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1、精选优质文档-倾情为你奉上智能模拟公交车系统的设计摘要：智能公交车系统是为了解决公交车运行状态与沿途站台的的信息自动交换与控制问题。本设计智能公交车采用双处理器系统，相互分工协作，用MC9S12DG128单片机控制公交车的黑带识别、行驶驱动和方向控制，以STC12C5410AD高速单片机处理公交车的速度、里程检测，站点到站检测，语音报站和调频无线数据收发；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霍尔传感器，站点播报处理使用ISD4002语音集成电路；小车与站台信息交换用远距离JZ871调频数据模块。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
2、任意黑线行驶、到站前语音提示、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。关键词： 智能 模拟公交车 单片机 设计引言：智能公交系统作为现代文明城市交通的人性化服务项目正受到日益的重视，目前已有采用先进GPS定位器组成的公交汽车运行状况实时监控系统，使得乘客候车时能对运行的公交车状况（多少车、几点到站等信息）有个清楚的了解。作为实验研究系统，本次设计采用了室内模拟的小黑条公路及若干公交模拟站台，通过模拟公交小车与站台的信息交换实现双向动态信息的显示与控制功能。1 方案选择与论证1.1 系统设计总方案考虑到公交小车要实时处理方向、车速、路面信息
3、、速度里程计算等多项工作，决定采用双CPU系统，其中CPU1用以处理行车驱动、行车方向、路面黑条测量等工作，CPU2用以进行速度与里程计算、站台到站检测、语音播报、与站台及CPU1进行信息交换等工作。站台系统主要实现站台名的设定、站台与始发车站的距离设定、公交小车行驶中的动态信息接收与显示等。由于行驶路道路况复杂，距离较远，因此公交小车与站台的通讯采用调频数字格式，这样可克服象红外线通讯中方向性强、距离短等问题，抗环境噪声效果良好。另外为了增加数据发送接收的可靠性，在站台发送数据与公交小车发送数据时进行了分别的特定编码，其中包含不同约定的起始位、结束位数据。在接收程序中，单片机对接收到的数据信
4、息进行了验证，保证了数据传送的正确性。智能模拟公交车系统组成框图如图1。站台到站检测小车处理器（2）里程、速度检测路况识别小车处理器（1）语音报站方向识别调频无线数据收发模块电机驱动LCD液晶显示屏站台1显示处理器调频无线数据收发模块 图1 智能模拟公交车系统框架图1.2系统组成模块方案1.2.1电源方案电源是整个系统正常工作的基础，由于本系统中不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此系统中包含了多个稳压电路。电源系统主要有为单片机、光电检测电路以及霍尔传感器工作的+5V电源、转向舵机使用的+6V电源、后轮驱动电路和语音模块的+7V电源、语音芯片使用的+3V电源，可选择的方案有：方
5、案一：采用集成多路输出电源模块。集成多路输出电源模块具有制作简单，使用方便等特点，但临时短时间内要购买比较困难，而且价格较贵，电源组合方式固定不易选择。方案二：采用单独三端稳压集成块具有组合灵活、价格便宜等特点，本次电源采用多块低压差三端稳压块组成电源系统。电源系统构成如图2所示。镍镉电池（+7.2V）LM2940（+5V）DC/DC转换（+6V)单片机光电检测电路霍尔元件舵机转向LM1117 (+3V)语音模块电机驱动 图2 电源系统构成框图1.2.2电机驱动方式方案方案一：采用步进电机，电脉冲驱动，改变脉冲频率调速，改变相序实现正反转，此方案可以轻松实现前进、后退、转角控制、制动定位等功能
6、。但两个轮子电机参数不易匹配，电机工作电流大，且控制复杂加大了系统设计的复杂性。方案二：减速直流电机采用H型桥式驱动电路，此方式控制简单，可灵活实现正转、反转、原地旋转，而且减速电机输出扭矩大，带负载能力强。本系统采用H型桥式驱动电路的减速直流电机。 1.2.3路径识别方案方案一：使用CCD摄像头进行图象采集和识别方案，由于摄像头体积较大,并且还涉及图象采集、图象识别等领域，使用单片机处理精确度很难达到要求范围，速度也不能提高。方案二：采用RPR220型光电对管识别路径。RPR220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。通过
7、LM567频率调制发射与锁存接收，可较好的避免自然光和邻近同类传感器的干扰。 本次设计要求对比较窄的黑色道路引导线（18mm）进行寻迹，因此采用了红外光电管方案。1.2.4速度检测方案方案一：轮子光电传感检测。光电测速传感器受外界光源的影响非常大，但制作简单，在要求不要的场合经常采用。方案二：霍尔传感器检测。霍尔传感器具有灵敏度高，抗干扰能力强，体积小，低功耗，使用寿命长等优点。本系统使用霍尔传感器作为速度里程检测。1.2.5数据传输方案方案一：采用红外线数据传输方案，虽然它的方向性能比较好，比较简单，但是红外通信较适用于室内静止或慢速移动中的点对点直线通信，且距离较短。方案二：采用远距离传输
8、的JZ871无线调频数据模块，它采用双向工作方式，调频数字发送，传输性能稳定，最大收发距离为800米。本系统选取了JZ871调频数据收发模块。2 系统硬件电路设计2.1电机驱动电路的设计电机驱动采用MC33886作为驱动芯片，驱动电路原理图如图3所示。MCU产生的PWM通过IN1引脚输入，以调节33886的OUT1口的输出电压，并且IN2接地使OUT2输出为0，这样OUT1和OUT2间就有了一个电压差，MCU通过改变PWM的占空比来调节电机转速的快慢。 图3 电机驱动电路 2.2光电寻迹电路的设计光电寻迹电路图如图4所示。图4 路面标志光电寻迹电路LM567作为一个锁相环芯片通过R5、C7组成
9、的RC振荡给本身一个中心参考频率，当外输入方波频率在RC设定的中心频率带宽范围内时其输出为低电平，不在其频率范围内时输出为高电平。其5脚输出的是一个频率由RC决定的方波。设计中的本振频率为2.33KHz，利用这一振荡波去控制一个反射式光耦发射管的工作，其目的是：更利于接收管的接收，能够有效地消除自然光的干扰。基本工作原理为：当接收管接收到发射管发射的该频率的方波，那么LM567的输出就变为低电平，因为其输入波的频率就是其本身的中心振荡频率。当接收管未接收到该频率的波形时，LM567输出为高电平。也就是说当检测到白线时，LM567输出就变为低电平，检测到黑线时输出就变为高电平。本系统设计共用了1
10、1个反射式光耦发射管，以一字排开状，确保寻迹的稳定及准确。方波的频率计算如公式(1)。 式(1)2.3 站台信息接收系统电路的设计图5为站台信息接收系统电路原理图。处理器采用宏晶公司STC系列单片机，LCD显示屏采用1616中文汉字显示器，采用四根控制线与单片机进行字符显示控制；为了系统编程调试，设计了RS-232串口下载电路，利用宏晶公司的下载软件可以在线更新程序。三个按键开关分别用于设定站台名、距离值、信息发送控制；单片机的串行口与无线数据模块相连，进行数据数据信息的发送与接收。 图5 站台信息接收系统电路原理图2.4小车语音电路的设计语音电路设计主要采用语音芯片ISD4002和运放LM3
11、86N，使用真人声音模拟存储，经单片机处理控制，自动识别预报站名，达到真人语音报站的效果。其电路原理图如图6所示。图6 小车语音报站系统电路原理图3 系统主要程序的设计3.1 交互信息发送程序的设计公交小车主要发送的信息是汽车的车速及已行驶的里程数，公交站台发送的信息是站台名、距始发站的距离。在智能公交车实验系统中信息的发送采用串行通讯模式，为了数据传送的正确及抗干扰影响，采用了头标志字节及结束标志字节进行验证，另外采用选择一定频率的信道进行频率隔离。小车信息发送格式为：起始位（CCH）-里程高位-里程低位-速度高位-速度低位-结束位（DDH）。站台信息发送的格式为：起始位（AAH）-站台名-
12、距离高位-距离低位-结束位（BBH）。小车信息的头尾位字符与站台信息的头尾位字符不同是为了进行不同站台的收发隔离，小车发信息时各站台均能收到，而某站台发信息时只有小车才能收到。图7为信息帧数据发送子程序流程。发送子程序开始头标准字节有效数据尾标准字节发送程序结束 图7 信息帧数据发送子程序流程图3.2动态交互信息接收程序的设计站台中对小车的动态信息采用中断接收，接收成功后置成功标志，然后由主程序进行小车离站台距离的计算及根据车速算出大致到站时间，然后进行显示。而小车在运行之前将各站台信息一一接收并存在处理器中，在行驶中对照各站台距离进行站台停靠及语音预报。站台信息接收程序流程如图8。中断接收程
13、序开始在缓冲器中存数据接收开始标志成功接收标志中 断 返 回是头标志吗开始标志=1？尾标志字吗？N Y N Y N Y 图8 站台信息接收程序流程图3.3 LCD液晶驱动程序的设计12232F中文液晶显示器的操作主要由初始化程序、写命令程序、写数据程序等组成。初始化程序主要负责上电时的液晶显示区清除、功能设定、地址归位、设定显示地址等；写命令程序和写数据程序采用串行方式，都需发三个字节给12232F，三个要发送的字节组成如下：1）第一个字节:写命令时为F8H,写数据时节为FAH。2）第二个字节：由需写入的命令(或数据)字节的高四位(组成字节的高四位)及四位0(组成字节的低四位)组成。3)第三字
14、节：由需写入的命令(或数据)字节的低四位(组成字节的高四位)及四位0(组成字节的低四位)组成。在写命令或数据时，先发第一个字节，然后再发第二三字节。发送时高位先发，在移位时钟的作用下逐位移入液晶显示器。12232F液晶显示器的读写操作时序图如图9。 图9 12232F液晶显示器串口读写时序图4 理论分析与计算（1）模拟小车驶路程计算模拟小车行驶的距离是通过霍尔传感器配合稀土磁钢来检测转速及里程，由单片机进行数据处理。其里程计算公式可分为：直线段:S=(L/n)p 式(2）其中：L为模拟小车检测轮的周长，约为17.2cm； n为编码盘一转的脉冲个数，考虑将精度控制在2cm左右，n取8 ，即一个盘
15、上用8个磁钢；p为从启动开始累加的脉冲数。圆弧段: 式(3)其中：为该圆弧段按式(2)原理计算的距离，为修正后的距离，k:为修正系数，当车道为半圆时，k0.5；当车道经3/4圆是，k=0.75。d为光电检测轮离车中心的间距，车沿内侧运行时做加，外侧运行时做减。（2）模拟小车行驶速度的计算模拟小车的速度计算本系统将采取平均时间法计算：V=（L* n） / (4t) 式 (4)其中，L为检测轮的周长，n为一定定时时间内圈脉冲的个数，t为定时时间。按照设计要求，按全长25m必须在2分内完成，除去停车5s,Vmin=25/115=0.22m/s。因此小车速度V必须大于Vmin。（3）模拟小车与站点的里
16、程计算已知起始点站点之间距离和模拟小车行驶的距离，两者之差得：S=Sa-S 式(5)其中Sa为起始点到站点的距离，S是模拟小车行驶的距离。5 测试仪器与测试性能5.1测试仪器1.秒表 2.卷尺与刻度尺 3.数字万用表 4.G0S6021模拟示波器5.1731SB3A直流稳压电源5.2测试方法、测试数据及分析先用卷尺量取站点的距离并在站点和其前一米出做好标记，接着液晶显示器上设置站点的里程，模拟小车开始计时（用2只秒表中的1只计时）行驶，在蜂鸣器响时测出小车离站台距离s，；1只秒表在车子停站计算停站时间为t2。并记录停站时位置t1。当智能模拟小车正常行程后，用数字万用表测其正常工作电流和工作电压
17、。（1）站台预报距离及停靠时间测试：测试次数站台B-5米站台C-11米站台D-22米预报距离（m）停靠时间（s）预报距离（m）预报距离（m）第一次4.054910.032106第二次3.974910.042103第三次4.02509.992104（2）停站精准度的测试: 测试量次数站点线中心停车距离（cm）5米站台11米站台22米站台第一次-2+2+4第二次+3+4-2第三次0-1+3第四次-20+2分析:(1)小车能根据站台名称及距离信息进行自动停靠站点数计算及语音停车前预报并减速停车，最后站点自动停止。(2)站台显示器能显示站名、距始发站距离、小车离站台距离、车速、大致到站时间五种信息。(
18、3)小车能在离停靠站台1米前后处进行语音预报，停车时间5秒，然后继续行驶直至最后站台。(4)实际的测试结果和误差比较发现，误差在允许范围之内，达到了小车的性能要求，并且比较精确。(5）正常工作电压为7.8V，工作电流为1.35A。6 结论采用无线调频进行模拟公交小车与站台信息交换的实时显示运行系统，具有传输可靠快速等特点，按本文介绍设计的小车与站台显示系统，充分考虑了道路检测、站台检测、里程与速度检测等关键参数正确性及安全性，使得公交模拟系统的各项指标得以较好完成，经场地多次测试，性能优良，完成了设计要求中的所有发挥要求性能。参考资料：1 王树彬, 李树华.LED显示屏无线数据传送控制器的设计
19、J.内蒙古大学学报(自然科学版), 2004,35(3):3403432 李文江,马荣兵.单片机数据采集远距离无线传送的研究J.电子技术,2007(1):34363 杨志远,徐振林.电力参数的数字化测量和无线数据传送J.电测与仪表,2005(4):34374 全为民.基于RS-485总线的病房数显呼叫器的设计J.微计算机信息,2002,18(9):50515 深圳市技卓科技有限公司.JZ871微功率无线数传模块使用说明.6 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.67 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计. 北京航空航天大学出版社, 2006.专心-专注-专业