长通杯论文-自动循迹小车

第八届“长通杯”电子设计大赛基于自动寻迹的智能公交车系统设计与总结报告学院：电气工程学院队长：岳丽娇电技091班队员：甄扣扣电技091班张欢电技091班马得成建环091班摘要:公交车以单片机最小系统为核心，用SST89E52RD单片机控制公交车的黑带识别、行驶驱动和方向控制，以SST89E52RD高速单片机处理公交车的速度、里程检测，站点到站停靠，语音报站；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光电码盘，站点播报处理使用ISD4004语音集成电路。

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。

设计共分为7个模块：控制模块、电源模块、电机驱动模块、轨迹探测模块、自动停靠站模块、里程与速度测量模块、语音（报站）模块、显示模块。

关键字：自动寻迹智能公交车一、方案设计与论证1、控制模块方案方案一：采用可编程逻辑器件CPLDCPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大、密度高、体积小、稳定性高、处理速度快，适用于大规模的控制系统，但成本较高。

方案二：采用51单片机51单片机的使用简单，对于小型系统的控制灵活，而SST51系列单片机相对来说功能强大、集成度高，烧写程序方便，经济实用。

结论：本设计采用方案二。

2、电源模块方案提供电源，由于小车及电路工作分别都要电源提供，需要调整电压。

且各部分需要电压稳定，所以需要采用稳压系统，用L7805实现稳压功能，3、驱动模块方案方案一：采用继电器驱动采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对小车速度进行调整。

本方案电路较为简单，但是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短，因此可靠性小。

方案二：采用专业电机驱动模块（L293B）驱动采用双电源驱动L293B集成芯片控制输出，采用单片机输出PWM波到L293B 集成芯片来控制直流减速电机的速度，通过控制双侧输出PWM波的占空比，从而控制双侧电机的转速，来实现直线行进，转弯，停靠等操作。

控制简单，且响应准确迅速。

结论：本设计采用方案二。

4、轨迹探测模块方案为了使小车走完给定的图形，轨迹检测的灵敏度决定了小车行迹时的抖动程度和对黑线的偏差，所以为了达到行驶的稳定性，必须提高检测的灵敏并降低噪声干扰对其的影响。

方案一、利用红外对管。

分别将五对按一定位置放置于小车底部，利用红外线发射管和接收管的光电特性，在行驶过程中对黑线进行循迹。

使用其最大优点就是结构简明，成本低廉，免去了复杂的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面检测。

方案二、使用CCD传感器来采集路面信息。

使用CCD传感器抗干扰能力强，但需要有大量的图像处理工作，需要进行大量的数据计算和存储。

结论：我们仅考虑赛道只有黑白两种颜色，故小车只要能区分黑白两种颜色，就可以采集准确的路面信息。

因此综合考虑，本设计采用方案一。

5、自动停靠站模块方案本方案分为两部分：停靠标志黑线识别系统和停靠标志灯光识别系统。

其中停靠黑线识别系统可以用轨迹探测模块代替，依靠轨迹探测模块中红外对管识别，而停靠标志灯光识别系统方案如下：方案一、使用光敏电阻因为灯光标志在轨迹右侧，所以只需在小车两侧各安装一光敏电阻，利用光敏电阻的光电特性，恰恰能很好的实现这一要求。

当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。

灯光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

通过比较位于小车两侧的光敏电阻接收到光的强度变化，确定是否为停车标志，以排除停车干扰。

简单经济。

方案二、采用方向性较强的光敏二极管作光源定位器。

若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出实时光线方位。

若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，需要很多的器件，成本较高。

结论：本设计选用方案一。

6、里程与速度探测模块方案方案一：采用超声波测距超声波使用起来比较简单，在测量长度、速度方面有着很广泛的应用。

但是超声波使用的是声音在传播的时候遇到障碍物折回的原理，前方必须有一定体积的障碍物，在公交系统中通常不采用，故不选择此方案方案二：采用光电码盘使用光电码盘是利用了光的直线传播的特性，有障碍物时光被障碍物挡住，没有障碍物时光可以直线传播到达指定的地方，由于其测量精度和分辨率高、抗干扰能力强，在比较小的场合应用的非常广泛。

结论、本设计采用方案二。

7、语音（报站）模块方案该模块主要采用现成的模块系统，ISD4004具有音质好，电压范围宽，应用灵活等优点，但价格较高。

根据要求及实验室的器件情况因此本设计采用蜂鸣器报站。

8、显示模块方案小车在循迹时，显示模块显示的是速度和最后循迹判断出来的图形，行迹时显示速度要迅速准确，所以要求此模块可读性高和操作性简单。

方案一、7段数码管显示使用7段数码管显示行迹时的速度和循迹的图形，需要多个数码管，需要增加外围驱动器件（如74LS47或74LS48等），使得电路板空间拥挤，焊接时难度增加了，使用操作复杂了，并且数码管只能显示数字，不能直观的显示字母等符号，使得可读性降低。

方案二、SMC1602液晶显模块使用1602液晶显示时，用8个P0口的数据线连接到液晶上就能控制1602的显示，使得小车的结构、使用和操作更加简单；1602的显示容量为16×2，这样仅用8个I/O口就能控制显示32个字符，每个字符显示位为5×7点阵式，可显示的字符种类增加，这样更使得可读性能提高。

结论：综合考虑到显示的功能和整体结构的复杂程度，本设计采用方案二。

二、电路设计1、总体设计设计模块图如图3-1示：图3-12.硬件设计1）控制单元电路设计单片机SST89E52RD芯片与并口连接图图3-32）电源单元电路设计稳压电路图图3-43）电机驱动单元设计电机驱动模块采用的是直流电机的专用驱动芯片LM298。

LM298是SGS公司的产品，本设计采用的是15脚封装的L298N，内部包含四通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机，本设计在实际应用中用LM298来控制两路直流减速电机。

驱动模块电路图如下：图3-5转弯加速由于本设计前后电机采用同一电源供电，在前轮转向时，后轮速度将有所降低，此时即通过软件表象加速来弥补其电流的降低，从而提高了小车在弯道的行驶速度。

进弯道前减速行驶分别采用不同的速度来控制直道与弯道的行驶，可以使得在直道区尽可能加速，以节省时间；在弯道区减速，有更多的时间来寻轨，避免脱离轨道，也使得小车以比较直的方向进入C点以后区域反转式刹车当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。

由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也渐减，否则小车可能反向行驶。

使用此方案全速刹车反应时间减少为0.5s。

L293B工作表--引脚和输出引脚的逻辑关系电机运行情况EN 1（2） IN1（IN3）IN2（IN4）正转H H L反转H L H快速停止H 同IN2（IN4）同IN1（IN3）停止L X X表3-14）轨迹检测单元设计轨迹检测模块使用5对黑白对管，由于是自行设计电路，通过调整电路结构使得抗干扰能力增强，灵敏度提高，电路图如下图所示：图3-6结合实际的传感器安排和寻迹方式：鉴于黑色路线的实际方向，为了可以检测出直线、弯道和起始标志、停止标志。

小车使用5个黑白对管传感器，各个位置的对管检测到的信号经过处理，使小车进入不同的状态，完成一次规定动作（走直线、左微调、右微调、左转弯、停止）。

对管位置如下图和下表所示:图 3-7对管编号对管位置引脚位置程序中字符1 左前P2.0 L12 右前P2.1 L23 左后P2.2 L34 右后P2.3 L45 中后P2.7 L5表3-2当对管检测到黑线的时候，对应的引脚为高电平，程序中表示为1；未检测到黑色的时候，对应的引脚为低电平，程序中表示为0。

对应的真值表如下表所示：L1 L2 L3 L4 L5 执行操作* * * * 0 小车退后0 0 0 0 1 直线前进0 0 0 1 1 左微调0 0 1 0 1 右微调0 1 0 0 1 右微调0 1 0 1 1 右微调0 1 1 0 0 右转0 1 1 1 1 右微调1 0 0 0 1 左微调1 0 0 1 1 左转1 0 1 1 0 左微调1 0 1 1 1 左微调表3-35）自动停靠站单元设计只有轨迹黑线和灯光存在同时满足是才可以真正实现停靠站功能，如此可以有效的避免干扰，其中灯光识别电路如下：图3-8当信号为干扰信号时，由于没有灯光照射，所以两光敏电阻大小相同，即LM339两输入电压信号相等，否则不相等。

LM339“-”极电位LM339“+”极电位所得信号低高灯光信号基本接近干扰信号表3-4自动停靠站模块工作表如下：L1 L2 L3 L4 L5 信号动作1 1 0 0 1 灯光信号停靠站1 1 0 1 1 灯光信号停靠站1 1 1 0 1 灯光信号停靠站1 1 1 1 1 * 停车表3-56）里程与速度探测单元设计路程测量模块采用光电码盘，可以提高测量的准确度。

工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。

光电码盘如下图所示图3-9电路图如下：由定时器0和定时器1的计数溢出标志作为控制，实现输出高低电平的脉冲，占空比由定时器的计数器TH0,TH1,TL0,TL1的初始化来决定。

图3-107）语音（报站）单元设计语音电路设计主要采用蜂鸣器报站的效果。

硬件原理实现如下图所示：图3-11 8）显示单元设计显示模块与电路连接如下图所示：图3-123.软件设计软件设计的流程图程序实现三：测试方法与测试结果1、测试仪器：2、测试方法：3、测试结果：四：讨论五、总结本系统以单片机SST89E52RD 芯片为核心部件，利用光电检测技术等实现了公交车的自动跟踪黑线行驶，行驶到站点前提前播放下车蜂鸣器语音提示，以及精确的站点停靠，液晶显示屏能实时显示公交车的行驶速度，距前站的距离。

在系统的设计当中，采用了测量公交车轮胎的转数来计算小车行驶路程。

本次设计经过本组成员的共同努力，终于取得了初步的成果，虽然还未经过实践，但相信经过我们的设计和指导老师的细心指导，经过不断的修改和调试后，一定能够取得很好的效果。