备的运动和方向。通道Z用来表示编码器特定的参考位置，传感器转一圈Z轴信号才会输出一个脉冲。码盘的具体工作方式如下图所示。图中黑色代表透光，白色代表遮光。当码盘转动时，内圈和外圈的线槽会依次透过光线，光电检测装置检测到光线通断的变化，就会相应的输出脉冲信号。图4-13增量式编码器码盘运作方式1图4-14增量式编码器码盘运作方式2图4-15增量式编码器码盘运作方式3当方向盘转动时，光电编码器，会产生与转角相应的相位差为90°的A、B两路脉冲，当编码器正转时，Ａ路信号的相位超前Ｂ路信号90°，如图4-16（ａ）所示；当编码器反转时，Ａ路信号的相位落后Ｂ路信号90°，如图3-16（ｂ）所示。当A相处于上升沿时，判断B相的高低电平即可判断编码器旋转方向。若B相为低电平，则编码器正转；若B相为高电平，则编码器反转。图4-16光电编码器脉冲图编码器接口电路图如下图4-17所示。图4-17编码器接口本文选用的光电编码器型号为EPC--755A，这种光电编码器具有重量轻、体积小、耐碰撞、易安装等特点，广泛应用于角度测量、位移测量。1.5车速检测电路设计图4-18为霍尔传感器电路图。通过对脉冲信号计数即可判断出车速，其输出波形为正弦波，通过LM393集成电路的信号处理之后波形变为TTL高低电平方波，该波形可以直接接入单片机。本文采用的ES3144霍尔元件基于半导体工艺设计和生产，内部集成霍尔效应片、电压调节口、反向电压保护器、信号放大、并集电极输出三极管。ES3144采用集电极开路，能更加灵活地连接各种电路。ES3144霍尔传感器有以下特性：(1)内部自带反向电压保护功能(2)可在1.5V~24V电压范围内工作(3)灵敏度高，响应快(4)可在-25℃到85℃温度范围内工作(5)抗静电能力5KV图4-18车速传感器及其输出接口图1.6USB转串口CH340G是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口。其电路原理图如图4-19所示。图4-19USB转串口1.7复位电路复位电路是确保\t"/item/%E5%A4%8D%E4%BD%8D%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"单片机系统中电路能够正常稳定工作的必要条件。复位电路的作用是控制CPU的复位状态：在上电或复位过程中，让CPU在这段时间内保持复位状态，防止CPU发出错误指令、执行错误操作，同时可以提高电磁兼容性能。电路原理图如下图4-20所示。图4-20复位电路1.8本章小结本章主要介绍了系统的硬件设计部分。完成了单片机选型STM32F103VET6。设计了电源电路及过流保护电路。执行机构选择舵机并介绍了其结构及工作原理。确定了方向盘转角采集及车速采集的传感器型号并绘制了电路原理图。第二章系统软件设计2.1程序整体架构本文设计的自适应前照灯系统要实现的功能有以下几点：（1）获取外部行车路况（2）根据行车路况，调节前照灯偏角整个控制系统的功能框图4-1：图5-1系统功能框图程序整体加工包括主函数、系统初始化设置（包括硬件IO口设置、输入口设置和输出口设置）以及主程序定时器设置。汽车的控制系统在上点之后初始化程序，并设置软硬件系统的初始参数，将各功能模块进行复位清零，监测硬件是否在位，之后进入主函数开始工作。本文用到的定时器及单片机引脚如下表5-1所示：表5-1单片机引脚引脚PA0PA1PA6PA8PB4PB5定时器TIM5_CH1TIM5_CH2TIM3_CH1TIM1_CH1TIM6_CH1TIM6_CH2接口编码器A相编码器B相编码器Z相车速传感器舵机1舵机22.2主程序设计在本系统中，主程序包括系统初始化子程序、方向盘转动角度采集子程序、汽车速度采集子程序、电机控制子程序。系统的主程序流程图如图5-2所示。图5-2主程序流程图主程序的控制流程为初始化程序，并设置软硬件系统的初始参数，将各功能模块进行复位清零，监测硬件是否在位，之后进入主函数开始工作。首先传感器采集车速和方向盘转角，系统根据角度算法计算出所需转角，将转角数据转换为相应脉冲宽度的PWM信号输入转向执行机构控制前照灯转向。本文设计的程序是通过定时器定时来进行循环，主循环时间设置为30ms。本文采用基本定时器TIM6来实现定时。宏定义如下：把定时器设置自动重装载寄存器ARR的值为1000，设置时钟预分频器为71，则驱动计数器的时钟：CK_CNT=CK_INT/(71+1)=1M，则计数器计数一次的时间等于：1/CK_CNT=1us，当计数器计数到ARR的值1000时，产生一次中断，则中断一次的时间为：1/CK_CNT*ARR=1ms。基本定时器模式配置如下：定时器中断一次的时间是1ms，定义一个全局变量time，每当进一次中断的时候，让time来记录进入中断的次数。要实现一个30ms的定时，只需要判断time是否等于30即可然后把time清0，重新计数，以此循环往复。2.3初始化模块设计初始化程序设计就是对各寄存器进行清零、复位以及设置系统初始状态的参数，并对系统中软件与硬件的初始状态进行设置。初始化程序是为了确保各个模块软件程序能够正常运行，确保能够准确配置与调用单片机各个模块，确保主程序能够正常运行。2.4方向盘转角采集程序设计当转动方向盘时，光电编码器便会发出A、B两路相位差为90度的数字脉冲信号。如下图5-3所示。图5-3编码器输出信号由图中可看出编码器正转时,A相超前B相90°，在A相脉冲的上升沿处，B相为低电平；在编码器反转时，B相超前A相90°，在A相脉冲的上升沿处，B相为高电平。通过检测A相上升沿时B相的高低电平就可判断编码器的旋转方向。本系统将编码器A相脉冲接入单片机PA0，B相接入PA1，Z相接入PA6。把外部中断设置为A相上升沿触发，当主控制器捕获到A相上升沿时，进入中断服务程序，判断B相脉冲是高电平还是低电平，若B相为低电平，则判断编码器为正转，使脉冲计数加1；若B相为高电平，则判断编码器为反转，使脉冲计数减1。然后根据脉冲计数和符号得出旋转角度和方向。符号为正，为正转，符号为负，为反转。若方向盘旋转一周编码器产生的脉冲个数为N,采集到的脉冲个数为n，则方向盘转角得到计算公式为。Z相的复位条件为当前转角小于90°且Z相有上升沿。图4-3方向盘转角采集流程图方向盘转角采集采用脉宽测量输入捕获。选择编码器接口模式：计数器只在TI1边沿计数，置SMS=010。高级定时器宏定义：中断服务函数：捕捉边沿配置为上升沿。当第一次捕获到上升沿，把计数器清0，开始计数，同时把捕获边沿改成下降沿捕获。当再一次捕获到上升沿，计数器计数加1。计时周期过后，读取寄存器的值即可得出脉冲个数。2.5车速采集程序设计当车轮转动时,霍尔传感器会产生如图4-4的脉冲信号。对这些脉冲信号进行计数,同时用单片机进行计时。车速采集流程如图4-5所示。图4-4传感器输出信号传感器无脉冲信号时为低电平输出，若检测到一个脉冲信号代表汽车车轮转动一周，在主控制器的一个计数周期内，检测到的传感器输出的脉冲数量为N，则说明汽车车轮转动N转，已知汽车车轮半径为R，则汽车车轮转动一圈的时候汽车前进的距离为：S=2（4-1）在一个计数周期内汽车转动N转，则前进距离为：S=2N（4-2）根据以上数据即可计算出汽车的速度为：v=（4-3）式中，N表示单位时间内采集到的脉冲数；R表示车轮半径；T表示采样周期；Z表示齿轮的齿数；i表示主传动比。图4-5车速采集流程图车速采集子程序采用高级定时器PWM输入捕获功能。高级定时器宏定义如下：在上面的宏定义里面，可以算出计数器的计数周期为T=72M/(1000*72)=1MS，即定时器在不溢出的情况下的最大计数周期，也就是说可以捕获到周期小于1ms的PWM信号，能捕获到的最小的频率为1KHZ。PWM输入模式：由于是PWM输入模式，只能使用通道1和通道2，假如使用的是通道1，即TI1，输入的PWM信号会被分成两路，分别是TI1FP1和TI1FP2，两路都可以是触发信号。若选择TI1FP1为触发信号，那么IC1捕获到的是PWM信号的周期，IC2捕获到的是占空比，输入捕获结构体的TIM_ICSelection要配置为TIM_ICSelection_DirectTI。如果选择TI1FP2为触发信号，则IC