基于自动寻迹的智能公交车系统方案

1、 PAGE11 / NUMPAGES15 基于自动寻迹的智能公交车系统C题组员：芦大伟 邹亚男 慧龙 清壹摘要：本装置采用AVR系列ATmege16单片机作为系统的控制核心。系统由电机驱动模块、舵机控制模块、无线传输模块、液晶显示模块、语音模块5部分组成。小车采用直流电机控制，MC33886电机驱动芯片控制直流机；舵机控制公交车运行的方向如前进，后退，转弯；传输部分采用PTR8000无线传输装置，能把公交车行走的时间，距离以与小车在哪个站点发送到液晶显示屏上并且由BC7281键盘实现翻页功能；采用红外反射管，红外接收管测量出公交车运行到相应站点的距离；当公交车到达相应的站点，凌阳语音模块用来播

2、报下车提示，所在站点；公交车行走轨迹的引导方式采用反射式光电传感器感知与板面颜色有较大差别的黑色引导线，通过传入电平高低的不同，单片机采用不同的控制方式实现小车沿黑线前进。通过以上模块，最终实现了自动寻迹的智能公交车系统。关键字：ATmege16单片机 直流电机 MC33886电机驱动芯片 舵机 红外发射管 红外接收管 凌阳语音模块 PTR8000无线传输装置 液晶显示屏 反射式光电传感器 BC7281键盘 Abstract：The device adopts the AVR series ATmege16 MCU as the core of the control system. Syst

3、em consists of motor drive module, control module, a wireless transmission module, LCD display module, the voice module consists of 5 parts. Car uses the DC motor control, the MC33886 motor drive chip control of DC machine; servo control bus running direction such as forward, back, turn; transmissio

4、n part adopts PTR8000 wireless transmission device, the bus travel time, distance and the car in which the site sent to the LCD screen and by the BC7281 keyboard to achieve a turning function; using the infrared reflection tube, an infrared receiving tube measuring bus run to the appropriate site di

5、stance; when the bus arrives at the corresponding site, Ling Yang voice module used to broadcast out tips, where the site; bus walking trajectory guided modes used reflective photoelectric sensor and the perception of surface color difference between the black guide line, via the afferent level is d

6、ifferent, MCU using different control mode to realize the car along the black line. Through the above module, finally realizes the automatic intelligent bus system.Keywords：ATmege16 microcontrollerDC motorMC33886 motor drive chipInfrared launch tubeThe infrared receiving tubeSteering engineLing Yang

7、 voice modulePTR8000 wireless transmission deviceLiquid crystal displayReflection type photoelectric sensorBC7281 keyboard目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc3019376021 设计任务与要求 PAGEREF _Toc301937602 h 1HYPERLINK l _Toc3019376031.1设计任务 PAGEREF _Toc301937603 h 1HYPERLINK l _Toc3019376041.2设计要求 PAGEREF

8、_Toc301937604 h 1HYPERLINK l _Toc3019376051.2.1基本要求 PAGEREF _Toc301937605 h 1HYPERLINK l _Toc3019376061.2.2发挥部分 PAGEREF _Toc301937606 h 2HYPERLINK l _Toc3019376071.2.3说明 PAGEREF _Toc301937607 h 2HYPERLINK l _Toc3019376081.3题目评析 PAGEREF _Toc301937608 h 2HYPERLINK l _Toc3019376092 方案比较与论证 PAGEREF _Toc

9、301937609 h 2HYPERLINK l _Toc3019376102.1单元方案的比较与选择 PAGEREF _Toc301937610 h 2HYPERLINK l _Toc3019376112.1.1单片机的选择 PAGEREF _Toc301937611 h 2HYPERLINK l _Toc3019376122.1.2小车驱动电机的选择 PAGEREF _Toc301937612 h 3HYPERLINK l _Toc3019376132.1.3小车电机驱动部分的选择 PAGEREF _Toc301937613 h 3HYPERLINK l _Toc3019376142.1.

10、4无线传输模块的选择 PAGEREF _Toc301937614 h 3HYPERLINK l _Toc3019376152.1.5语音播报模块的选择 PAGEREF _Toc301937615 h 3HYPERLINK l _Toc3019376162.1.6黑线检测模块的选择 PAGEREF _Toc301937616 h 3HYPERLINK l _Toc3019376172.1.7显示部分的选择 PAGEREF _Toc301937617 h 4HYPERLINK l _Toc3019376182.2方案论证 PAGEREF _Toc301937618 h 4HYPERLINK l _

11、Toc3019376193 系统的硬件设计 PAGEREF _Toc301937619 h 4HYPERLINK l _Toc3019376203.1系统的整体设计 PAGEREF _Toc301937620 h 4HYPERLINK l _Toc3019376213.2各单元电路设计 PAGEREF _Toc301937621 h 5HYPERLINK l _Toc3019376223.2.1电机驱动部分 PAGEREF _Toc301937622 h 5HYPERLINK l _Toc3019376233.2.2舵机控制部分 PAGEREF _Toc301937623 h 5HYPERLI

12、NK l _Toc3019376243.2.3语音模块部分 PAGEREF _Toc301937624 h 6HYPERLINK l _Toc3019376253.2 语音播报模块的实现 PAGEREF _Toc301937625 h 6HYPERLINK l _Toc3019376263.2.4液晶屏显示部分 PAGEREF _Toc301937626 h 7HYPERLINK l _Toc3019376273.2.5传感器检测部分 PAGEREF _Toc301937627 h 7HYPERLINK l _Toc3019376284 系统的软件设计 PAGEREF _Toc30193762

13、8 h 8HYPERLINK l _Toc3019376294.1程序总体流程图 PAGEREF _Toc301937629 h 8HYPERLINK l _Toc3019376304.2各个功能模块流程图 PAGEREF _Toc301937630 h 9HYPERLINK l _Toc3019376314.2.1语音播报流程 PAGEREF _Toc301937631 h 9HYPERLINK l _Toc3019376324.2.2检测黑线模块流程图 PAGEREF _Toc301937632 h 9HYPERLINK l _Toc3019376335 系统测试 PAGEREF _Toc

14、301937633 h 10HYPERLINK l _Toc3019376345.1测试仪器 PAGEREF _Toc301937634 h 10HYPERLINK l _Toc3019376355.2测试数据与结果分析 PAGEREF _Toc301937635 h 10HYPERLINK l _Toc3019376366 总结 PAGEREF _Toc301937636 h 10HYPERLINK l _Toc3019376377 参考文献 PAGEREF _Toc301937637 h 10HYPERLINK l _Toc301937638附录一总电原理图 PAGEREF _Toc301

15、937638 h 111 设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一套用电池供电的智能公交车系统，包括一台能沿着黑色引导线自主行驶的公交车和两个电子公交站，公交车行驶线路如下图所示。公交道路宽为60cm，公交道路用光滑平整的白纸制作，黑色小车引导线和状态标识线（可用电工胶带）宽度为1.80.1cm，站台停靠标识线长为20cm。起点与终点之间公交车道总长约25m，公交站点B、C、D的位置在示意图位置附近任意放置。1.2设计要求1.2.1基本要求（1）电子公交站具有数据输入和显示功能，能在电子公交站上输入站台号以与本站与起始站间的距离。（2）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、

16、停靠动作后，自动驶到终点站C，行驶过程中不允许驶出公交车道，要求在1分钟完成全程行驶；（3）公交车行驶到离站点100cm10cm处时（以公交站台标识线为基准），应提前发出下车提示声5s；（4）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；1.2.2发挥部分（1）把5s下车提示声改为下车语音提示（如：“B站到了，旅客请下车”，播报的站名必须是B站或C站）；（2）撤消C站（将站台移动到D点），要求公交车能在2分钟从起始点A出发自动驶到D点（需要经过环行车道，不允许直接在十字路口右转弯），经过B站点时仍应有下车语音提示与停靠动作（公交车下车语音提示

17、的距离与站台停靠的位置要求仍同基本部分的相关要求）；（3）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）与两者的距离（单位米），误差要求不超过5%；（4）其它。1.2.3说明1站台可设置在公交线路上的任意位置；2公交车可用各类小车改装，其尺寸不限，但公交车必须标出中心标识线。1.3题目评析从题目中可以看出本项目共分为五大部分，分别是步进电机驱动小车部分，舵机部分，语音播报部分，无线通信部分，实时显示部分。重点：通过Atmega16把各个模块很好的衔接构成一个完成的系统以完成基本部分和发挥部分。难点：对公交车速度的控制和遇到转弯的部分。应用:从该题目

18、的涵盖面来看，该系统有很深的使用价值，在生活方面得到了广泛的应用。2 方案比较与论证2.1单元方案的比较与选择2.1.1单片机的选择方案一：采用传统的89C51芯片为控制核心。具有4KB的程序存储器，128KB的数据存储器，64KB的片外存储器寻址能力，64KB的片外数据存储器寻址能力，32根输入/输出线，1个全双工异步串行口，2个16位定时/计数器，5个中断源，2个优先级。但数学处理能力差，没有ISP下载线与SPI接口，功能单一，运算速度慢，控制过程比较烦琐。方案二：采用Atmega16芯片为控制核心。具有高性能、低功耗以与运算速度快的8位AVR微处理器，32个8位通用工作寄存器，全静态工作

19、，16KB的系统可编程Flash,存大、数学处理能力强，上电复位以与可编程的掉电检测，支持扩展的片调试功能，32个可编程I/O口，功耗小。可通过ISP、JTAG下载线写入程序，其SPI接口可用于对无线通讯模块的控制，也可以通过SPI口扩展存。由于Atmega16芯片的程序存储器比较大，接口丰富，扩展功能强，具SPI接口，且运行速度快。故采用方案二2.1.2小车驱动电机的选择方案一：采用普通直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现无级调速。方案二：采用步进电机。步进电机转过的角度能够精确控制，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。步

20、进电机的一个显著特点是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著的特点是转换精度高，正转反转控制灵活。可以有效的解决小车转弯的问题，是制作电动车和机器人广泛采用的一种电机。 本项目中我们选择方案一2.1.3小车电机驱动部分的选择方案一：SMD201驱动模块采用横电流驱动方式，具有细分功能，而且控制信号与驱动电路光电不隔离。方案二：MC33886是以分数功率直流电机双向推力电磁控制的H桥单片电路。该集成电路包含部控制逻辑，电荷泵，驱动，和低Rds(ON)场效应管输出电路。33886能够控制连续感性直流负载，电流高达5A。输出负载可以是

21、脉宽调制（pwm-ed）高达10千赫兹的频率。本项目中我们采用方案二2.1.4无线传输模块的选择方案一：采用PTR8000无线发射与接收系统。超小型、超低功耗、置环形天线，性能稳定且不受外界干扰。具有接收、发射合一的功能，由于PTR8000的RF协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块部，PTR8000可与各种低成本单片机配合使用，也可以与DPS等高速处理器配合使用；PTR8000提供一个SPI接口，与Atmega16单片机通讯方便。方案二：其他无线数据收发模块，如红外线或蓝牙，有利于传输大量的数据，但其价格较昂贵，不利于调试。由于系统中不需传输大量的数据，因此我们选择方案一。2.1.5语音播

22、报模块的选择采用凌阳单片机SPCE061A 的语音功能。SPCE061A具有最高49.152MHz的时钟频率，可以进行复杂的数据运算。另外，SPCE061A自身集成了AD/DA资源，可以方便的进行数模/模数转换，而且具有定时器中断，可以方便的产生8KHz的频率中断。正是由于这些硬件上的功能使得SPCE061A适合于语音播放。并且其音质好，容易控制。所以采用此方案。2.1.6黑线检测模块的选择检测板上黑线的基本原理是：光线照射到板上并反射，由于黑线和白纸的反系数不同，根据接受到的反射光强弱判断是否黑线。方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光

23、敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判，即使是采用超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这将增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。采用带有交流分量的调制信号，可以大幅的减少环境光源的直流分量的干扰，但由于该红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，该最大电流需要通过调节占空比来调节；而且需要添加额外的电路和程序，本题中并不需要很大的电流，故不需要采用该管子。方案三：采用光电传感器。其接收到红外辐射的强度不同输出电压的强度会发生改变。采用两个光电一体化传感器，当小车偏离轨道时可以调整小车的速度，保证小车能沿着给定的引导线运动。同时红外线系统还

24、具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。2.1.7显示部分的选择方案一：采用数码管显示，由于数码管只能显示简单的数字，而且其电路复杂，占用资源较多，显示信息量少。故不采用此方案。方案二：采用点阵（12864）液晶DM12864（LCD）显示模块。由于液晶屏显示具有显示信息量大、功耗低、人机交流界面更加友好等优点，可显示汉字、图形，且与Atmega16单片机连线比较简单方便，故采用此方案2.2方案论证经过仔细分析和论证，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下图所示：控制模块：采用AVR系列ATmega16单片机小车驱动模块：采用直流电机与33886电机驱动模块无线传输模块：采用PTR8000无

25、线发射和接受系统黑线检测模块：采用光电传感器数据显示模块：采用DM12864液晶显示屏。键盘模块：采用BC7281键盘。语音模块：采用凌阳61单片机语音功能模块。ATmega16 单 片 机 光电传感器 液晶显示屏 PTR8000 舵机 直流电机 红外线发射管 红外线接收管 BC7281键盘3 系统的硬件设计3.1系统的整体设计单片机控制系统框架图如图所示。以下为具体的硬件设计。3.2各单元电路设计3.2.1电机驱动部分采用MC33886驱动芯片，MC33886是以分数功率直流电机双向推力电磁控制的H桥单片电路。该集成电路包含部控制逻辑，电荷泵，驱动，和低Rds(ON)场效应管输出电路。338

26、86能够控制连续感性直流负载，电流高达5A。输出负载可以是脉宽调制（pwm-ed）高达10千赫兹的频率。3.2.2舵机控制部分舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。其部有的基准电路产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是pwm信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制要求如下

27、图所示。图3.2.3（a） 舵机控制脉冲用单片机作为舵机的控制单元，使pwm信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为pwm信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。3.2.3语音模块部分3.2 语音播报模块的实现输入/输出（I/O）接口61板将SPCE061A的32个I/O口全部引出：IOA0IOA15,IOB0IOB15,对应的SPCE061A引脚为：A口，4148、53、5460；B口，51、8176、6864。而且该I/O口是可编程的，即可以设置为输入或输出：

28、设置为输入时，分为悬浮输入或非悬浮输入，非悬浮输入又可以设置为上拉输入或是下拉输入；在5V情况下，上拉电阻为150K，下拉电阻为110K；设置为输出时，可以选择同相输出或者反相输出。音频输入/输出接口61板具有强大的语音处理功能，如图1.3所示，X1是语音的MIC输入端，自带自动增益（AGC）控制，J3是语音输出接口，一个2pin的插针外接喇叭，由DAC输出引脚21或22经语音集成放大器SPY0030A放大，然后输出，SPY0030A是凌阳的一款芯片，功能相当于LM386，但是比LM386音质好，它可以工作在2.46.0V围，最大输出功率可达700mV（LM386必须工作在4V以上，而且功率只

29、有100mW）。ATmega16单片机的PD0，PD1管脚分别与凌阳SPCE061A语音模块的IOB0，IOB1管脚相连接。5V电源跟地分别接在ATmega16系统板的电源和地。J3为语音输出接口，接一个2pin的插针外接喇叭。3.2.4液晶屏显示部分原理如图所示，此部分用以记录和显示公交车运行的时间，运行距离与所在站点。3.2.5传感器检测部分光电传感器是一种以发光二极管为光源，以光敏管为接收器，输出信号以脉冲为主的传感器。当检测到障碍物时，其输出端OUT输出为1，将此信号传输给ATmega16单片机，单片机以此控制小车的动作。其接线原理如图所示 ATmega16 光电传感器与主芯片连接图注：红外线发射管，红外线接收管与光电传感器接线原理一样，一根接电源，一根接地，另一根信号线接在ATmega16单片机上4 系统