基于自动循迹的智能公交车系统—硬件设计.doc

毕业设计（论文）基于自动循迹的智能公交车系统硬件设计摘要：本智能公交车系统，由ATmega16单片机控制模块、电机驱动控制电路、自动循迹控制电路、测速电路、语音系统电路以及无线传输电路构成。Atmega16单片机控制模块能产生PWM信号来控制电机的转速和转向，采集自动循迹控制电路上的信号来确保小车在地面上按指定方向行驶，监控测速电路上的信号来计算行驶的速度，控制语音系统电路来进行语音报站和控制无线传输电路来和公交站台进行数据传输。整个系统结构严谨、电路简单、功能完善，并采用了大量低功耗措施，大大地降低了系统的功耗。关键词：ATmage16单片机；自动循迹；PWM；语音报站；低功耗IIBased on the automatic tracking of the smart bus systemHardware designAbstract: The Smart Bus system consist of ATmega16 MCU controller, motor driver control circuit, automatic tracking control circuit, speed circuit, voice systems circuit, and wireless transmission circuit. ATmega16 MCU controller can generate PWM signals to control the motor speed and steering, collect the signal from the automatic tracking control circuit to ensure that the car run in the specified direction, monitor the signal from Speed circuit to calculate the speed of the car, control the sound station of voice systems and control the data Transmission during two wireless transmission circuit. The whole system have rigorous frame, simple circuit and perfect function. Also the whole system use a large number of low-power measures to make that the systems power consumption is greatly reduced.Key Words: ATmage16 MCU controller; automatic tracking; PWM; Sound Station; low-power目录前言11 公交车概述31.1 公交车的起源31.2 国内外对公交车系统的研究31.2.1 国外的研究现状31.2.2 国内的研究现状41.3 公交车发展趋势51.4 小结62 系统总体设计72.1 系统总体框图72.2 系统总体设计思路72.3 系统方案论证82.3.1 单片机控制模块的选择82.3.2 电机的选择82.3.3 电机驱动模块的选择82.3.4 自动循迹模块的选择92.3.5 车速测量模块的选择92.3.6 语音报站模块的选择92.3.7 无线传输模块的选择92.4 小结103 主控模块设计113.1 单片机ATmega1610113.2 复位电路113.3 时钟电路123.4 小结124 模块电路的设计134.1 电机驱动模块134.1.1 电机驱动专用芯片L298N134.1.2 小车状态定义电机驱动模块的输入144.2 自动循迹模块144.2.1 反射型光电探测器RPR220144.2.2 循迹电路原理分析154.2.3 循迹模块的安装154.3 车速测量模块164.3.1 直射式红外光电传感器H42B6164.3.2 H42B6应用电路原理分析174.3.3 基于H42B6的车速测量模块的安装174.4 语音报站模块174.4.1 语音芯片ISD1700184.4.2 基于ISD1700的按键控制模式电路184.5 无线传输模块194.5.1 RFC-1100B模块194.5.2 RFC-1100B工作原理204.6 电源供电模块204.6.1 电源供电框图204.6.2 供电电路204.7 小结225 系统测试235.1 测试环境与仪器235.2 指标测试235.2.1 电源供电模块的测试235.2.2 电机驱动模块参数测试235.2.3 自动循迹模块参数测试245.2.4 车速测量模块参数测试245.3 小结246 总结256.1 本系统的特点256.2 系统不足与改进256.3 小结25参考文献26致谢28附录29附件1 Atmega16最小系统29附件2 ATmega16与电机驱动模块连接电路30附件3 ATmega16与自动循迹模块连接电路31附件4 ATmega16与车速测量模块连接电路32附件5 ATmega16与语音报站模块连接电路33附件6 ATmega16与无线传输模块连接电路34附件7 系统总电路35附件8 小车实物图362前言近年来，随着城市的发展、人口的增多，城市交通拥堵、交通事故和环境污染等问题正在逐步加重，吸引更多市民采用公交出行模式、优先发展公共交通是解决这些问题，实现城市可持续发展的一条必由之路，因此完善公交车系统是现阶段交通事业发展规划的重要任务之一。发展到目前为止，公交车在已从原来的功能单一的车辆发展到现在的功能繁多的车辆。现在在我国大部分地区已经普及的公交车车载设备大体由以下几部分组成1:1)公交IC卡设备；2)语音报站器；3)电子显示屏;4)语音转向提示器；5)监视器和显示器。公交IC卡设备的使用使得群众不需随身携带零钱，并能优惠大众；语音报站器为乘客提供各个站的语音报站提示，并可以提醒乘客车上注意安全等；电子显示屏给乘客直观的视觉效果来辨认汽车所行使的线路；语音转向提示器可以提醒车内外的人员汽车转弯要注意安全；监视器和显示器可以给司机开关门提供方便，并能提醒乘客注意扒手等行为。不过生活节奏的加快，生活品质的提高，目前的这种服务方式已不能完全满足现有的需求，这就促使更好更完善的公交系统的诞生。一些大城市已经开始增加公交站点，增多公交线路，延长公交营运时间，美化公交车辆，并完善公交车的性能，使市民出行得到大大的方便和得到更好的服务。公交车一系列方案的实施，不仅可以给乘客带来巨大的利益，提升城市形象，还可以为公交企业节约大量经营成本，提高科学管理水平，对促进智能公交系统的建设有着重大的社会效益和经济效益。加大对尖端的设备研究的投入也成为目前公交车系统研究的重中之重。目前所使用到的尖端车载设备有：1） 车载电视；2）硬盘录像机；3）GPS车载终端4）语音自动报站。这些设备虽然在小部分地区已经投入使用，但表现出来的功能还不是很稳定，比如车辆定位不稳定，车载电视信号容易中断等。针对这种现状，本文提出一个对公交车车载设备的研究的模拟系统，它能实现公交车的自动循迹、车辆测速、语音自动报站、与站台间的通讯等功能。具体技术指标如下：（1）公交车从起始站点A出发，沿着黑色引导线，经站点前下车提示、停靠动作后，自动驶到终点站D（需要经过环行车道，不允许直接在十字路口右转弯），行驶过程中不允许驶出公交车道，要求在2分钟内完成全程行驶；（2）公交车行驶到离站点100cm10cm处时（以公交站台标识线为基准），应提前发出下车语音提示5S（如：“B站到了，旅客请下车”，播报的站名必须是B站或D站）；（3）公交车驶入站台停靠时，其车身中心标识线与站台停靠标识线间误差应不超过10cm，站台停靠时间为5s；（4）通过无线传输，公交站台上能实时显示驶向本站公交车的当前车速（单位米/秒）、到站时间（单位秒）及两者的距离（单位米），误差要求不超过10%；本设计是完成指标中的硬件部分的设计。论文正文分为7个部分来阐述：第1章 介绍公交车的起源及其国内外的研究现状和发展趋势。第2章 介绍系统的总体设计思路及各模块的设计方案论证。第3章 介绍的是主控电路的设计。第4章 介绍的是系统中的各模块的设计，包括各模块电路的设计及原理的分析。第5章 是对系统中各模块参数的测试。第6章 是系统的总结，分析系统的特点及系统的不足之处。1 公交车概述1.1 公交车的起源公共汽车，又称为公交车，指在城市道路上循固定路线，有或者无固定班次时刻，承载旅客出行的机动车辆，一般外形为方型，有公交车窗，设置坐位。公交车的起源至少可追溯至1826年。当时一位退休军官在法国西北部的南特（Nantes）市郊开办磨面坊，将蒸汽机排出的热水供人洗澡而兴建公众浴场，并提供接驳市中心的四轮马车服务。当他发现沿途的人们都可以使用他的公共马车时，便开办穿梭旅馆之间的客车路线，让乘客和邮件于沿途自由使用2。巴黎是公车的先行城市，伦敦继之。1831年，英国人沃尔特汉考克为他的国家制造出了世界上第一辆装有发动机的公共汽车。这辆公共汽车以蒸汽机为动力装置，可载客10人，当年被命名为 “婴儿号” 并在伦敦到特拉福之间试运营。不久，以汽油发动机为动力的公共汽车代替了蒸汽机公共汽车。最早制造出汽油发动机公共汽车的是德国的奔驰汽车公司，长途公共汽车则源于美国。1910年1925年间，美国开辟了许多长途公共汽车路线，连接没有铁路的地区。早期的公共汽车一般可载客20余人比较舒适。1.2 国内外对公交车系统的研究20世纪60-70年代是世界各主要国家经济发展的黄金时期但也伴随经济高速发展的负产物之一，即交通状况的不断恶化。尤其是近十多年来，随着经济的发展，城市公交发展十分迅速，站点的增加，线路的增多，营运时间的延长，使得交通拥挤、混乱的问题越发严重。无论是发达国家还是发展中国家，或多或少都受此影响。而且随着生活品质的提高，乘客早已不能满足于现有的服务方式。乘客的服务要求不仅体现在乘车过程中，还体现在乘车前后；不仅需要有车乘，而且需要乘好车、好乘车。这些多元化、多层次的需求都是传统运营模式、调度方式所无法做到的，只有智能公交系统（简称ITS）的实施才能够从根本上解决这些问题，其中智能公交车是智能交通系统（Intelligent Transport System，以下简称ITS）的一个重要组成部分，是研究的重中之重1。1.2.1 国外的研究现状目前，世界上已形成了美国、日本、欧盟三太ITS研究开发基地，除此之外，亚洲的韩国、新加坡和我国的香港特区ITS发展水平也较高3。60年代末期，美国的ERGS(Electronic Road Guidance System)项目开始了世界上最早的ITS开发研究。之后美国集中了国内各种力量，并在政府和国会的参与下，成立了ITS的领导和协调机构，于1991年制订了综合陆上运输效率化法 (即所谓的冰茶法案，Is-TEA)，并拟订了20年发展计划，总投资预算400亿美元。目前，美国在智能公共交通领域独树一帜，已建立起相对完善的车队管理 (通讯系统、地理信息系统、车辆自动定位系统、乘客自动计数系统、公交运营软件系统、交通信号优先系统)、公交出行信息 (出行前公交信息系统、车站路边的公交信息系统、车上公交信息系统、综合乘客信息系统)、电子收费和交通需求管理技术等四大系统及多个子系统及技术规范标准4。日本的智能交通系统起步较晚，但由于政府重视，其发展和推进速度却相当快。日本城市公共交通系统智能化的发展过程经历了3个阶段：70年代末开始应用的公共汽车定位系统，即公共汽车接近显示系统；80年代初开始应用的运行管理系统，其中包括乘客的自动统计、运行监视和运行控制；90年代初开始应用的综合管理系统，其中包括后勤业务改进和经营支援系统。日本组成了由四省一厅参加的全国统一智能交通系统开发组织（VERTIS），并于1996年制定了“推进ITS总体构想”。并推出了一个投资运算7.8兆亿日元，为期长达20年的发展计划，包含了智能子系统部分应用、改善基础设施建设及系统和产品的研究开发。同时，日本国内丰田、三菱、东芝等100多家企业也联合设立智能运输系统的开发和经营机构，加大智能交通产品开发的力度。近年，日本投入了15亿日元开发了全国公路电子地图系统，打开了车辆电子导航市场5,6。欧盟对ITS的研究、开发也不甘落后，1985年，欧共体19个成员国为主的政府与民间企业组织合并后，共同推进智能运输系统的发展，并更名为欧洲道路运输信息技术实施组织（TRICO)，总开发投入50亿美元，实施智能道路和车载设备的研究发展计划。1986年欧洲民间联合操作了欧洲高效安全交通系统计划 (PROMETHEUS)，之后在政府介入下1995年启动了PROMOTE计划，1996年2月底，欧共体事务总局13局第一次公布了T-TAP征集的具体74个子项目。至今，已有相当一部分的研究成果投入到实际的应用当中，并为使用者带来了可观的经济效益7。1.2.2 国内的研究现状由于我国的智能公交系统起步较晚，我国的智能公交事业还是比较落后，但ITS作为跨世纪经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视。近几年，由于科学技术的进步和政府对公交投人力度的加大，我国智能公共交通系统已初现端倪，一些地区的公交现状很好的体现了我国目前的公交水平。在上海，每辆公交车都安装了GPS终端系统，每隔30秒钟通过卫星发送一次信息，为公交站台提供公交车的目前车速、到站时间等消息。福州市结合世行投资项目，建立智能化公交系统，逐步推广GPS、GIS等智能化运营管理技术，提高公交车科学调度水平。目前已有多辆公交车装配了GPS调度系统，基本实现了超速报警、间距保持、车辆定位、故障报修、及时调度等五大功能。实施公交智能化管理系统后，卫星定位仪跟踪每辆运营公交车，实时传递公交运行信息。工作人员通过调度中心屏幕，只需轻点鼠标就能知晓某辆公交车是否超速、是否正常到达等情况。智能化管理将为福州市公交车带来“电子站牌为乘客提供信息、GPS定位报站、电脑调度公交运营”三大变化8。在杭州，杭州公交集团公司正在试运营装有硬盘录像机的公交车，硬盘录像机可以对车上的状况进行了全方位的记录和监控，并提供了报警功能，解决了警察破案的一系列难题。如效果良好，可以有效减少杭州地区被扒手行窃的效率，为人们的财产安全提供更好的保障。而且在新投入运营的公交车上都配备了车载移动电视，方便乘客更好的了解各方面的消息，缓解了乘坐公交车时无聊的处境。1.3 公交车发展趋势公交车电子智能化的目标是将先进的信息技术数据通讯传输技术电子控制技术以及计算机处理技术等有效地运用到公交车辆的运营和管理上使公交车辆达到快捷安全准点舒适的服务要求。21世纪我国智能公交车系统发展的重点是在各地城市普及以下3个系统9：1）公共交通车辆自动调度系统。该系统采用现代通信系统和先进的卫星定位系统在公交车辆上装备从国外引进的GPS定位系统和GSM通讯传输系统或无线传输系统对公交车辆进行计算机调度使车辆达到最大的运力和最好的服务。2）公交电子收费系统。该系统包括IC卡、车载POS机、硬件设备、计算机中央处理系统软件等，采用了现代通信技术计算机技术、自动控制技术等高新技术。它既可自动准确地收费、结算，方便乘客又可利用IC卡当作电子钱包应用在售货亭、停车场、加油站和道路收费处。用于公交车辆上的IC卡均为无接触IC卡（或感应卡聪明卡），具有携带方便交易快捷安全保密等特点。3）公交乘客信息系统。该系统根据所提供的服务空间环境的不同可分为出行前乘客信息、车内乘客信息和路边乘客信息等3个子系统。它采用了电子控制技术、车辆自动定位技术、网络技术，可为乘客提供实时信息包括车辆的到达时间、离开时间以及换乘信息等，乘客通过车上的显示屏、电脑报站器等电子智能化设备和车外的电子路牌、公交触摸屏、网络查询等来得知综合交通信息，从根本上改善乘客出行获得信息难的状况。随着科技的不断进步，以及考虑到现今世界全球能源紧缺的现状，加大在智能公交车和节能公交车系统研发上的投资将会是未来一段时间内的基本策略。1.4 小结本结扼要的阐述了公交车起源以及它的发展历程，并介绍了现阶段国内外的公交车系统的研究现状，并对公交的发展趋势进行了预测。362 系统总体设计2.1 系统总体框图本系统由单片机控制模块控制电机驱动模块、自动循迹模块、车速测量模块、语音报站模块、无线传输模块有序的运行，来实现所需要的各个功能。系统总体框图如图2-1所示。图2-1 系统总体框图2.2 系统总体设计思路1、单片机控制模块采集自动循迹模块上的信号，对信号进行判断分析后，通过控制电机驱动模块的输出电压来达到控制电机的转速的目的，以使公交小车能沿着黑线循迹行驶；2、单片机控制模块能检测车速测量模块上一小段时间间隔里的信号数量，来计算出车辆当前的行驶速度；3、单片机控制模块通过无线传输模块来实现和外部的公交站台的数据传输，数据主要包括小车当前速度、到站时间、到站距离；4、当到站距离小于一个设定值时，单片机控制模块控制语音报站模块进行报站。2.3 系统方案论证2.3.1 单片机控制模块的选择方案一：采用DSP最小系统。采用专用的数字信号处理器，可高速地处理系统中的各个控制信号，使系统具有较高的稳定性。但本系统结构复杂，并且DSP系统成本较高。方案二：采用新型AVR单片机Atmega16，其自带四通道PWM，通过修改相应的寄存器，可方便的实现对输出脉冲宽度的控制。由于AVR采用RISC结构，能实现1MIPS/Mhz，使用较低频率的晶振，也能实现高速的运算与控制。不仅可以进一步降低功耗，而且可以减少高频脉冲干扰波对电机驱动电路的影响。采用该种方案能有效降低系统功耗，延长电池的使用时间。鉴于对PWM的实现难度、设计成本及系统功耗的综合考虑，这里我们选择方案二。2.3.2 电机的选择方案一：采用玩具车用的直流电机。该种电机较容易获得，但此种电机转速过快，惯性较大，转矩过小，很难利用单片机进行精确的控制，故不选择采用此种直流电机。方案二：采用直流减速电机。该种电机，在直流电机的基础上，增加了减速齿轮，增加了电机的扭矩，从而大大增加了电机的驱动能力。减速电机转速较慢，便于单片机进行控制。方案三：采用步进电机。利用单片机产生脉冲，改变脉冲频率可实现对电机的调速，改变相序实现电机的正反转。此方案可以轻松实现对小车前进后退，转向角度控制。但两个电机参数不易匹配，加大了系统的复杂度。根据本系统小车运行速度较快及惯性小易刹车的要求，故选择方案二。由于要求小车能在2分钟行驶S0=25m，且小车车轮的直径为 D=55mm，故车速V=S0*1000/(2*3.14*D)=72.4(转/分)，因而最终选择转速为90转/分的减速电机。2.3.3 电机驱动模块的选择方案一：采用电机专用驱动芯片L298N。采用该种方案，L298N芯片集成度高，外围电路简单，工作稳定，控制容易。方案二：使用由功率三极管构成的H桥控制直流电机。该电路可实现电机的正反转。但当负载电机流过的电流较大时（如发生堵转时），三极管发热严重，损耗大。而功率三极管响应速度慢，无法利用较高频率的PWM波进行调速，而低频率的PWM波会使电机产生较大的共振噪声，对使用者造成损害。本系统对小车的速度，滞动，转向要求较高，故选择方案一。2.3.4 自动循迹模块的选择方案一：采用反射式红外发射接受对管，检测路面的黑色引导线。红外对管对黑线识别成功率较高，且不易受外界光线的影响，能可靠的实现线路检测。 方案二：采用光敏电阻实现对黑线引导线的识别。此方案电路结构简单，成本较低，但光敏电阻极易受外界光线的影响，容易造成误判，使得小车失去控制。鉴于以上原因，我们选择方案一。2.3.5 车速测量模块的选择方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。方案二：采用红外光电传感器进行检测。车轮轴转动，带动码盘转动，码盘边缘上刻有许多圆孔，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。用计数器对接受到的信号进行计数。用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。两种方案都是比较好的方案，但考虑到安装工艺的问题，最终选择方案二。2.3.6 语音报站模块的选择方案一：采用ISD4004语音芯片。ISD4004系列单片录放时间为8至16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中，它采用SPI和按键控制两种控制方式，但它价格较贵。方案二：采用ISD1700语音芯片。ISD1700 系列录放芯片是一种高集成度，高性能的芯片。它可以多段录音，采样率可在4K 至12K 间调节，供电范围可以在2.4V 至5.5V 之间。ISD1700 系列录放芯片可工作于独立按键模式和SPI 控制模式。芯片内有存储管理系统来管理多段语音，这样在独立按键模式下也能进行多段语音录放，而且它价格也较低廉。考虑到成本以及录音时间方面的问题，在此选择方案二。2.3.7 无线传输模块的选择方案一：采用模拟信号通讯。通过无线电的遥控来发送高低电平，接收器根据接收到的信号，来响应发送的信息，但它有受环境干扰大的缺点。方案二：采用RFC-1100B无线传输模块通讯。RFC-1100B模块采用单片射频集成电路及单片机MCU的无线模块，外围电路小，但可靠性高、故障率低，方便模组，应用广泛。鉴于此，我们选择方案二。2.4 小结本结提出了系统的总体框图，简单阐述了系统设计的思量，并对智能小车系统中要用到得各个模块进行方案论证。3 主控模块设计控制电路由ATmega16单片机、时钟电路、复位电路组成。控制模块框图如图3-1所示。 图3-1 控制模块框图 图3-2 ATmega16引脚图3.1 单片机ATmega1610AVR单片机ATmega16是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC 结构，有131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期（工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS），它拥有只需两个时钟周期的硬件乘法器，能极大的提升运算速度。ATmega16引脚图如图3-2所示。它有两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，这能良好的实现小车在站台停5秒的定时，也能对从车速测量模块上得到的信号计数，从而计算得到所需的小车行驶速度。它还自带四路PWM输出：在本设计中利用其中两路PWM输出来实现对两电机速度的控制。而且它的功耗极低（在1MHz，3V，25C 时的功耗：正常模式：1.1 mA，空闲模式： 0.35 mA，掉电模式： 1A）。3.2 复位电路ATmega16 单片机有5个复位源：(1)上电复位，电源电压低于上电复位门限VPOT时MCU 复位；(2)外部复位，引脚RESET上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位；(3)看门狗复位，看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生；(4)掉电检测复位，掉电检测复位功能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限VBOT时MCU 即复位；(5)JTAG AVR复位，复位寄存器为1时MCU复位。故设计外部复位电路如图3-3所示。3.3 时钟电路ATmega16 芯片有如下几种通过 Flash熔丝位进行选择的时钟源，如下表3-1所示。时钟输入到AVR 时钟发生器，再分配到相应的模块。表3-1 熔丝位设置时钟源注：1.对于所有的熔丝位，“1”表示未编程，“0”代表已编程。本系统采用8MHz外部晶体振荡器作为时钟源，其具有稳定性高的特点。电路如图3-4所示。图3-3 复位电路 图3-4 时钟电路 3.4 小结简单的介绍了ATmega16单片机，并完成了ATmega16单片机最小系统的设计，包括复位电路和时钟电路，为各模块电路预留了接口。ATmega16最小系统11详见附件1。4 模块电路的设计4.1 电机驱动模块电机驱动模块是驱动减速电机工作的模块，能够控制减速电机的转速，从而实现控制小车如何行驶的目的。本模块采用电机专用驱动芯片L298N来驱动减速电机。4.1.1 电机驱动专用芯片L298NL298N12芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，L298N设计出来是为接受标准逻辑电平信号和驱动电感TTL负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298N还具有集成度高，外围电路简单，响应速度快，可利用较高频率的PWM波进行调速等优点。电机驱动模块电路如图4-1所示。图4-1 电机驱动模块电路说明：a、INPUT14由单片机ATmega16输入，其中INPUT1和INPUT3两路是PWM信号；b、OUTPUT1和OUTPUT2连接减速电机motor1，OUTPUT3和OUTPUT4连接减速电机motor2，通过改变motor1和motor2的速度来调整行驶的状态。4.1.2 小车状态定义电机驱动模块的输入为了能让小车正常的行驶，特为小车定义5个状态：1）全速前进(简称全速)；2）速度可调前进(简称调速)；3）左转；4）右转；5）停止。这些状态由ATmega16单片机通过改变输入到INUPUT1和INPUT3上的PWM信号平均电压来实现。1、当INPUT1上的PWM信号输出电压为+5V，电机motor1全速转动；当INPUT3上的PWM信号为持续高电平，电机motor2也全速转动；此时小车全速前进。2、当INPUT1上的PWM信号输出电压为M（0M5V），电机motor1非全速转动；当INPUT3上的PWM信号输出电压为M（0M5V），电机motor2也非全速转动；此时小车可调速前进。3、当INPUT1上的PWM信号输出电压为0V，电机motor1停止转动；当INPUT3上的PWM信号输出电压为+5V，电机motor2全速转动；此时小车左转。4、当INPUT1上的PWM信号输出电压为+5V，电机motor1全速转动；当INPUT3上的PWM信号输出电压为0V，电机motor2停止转动；此时小车右转。5、当INPUT1上的PWM信号输出电压为0V，电机motor1停止转动；当INPUT3上的PWM信号输出电压为0V，电机motor2停止转动；此时小车停止。注：ATmega16输出到INPUT2和INPUT4上的电压一直为0V。电机驱动小车状态图如表4-1所示。表4-1 电机驱动小车状态输入输出状态In1In2In3In4Motor1Motor1小车状态高低高低全速全速全速Pwm低Pwm低可调可调调速低低高低停止全速左转高低低低全速停止右转低低低低停止停止停止注：电机驱动模块使用到ATmega16主控电路中的PWM端口，电路详见附件2。4.2 自动循迹模块自动循迹模块是为小车能沿着黑线行驶而设计的。在该模块中用到的核心元件是反射型光电探测器RPR220。4.2.1 反射型光电探测器RPR220它是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。主要应用在游戏机，复印机和办公自动化等设备中。它的特点如下13：1）使用塑料透镜提高了灵敏度；2）内置的可见光过滤器以减小离散光的影响；3）体积小结构紧凑。4.2.2 循迹电路原理分析使用RPR220设计的基于RPR220的循迹电路（其中1个）如图4-2所示。图4-2 基于RPR220的循迹电路当RPR220没有采集到黑线时，发射器上射出来的光束能够反射回来被接收器接收，故连接到电压比较器LM339芯片第5脚（+端）的电压为低电平L，小于第4脚（-端）上的电压，故从LM339上2脚输出到单片机的电压为低电平；当RPR220采集到黑线时，发射器上射出来的光束被黑线吸收，由于输出端有上拉电阻的作用，故LM339上的第五脚得到高电平H，调节滑动变阻器使得5脚上的电压大于四脚上的电压M（LMH），从而使得2脚上输出的电压为高电平，其中R3起到一个上拉电阻的作用。因此可得，当RPR220采集到黑线时，循迹电路输出到单片机上的电平为高电平；反之，输出到单片机的低电平。4.2.3 循迹模块的安装为了能沿着黑线行驶，反射型光电探测器RPR220在小车上的安装必须合理。安装示意图如图4-3所示。 图4-3 RPR220安装示意图当图中的2和3都没接触到黑线时，2和3输出都为低电平，设定此状态为前行；当图中的3接触到黑线时，3输出为高电平；而2没有接触到黑线，2输出为低电平，设定此状态为左转；当图中的2接触到黑线时，2输出为高电平；而3没有接触到黑线，3输出为低电平，设定此状态为右转；当图中的1、2和3都接触到黑线时，1、2和3都输出高电平，设定此状态为停止。根据1、2、3上输出的高低电平，得到小车状态如表4-2所示。表4-2 自动循迹设定小车状态RPR220_1RPR220_2RPR220_3小车状态状态低低低前行低低高左转低高低右转高高高停止注：自动循迹模块与ATmega16主控电路的连接电路见附件3。4.3 车速测量模块车速测量模块是为测量小车的行驶速度而设计的。该模块里使用的是一个基于直射式红外光电传感器H42B6的电压比较电路。4.3.1 直射式红外光电传感器H42B6H42B6是由原装进口高发射功率的砷化镓（砷铝镓）红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成，具有已安装、高可靠性、响应速度快等优点。它是利用被检测物对光束的遮挡，由同步回路选通电路，从而实现检测物体的有无14。设计的应用电路如图4-4所示。图4-4 H42B6应用电路4.3.2 H42B6应用电路原理分析当U形对管H42B6的凹槽中没有检测物时，则1和2脚上产生的光束通过光缝射到光敏晶体管上，此时4脚上的电压近似等于3脚（+端）上的电压，为低电平L，调整点位器使输出到比较器LM324第2脚（-端）上的电压N（LNH），此时1脚上输出的电压为低电平；当U形对管H42B6的凹槽中有检测物时,则1和2脚产生的光束无法射到光敏晶体管上，此时3脚和4脚相当于断开，由于R2这个上拉电阻的作用，LM324第3脚活得的电压为高电平H（大于N），故LM324第1脚输出高电平。4.3.3 基于H42B6的车速测量模块的安装为了准确的测量小车的速度，必须得合理的将H42B6电路安装到小车上，故提出方案如图4-5所示。图4-5 H42B6安装示意图如图所示，小车的车轮夹在U型对管的凹槽中，且在车轮上开了8个小孔，当小孔经过凹槽时，ATmega16单片机从H42B6电路上检测到一个高电平，产生外部中断，计数器计数一次；当无小孔经过时，单片机从H42B6电路上检测到低电平，计数器不计数。以此类推，每当经过时间T时，ATmega16从H42B6电路上检测到N个高电平（即单片机计数N次）。已知可测得小车直径D，因而可获得小车行驶过的路程S=3.14*N*D/8，从而最终获得速度V=S/T=3.14*N*D/8T，当T取得很小时，此时V可看成小车的瞬间速度。注：车速测量模块与ATmega16主控电路的外部中断1连接，详见附件4。4.4 语音报站模块语音报站模块，要求能实现多段语音报站，且在低功耗方面有独特要求，最终选择ISD1700作为语音报站模块的核心芯片。4.4.1 语音芯片ISD1700ISD170015系列录放芯片是一种高集成度，高性能的芯片。它可以多段录音，采样率可在4K至 12K间调节，供电范围可以在2.4V至5.5V之间。ISD1700系列录放芯片可工作于独立按键模式和SPI控制模式。芯片内有存储管理系统来管理多段语音，这样在独立按键模式下也能进行多段语音录放。此芯片内有振荡器，可通过外部电阻来调节其振荡频率；还有带自动增益控制（AGC）的话筒运放，模拟线路输入，抗锯齿滤波器，多级存储阵列，平滑滤波器，音量控制，直接驱动喇叭的PWM 输出与接外部功放的电流/电压输出。ISD1700还有新录音提示功能，当有新的录音后，LED会每几秒闪一次来提示用户有新的录音。此外还有4种音效来提示用户的操作结果，如开始录音、停止录音、擦除、下一曲和全部擦除等。录音数据存储在芯片的FLASH内，没有经过任何压缩，所以有较好的音质和断电存储。芯片有两路独立的语音信号输入通道，话筒输入与模拟信号输入。在独立按键模式下，当某功能操作完成后芯片会自动进入掉电模式来降低功耗。在SPI模式下，用户可对芯片进行更多功能操作。如对任意存储地址进行录放，对模拟通道配置寄存器（Analog Path Configuration register, APC）进行读写等。4.4.2 基于ISD1700的按键控制模式电路本模块采用按键控制模式，应用电路如图4-6所示。图4-6 ISD1700 按键控制电路在本系统中，ISD1700语音模块按键控制模式用到的操作如下：1）在连接到ATmega16控制模块前，依次录好B、C、D三站的语音。2）连接到单片机后，用单片机的PB0和PB1口生成触发信号，对应模拟按键模式上的PLAY键和NEXT键；3）如线路为B、C两个站台，当到B站时，给PB0一个触发，语音报B站，继续行驶到下C站时，则继续给PB0一个触发，语音报C站；4）如线路为B、D两个站台，当到B站时，给PB0一个触发，语音报B站，继续行驶到C站，先给PB1一个触发，再给PB0一个触发，语音报D站；注：语音报站模块通过SPI接口与ATmega16主控电路连接，详见附件5。4.5 无线传输模块由于要通过无线传输，使得公交站台上能实时显示驶向本站公交车的当前车速（单位米/秒）、到站时间（单位秒）及两者的距离（单位米），误差要求不超过10%。这就要求无线传输模块要具备数据传输的功能，且在传输的过程中，要有较强的抗干扰能力，最终选择使用RFC-1100B模块。4.5.1 RFC-1100B模块RFC-1100B模块采用单片射频集成电路及单片机MCU的无线模块，外围电路小，但可靠性高、故障率低，方便模组，应用广泛，适合一般有线系统的升级置换，如用于水、气、热、电计量表具无线远传自动抄表、无线温湿度控制、设备监控等。具体的功能优点如下：1）微发射功率：最大发射功率为10dBm；2）ISM频段工作频率，无需申请频点： 载频频率430438MHz，也可提供315/868/915MHz等载频；3）高抗干扰能力和低误码率：基于FSK的调制方式，采用高效通信协议，信道误码率低；4）透明的数据传输：提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议，所发即所收；5）多速率：提供1200bps、2400bps等多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正比，以满足客户设备多种波特率的需要；6）低功耗及休眠功能：接收电流16mA，发射电流30mA，休眠时电流仅为10uA；7）双接口方式：TTL 电平的UART接口和标准的RS-232接口可选；4.5.2 RFC-1100B工作原理它的工作原理框图如图4-7所示。图4-7 无线模块数据传输无线传输CC1100模块通过串口与ATmega16单片机连接，两CC1100模块通过天线来达到数据传输的目的。具体模块电路详见附件6。4.6 电源供电模块在智能小车系统中，需要用到+12V、+5V和+3.3V三种供电方式。4.6.1 电源供电框图电源供电框图如图4-8所示。图4-8 电源供电框图4.6.2 供电电路用到+12V的模块有：电机驱动模块。当减速电机获得的电压越大，它的转速越快，由于对小车有2分钟之内行驶完全程的要求，为了满足要求，故选择+12V供电给电机驱动模块。而+12V电压选择用蓄电池提供，除了充电方便和可独立于家庭电源使用这两个功能外，它还能作为+5V模块电路的输入，为整个系统电源方案设计提供了大大的方便。用到 +5V的模块有：单片机控制模块、电机驱动模块、自动循迹模块、车速测量模块。由于需要用到+5V的模块较多，因而所需要的电流将达到数百毫安，当采用传统的7805芯片时，将在其上产生7V的压差，造成较大的功率损耗。所以本系统采用开关型电源ICLM2575-5.016，由于是开关电源其功耗较低最高可输出1A的电流。基于LM2575-5.0的+12V转+5V电路设计如图4-9所示.图4-9 +12V转+5V电路用到+3.3V的模块有：无线传输模块、语音报站模块。无线传输模块采用低功耗芯片MSP430,该芯片要求电压输入为+3.3。语音模块采用ISD1700系列录放芯片，它是一种高集成度，高性能的芯片，供电范围可以在2.4V 至 5.5V 之间，故也选择+3.3V供电。AMS1117-3.317芯片是一款专为输出+3.3V而设计的电源芯片，它能稳定输出+3.3V，并且电流可以达到0.85A。基于1117-3.3的+5V转+3.3V电路设计如图4-10所示。图5-3 +5V转+3.3V电路4.7 小结1）详细阐述了各个模块电路的功能；2）完成了各个模块电路的设计；3）定义了各个模块与主控电路的接口；4）完成了系统总体电路的设计。5 系统测试为了确定系统与预期目的的符合程度，我们对系统中的各个模块进行了实际的测试。5.1 测试环境与仪器 测试环境及测试所使用的仪器如表6-1所示。表6-1 测试环境及仪器序号温度名称、型号、规格数量125VC9801A万用表12双踪示波器15.2 指标测试由于语音报站模块和无线传输模块采用现成的模块，在此就不需予以测试，因此需要指标测试的模块包括电源供电模块、电机驱动模块、自动循迹模块和车速测量模块。5.2.1 电源供电模块的测试本系统中用到得电源测试，如表6-2所示。表6-2 电源模块的测试序号电源类型电压（V）误差1蓄电池12.947.8%25V电压模块4.960.8%33.3V电压模块3.30误差分析:1)蓄电池误差产生原因:产家生产工艺问题；2)5V电压模块误差产生原因:产家生产工艺问题及输入电压产生的影响；3)3.3V电压完全符合标准。以上各模块，或多或少存在那么点误差，但不影响在系统中的使用。5.2.2 电机驱动模块参数测试电机驱动模块，根据模块输入的变化来调整模块的输出。如表6-3所示。表6-3 电机驱动模块的测试模块输入模块输出IN1IN2IN3IN4OUT1OUT2OUT3OUT44.9604.9608.760.18.620.1204.9604.960.118.740.088.595.2.3 自动循迹模块参数测试将自动循迹模块的其中一个检测头对准白纸，适当靠近或拉开与白纸间的距离，调整电位器使得RPR220上的电平为高电平（测得电压为4.94V）。再用一张画有黑白相间条纹的划过检测头，用示波器观察波形是否在高、低电平中跳变（白色条纹为高电平，黑色条纹为低电平）。若没有此现象，可慢慢调整电位器RS1、RS2、RS3，直到满意为止。5.2.4 车速测量模块参数测试给车速测量模块接通电源，调整模块上的电位器使得H42B6的输出为低电平。然后用一个障碍物划过H42B6凹槽挡住它的检测头，用示波器观察波形是否在高、低电平中跳变（无障碍物时为低电平，有障碍物时为高电平）。如没有此现象，可再调整电位器RS4，直到出现所需的情况。5.3 小结本结对系统中用到电源供电模块、单片机控制模块、电机驱动模块、自动循迹模块、车速测量模块进行了测试，本设计基本符合制作要求。6 总结6.1 本系统的特点本系统由ATmega16主控模块、电机驱动模块、自动循迹模块、车速测量模块、语音报站模块、无线传输模块组成，具有如下特点：1）自动循迹模块保证了，小车能无人控制行驶；2）通过单片机控制，实现了小车经过站台时停止行驶；3）在语音报站模块中采用中英文双语报站；4）无线模块能将各种数据传输到外部的站台，可以从站台上读取到站距离、到站时间、当前小车速度等信息，贴近实际。6.2 系统不足与改进由于受时间等因素的影响，本系统尚且存在诸多不足：1）车速的测量不够精确；2）小车在行驶过程会出现左右的摇摆；3）在小车上未实现转向提示灯和转向语音提示等功能。6.3 小结本智能小车系统能实现小车的自动循迹、到站语音报站