【专家解说】：基于单片机的公交报站模拟系统 摘 要： 本设计采用STC89C51单片机为控制核心，电机的硬件驱动采用L298芯片，由单片机输出PWM控制电机转速，利用红外检测模块实现智能公交车的自动寻迹，整个系统的电路结构简单，可靠性高。设计测试结果满足要求，设计原理简明，方案正确。 关键词：智能公交车 STC89C51 PWM L298驱动 自动寻迹 Design of analog bus stop system ba
sed on single-chip ——body bus campaign Major of Applied Electro
nic Technology,Information and Engineering College, ZhenxingWu Abstract:The design for the co
ntrol of single-chip core STC89C51, electrical hardware drivers using the L298 chip, single-chip output by the PWM co
ntrol of motor speed, the use of infrared detection module bus intelligent automatic tracing, the circuit structure of the whole system is simple, high reliability. Experimental test results meet the requirements, design principles of simplicity, the program correctly. Keyword: Bus System Intelligent STC89C51 PWM L298N Self-tracing 引 言 公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一。它作为城市动态大系统中一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。公交系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等项优点。 随着我国改革开放的深入和经济建设的持续快速发展，城市规模不断扩大，交通需求也不断增加。有关资料表明，1996年全国城市机动车保有量为884.5万辆，比1977年增长近9倍，年均增长33.8%，全国城市自行车超过1.8亿辆，占全国总量的40%，城镇每百户拥有率达198辆。道路建设虽突飞猛进，从1980年至1994年，全国城市道路总长从2.95万公里增至11.1万公里，年平均增长率为9.9%,人均道路面积从2.8m2增至6.6m2，道路面积增长率为年均11.6%，这样的速度仍然赶不上车辆的增长速度。同时，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时12-14公里下降至5-10公里，新增的运力被运输效率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个体交通方式转移，这无疑加剧了交通的拥挤程度。如何解决城市居民出行交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。 智能运输系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）。它是在关键基础理论模型研究的前提下，把先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效地综合运用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统。它利用无线通讯专网低频段以低成本实现了公交企业运营数据的实时采集、快速传输，自行开发研制了无线通讯系统车载智能终端设备及控制系统，使公交企业能够充分利用无线通讯系统采集和传输的车辆运营数据进行车辆调度和车辆运营管理，且具有数据和话音双重传输功能。具有用户容量大、网络范围覆盖广、调度信息响应速度快、全自动语音报站自动化、信息发布广泛、出行者信息服务智能化、设备自维护智能化的特点。 智能公交系统的提出，必将大大改善公交管理水平，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。由于采用公交出行的居民增加，相对减少了其它车辆出行，这势必会缓解城市交通压力，减少环境污染，降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。 1 方案的选择论证与实物机械图 1.1 车体设计选择 方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不适应该课题的跑道要求，也不能方便迅速地实现原地保持坐标不变打转90度甚至180度。再次，玩具电动车的电机多为直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种玩具电动车价格不菲。因此我们放弃了此方案。 方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后 万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松地实现小车保持坐标不变打转90度甚至180度。 在安装时我们力求保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点支撑结构，这种结构使得车子在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而引发左右两驱动轮驱动力不足的情况。后万向轮同时还起到了防止车子重心偏移的作用。 综上考虑，我们选择了方案2。 1.2 电源系统选择 由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。 方案1：采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。由于干电池电量有限，使用大量的干电池将会给系统调试带来不便，因此，我们放弃了这种方案。 方案2： 采用3节4.2V可充电式锂电池串联达到12.6V给直流电机供电，经过7812芯片进行电压变换后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，还可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出预算，因此，我们放弃了这种方案。 方案3：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压经过7805芯片降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。考虑到无线收发模块NRF905供电电压为3.3V，将5V电压利用稳压管进行降压，稳压后对其供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型车上使用极为不方便，但由于我们在车体设计时留出了足够的空间，另外蓄电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。 综上考虑，我们选择了方案3。 1.3 寻迹传感器模块 方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射强烈，光线照射到黑线上面时，光线反射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响比较大，不能够稳定的工作。因此我们放弃了这种方案。 方案2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能够接收到反射回来的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作的寻迹传感器能够满足要求，所以我们选择了方案2。 1.4 电机模块的选择 本课题设计对驱动轮的驱动电机选择十分重要。由于要求实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了以下两种方案。 方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但是步进电机的输出力矩较低，特别是会随着转速的升高而下降，甚至在较高转速下力矩会急剧下降，不适用于对小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。 方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部构造采用高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮箱，可以产生较大扭力。我们所选用的直流电机转速为110r/min。我们的车轮直径为5.0cm，因此我们的车子的最大速度可以达到 V=2πr
•v=2*3.14*0.025*110/60=0.289m/s 能够较好地满足系统的要求，因此我们选择了此方案。 1.5 电机驱动模块的选择 方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率比较高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 方案2：用分立元件制作直流电机驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中比较广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 因此我们选用了方案1。 1.6 电机调速PWM方案设计 如图1-1所示在脉冲作用下，当高电平时，电机通电，平均电压增大，速度增加；当低电平时，电机断电，平均电压减小，速度也会逐渐减少。只要按照一定地规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。这种通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，称为PWM调速。电机始终接通电源时，电机转速最大设为Vmax，设占空比为D=t／T，则电机的平均速度可近似认为Vd=Vmax
•D，因此可以通过改变占空比D得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。 产生PWM波形有两种比较好的方法：一是利用专业的集成芯片产生PWM信号；二是利用编写软件产生PWM信号。本系统采用单片机C语言编程来实现直流电机的PWM脉宽调制调速功能。 1.7 测速模块方案选择 在设计过程中，为了达到公交车车速的精确测量，我们先后采用了3套方案，如下图1-2所示： 方案一使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构做得相对简单，我们在车轮的圆周上粘上四粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就得到了信号输出，当转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。在实际设计调试中，存在信号丢失现象严重，故放弃方案一。 方案二、三采用的是光电码盘设计的方法，基本的原理：当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。原理如图1-3所示。为此，我们将制作好的码盘安装在转轴上，当码盘上扇叶经过时便会产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。我们分别设计了4片叶片和8片叶片的码盘，经过充分的实验论证，方案三的效果完全能够达到设计的精确需要。 2 硬件系统设计与电路设计 硬件设计系统主要包括了车体机械结构设计以及单片机应用系统设计。本课题自行设计车体的机械结构，采用塑铝板制作车子底盘，采用橡胶轮制作车轮，利用铜柱作为车体结构支架，在支架的基础上我们搭建了三个平台用来安放电路板。整体结构设计合理，紧凑，车子在行驶过程中比较稳定。 一个单片机应用系统的硬件电路设计主要包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等，当不能满足应用系统的要求时，还必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器、A/D、D/A转换器、各种模块电路等，并要考虑设计合适的接口电路。 3 软件设计 3.1 软件程序设计 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个对象的实际需要设计应用程序。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出信号，以便控制生产。 为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是完成一定功能，相对独立的程序段。 模块程序设计法的主要优点是： （1）单个模块比起一个完整的程序易编写及调试； （2）模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用； 3.2 寻迹程序流程图 公交车行驶线路如下图3-1所示： 图3-1 公交车行驶线路图 当车底三个寻迹传感器和十字路口判别传感器第一次同时检测到黑带时，公交车处于起点处，这时控制两电机同速度全速运行。之后不断的检测四个传感器的状态： 当十字路口传感器未检测到黑带时，读取车底三个寻迹传感器状态，检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出黑带时，公交车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到三个寻迹传感器同时处在黑带上时，表明公交车已开到了站台B/C处，需要立即停靠5秒，这时把两个电机的速度调至极低，使其停止行进； 当车底三个寻迹传感器和十字路口判别传感器第二次同时检测到黑带时，表明公交车处于十字路口，公交车不停靠仍旧直行。 程序流程图3-2如下所示： 图3-2 寻迹程序流程图 4 测试数据、测试结果分析及结论 结论 我们的公交车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。在设计过程中，我们考虑到了每一个I/O口的合理分配问题，使得我们设计出来的电路模块和主电路板之间衔接到位，最大程度地使用了资源。另外，我们的车体底盘经过充分的论证和严格的设计，兼顾了美观、廉价、稳固、可靠等方面的因素，使其具有较高的稳定性和推广意义。 整个智能公交车系统由3个人合作设计，也让我们增强了团队协作的能力。设计是一个团队性的工作，如果某一个人能力很强，而其他人不行，这个团队可能做不出来很好的东西，但是团队各成员分别有一定的技术功底，精诚合作，一定能完成一个好的作品。团队要合作，要民主，同时也需要有一个核心，关键时候需要做出决定
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