無人駕駛汽車轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要無人駕駛汽車大大提高了交通系統(tǒng)效率和安全性，是未來汽車發(fā)展的一個(gè)方向。首先介紹了無人駕駛汽車技術(shù)的概況和國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了本次設(shè)計(jì)的意義及要求，對(duì)無人駕駛汽車智能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單說明。主要分析對(duì)無人駕駛汽車的轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)采用兩種霍爾傳感器對(duì)汽車方向盤的轉(zhuǎn)向及剎車踏板的角度進(jìn)行測(cè)量，將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過處理輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)來判斷汽車當(dāng)前的行駛狀態(tài)和控制信號(hào)的狀態(tài)。所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，能夠很好的滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：無人駕駛汽車；轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控系統(tǒng)；霍爾傳感器；51單片機(jī)；方向盤IAbstractThe unmanned v

2、ehicle can greatly improve the transportation efficiency and safety, and it is a development trend of future car. At first, I introduced the unmanned vehicle technology overview and current development at home and abroad. Besides, I discuss the significance of this design and requirements, the unman

3、ned vehicle intelligent system design of a simple description. Primary analysis on the unmanned vehicle turn signal lamp control system design, this design uses two Holzer sensor on the steering wheel of the steering and brake pedal angle measurement, the sensor output signal is processed to MCU, th

4、rough the microcontroller to judge the running state of the motor current and the state of the control signal. The design of turn signal lamp control system has the advantages of simple structure, stable performance, which can satisfy the design requirements.Keywords: The unmanned vehicle; Turn sign

5、al lamp control system; Holzer sensor; 51 single chip microcomputer；Steering wheelII目 錄摘 要IAbstractII1 無人駕駛汽車概述11.1無人駕駛汽車簡介11.2 國內(nèi)無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 國外無人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀21.4 課題意義及主要研究內(nèi)容41.5 無人駕駛汽車智能系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)41.5.1 無人駕駛汽車智能控制系統(tǒng)的各模塊的主要功能41.5.2 無人駕駛汽車智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖52 轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)62.1 轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)概述62.2 轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.2.1 總

6、體設(shè)計(jì)方案72.2.2 系統(tǒng)主要器件選擇72.3 系統(tǒng)硬件部分142.3.1 系統(tǒng)硬件電路圖142.3.2 系統(tǒng)各部分電路功能分析142.4 系統(tǒng)軟件部分172.4.1 程序流程圖172.4.2 程序清單及注釋182.4.3 系統(tǒng)各部分程序功能說明223 結(jié)論233.1出現(xiàn)的問題及解決辦法233.2心得體會(huì)及建議23參 考 文 獻(xiàn)24附錄125附錄226III 無人駕駛汽車智能系統(tǒng)1 無人駕駛汽車概述無人駕駛汽車是一種智能汽車，也可以稱之為輪式移動(dòng)機(jī)器人，主要依靠車內(nèi)的以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來實(shí)現(xiàn)無人駕駛。清華大學(xué)汽車系副研究員王建強(qiáng)將無人駕駛汽車定義為“通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，自

7、動(dòng)規(guī)劃行車路線并控制車輛到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的智能汽車”。它是利用車載傳感器來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。1.1無人駕駛汽車簡介無人駕駛汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，對(duì)車輛的操作實(shí)質(zhì)上可視為對(duì)一個(gè)多輸入、多輸出、輸入輸出關(guān)系復(fù)雜多變、不確定多干擾源的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制過程。駕駛員既要接受環(huán)境如通路、擁擠、方向、行人等的信息，還要感受汽車如車速、側(cè)性偏移、橫擺角速度等的信息，然后經(jīng)過判斷分析和決策，并與自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)相比較，確定出應(yīng)該做的操縱動(dòng)作，最后由身體、手、腳

8、等來完成操縱車輛的動(dòng)作。因此在整個(gè)駕駛過程中，駕駛員的人為因素占了很大的比重。一旦出現(xiàn)駕駛員長時(shí)間駕車、疲勞駕車、判斷失誤的情況，很容易造成交通事故。1.2 國內(nèi)無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀2011年7月14日，由國防科技大學(xué)自主研制的紅旗HQ3無人車，首次完成了從長沙到武漢286公里的高速全程無人駕駛實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了我國自主研制的無人車在復(fù)雜交通狀況下自主駕駛的新紀(jì)錄，標(biāo)志著我國無人車在復(fù)雜環(huán)境識(shí)別、智能行為決策和控制等方面實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)突破，達(dá)到世界先進(jìn)水平。 從20世紀(jì)80年代末開始，在賀漢根教授帶領(lǐng)下，2001年研制成功時(shí)速達(dá)76公里的無人車，2003年研制成功我國首臺(tái)高速無人駕駛轎車，最高時(shí)速

9、可達(dá)170公里；2006年研制的新一代無人駕駛紅旗HQ3，則在可靠性和小型化方面取得突破。此次紅旗HQ3無人車實(shí)驗(yàn)成功創(chuàng)造了我國自主研制的無人車在復(fù)雜交通狀況下自主駕駛的新紀(jì)錄，這標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 到2020年，駕駛員將不必再為汽車追尾而煩惱，“無人駕駛汽車將通過自身的雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)與前車的距離，如果與前車距離過近，汽車將會(huì)自動(dòng)剎車。” 到2030年，駕駛員基本上可以在較復(fù)雜路況下只控制方向盤或只踩油門和剎車了，因?yàn)榘胱詣?dòng)駕駛技術(shù)會(huì)在大多數(shù)車輛上得到應(yīng)用，那時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)設(shè)置路線或自動(dòng)進(jìn)行油門和剎車的配合。 國家自然科學(xué)基金委員會(huì)近日稱，我國自主研發(fā)的無人駕駛汽車2013年

10、將測(cè)試從北京行駛到天津，2015年將測(cè)試從北京行駛到深圳。1.3 國外無人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行無人駕駛汽車研究，目前在可行性和實(shí)用性方面，美國和德國走在前列。美國是世界上研究無人駕駛車輛最早、水平最高的國家之一。早在20世紀(jì)80年代，美國就提出自主地面車輛(ALV)計(jì)劃，這是一輛8輪車,能在校園的環(huán)境中自主駕駛，但車速不高。美國其它一些著名大學(xué)，如卡耐基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都先后于20世紀(jì)80年代開始研究無人駕駛車輛。然而，由于技術(shù)上的局限和預(yù)期目標(biāo)過于復(fù)雜,到20世紀(jì)80年代末90年代初，各國都將研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到問題相對(duì)簡單的高速公路上的民用車輛的輔助駕駛

11、項(xiàng)目上。1995年，一輛由美國卡耐基梅隆大學(xué)研制的無人駕駛汽車Navlab2V，完成了橫穿美國東西部的無人駕駛試驗(yàn)。在全長5000km 的美國州際高速公路上,整個(gè)實(shí)驗(yàn)96%以上的路程是車輛自主駕駛的，車速達(dá)5060km /h。盡管這次實(shí)驗(yàn)中的Navlab2V僅僅完成方向控制，而不進(jìn)行速度控制(油門及檔位由車上的參試人員控制) ，但這次實(shí)驗(yàn)已經(jīng)讓世人看到了科技的神奇力量。豐田汽車公司在2000年開發(fā)出無人駕駛公共汽車，這套公共汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要由道路誘導(dǎo)、車隊(duì)行駛、追尾防止和運(yùn)行管理等方面組成。安裝在車輛底盤前部的磁氣傳感器將根據(jù)埋設(shè)在道路中間的永久性磁石進(jìn)行導(dǎo)向，控制車輛行駛方向。2005年

12、，美國國防部“大挑戰(zhàn)”比賽上,最終由美國斯坦福大學(xué)工程師們改裝的一輛大眾途銳多功能車經(jīng)過7個(gè)半小時(shí)的長途跋涉完成了全程障礙賽，第一個(gè)到達(dá)了終點(diǎn)。在賽道上,無人駕駛汽車需要穿越沙漠、通過黑暗的隧道、越過泥濘的河床并需要在崎嶇險(xiǎn)峻的山道上行使,整個(gè)行程無人駕駛汽車需要繞過無數(shù)個(gè)障礙。在無人駕駛技術(shù)研究方面位于世界前列的德國漢堡（Ibeo）公司,最近推出了其研制的無人駕駛汽車。這輛無人駕駛智能汽車由德國大眾汽車公司生產(chǎn)的帕薩特2. 0改裝而成，外表看來與普通家庭汽車并無差別,但卻可以在錯(cuò)綜復(fù)雜的城市公路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無人駕駛。行駛過程中,車內(nèi)安裝的全球定位儀隨時(shí)獲取汽車所在準(zhǔn)確方位的信息數(shù)據(jù)。隱藏在前燈

13、和尾燈附近的激光掃描儀是汽車的“眼”，它們隨時(shí)“觀察”汽車周圍約183 m內(nèi)的道路狀況,構(gòu)建三維道路模型。除此之外，“眼”還能識(shí)別各種交通標(biāo)識(shí),如速度限制、紅綠燈、車道劃分、?？奎c(diǎn)等,保證汽車在遵守交通規(guī)則的前提下安全行駛。最后由無人駕駛汽車的 “腦”安裝在汽車后備廂內(nèi)的計(jì)算機(jī)，將兩組數(shù)據(jù)匯合、分析,并根據(jù)結(jié)果向汽車傳達(dá)相應(yīng)的行駛命令。多項(xiàng)先進(jìn)科技確保這款無人駕駛汽車能夠靈活換檔、加速、轉(zhuǎn)彎、剎車甚至倒車。近年來，不少國家在開發(fā)無人駕駛汽車技術(shù)。這樣的汽車并非科幻電影中的道具，英國已經(jīng)準(zhǔn)備2010年就在部分機(jī)場投放這種無人駕駛汽車。在不久的將來，英國政府將修建專門的無人駕駛汽車公路：或者在一般

14、公路上開辟無人駕駛汽車快速通道。有關(guān)專家表示，在解決城市交通問題上，無人駕駛汽車因不用司機(jī)而成本更低，而且這些汽車采用電力驅(qū)動(dòng)，更加環(huán)保。無人駕駛汽車可和城市交通指揮中心聯(lián)網(wǎng)，選擇最好的路線，有效避免塞車。1.4 課題意義及主要研究內(nèi)容無人駕駛汽車的應(yīng)用可以減少交通事故，是解決因駕駛員人為因素引起的道路交通安全問題的根本途徑；此外，這項(xiàng)技術(shù)還可提高運(yùn)輸效率，能縮短行車間距，增加道路容量，防止交通堵塞，提高平均車速，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，較少環(huán)境污染。另外，對(duì)于特殊作業(yè)和國防軍事也有重大意義，無人駕駛汽車能夠在易燃、易爆、有毒、搶險(xiǎn)、宇航等危險(xiǎn)環(huán)境下代替駕駛員完成特殊作業(yè)，在偵查、演戲、排雷、防化、作

15、戰(zhàn)、反恐等軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景?；谶@些獨(dú)特的優(yōu)越性，調(diào)動(dòng)廣大的人力、物力、精力進(jìn)行無人駕駛汽車技術(shù)的深入研究是十分必要的。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為完成無人駕駛汽車的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使智能車能夠確認(rèn)自身當(dāng)前位置，根據(jù)行使目標(biāo)及途中情況規(guī)劃、修改行車路線，行駛過程中能夠可靠實(shí)現(xiàn)車速調(diào)節(jié)、車距保持、障礙避讓、轉(zhuǎn)彎、等動(dòng)作。并可通過自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制使自身按規(guī)定路線準(zhǔn)確穩(wěn)定地行駛，安全到達(dá)目的地。1.5 無人駕駛汽車智能系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)1.5.1 無人駕駛汽車智能控制系統(tǒng)的各模塊的主要功能主控模塊：使用單片機(jī)作為中央處理器，完成信號(hào)的處理及控制信號(hào)的輸出，對(duì)智能車的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。環(huán)境感知模塊：

16、基于視覺及傳感器對(duì)智能車行駛過程中的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要有近/遠(yuǎn)距離測(cè)量、交通標(biāo)志識(shí)別、車輛、行人及障礙物識(shí)別等。GPS路徑導(dǎo)航模塊：用于記錄路徑，使智能車能夠按照規(guī)定的路線行駛，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)路況的監(jiān)測(cè)。自身感知模塊：可實(shí)時(shí)獲得智能車的行駛狀態(tài)，如車速、車身傾角等。車身姿態(tài)控制模塊：通過主控模塊發(fā)出的控制信號(hào)來對(duì)智能車的狀態(tài)進(jìn)行控制，使智能車能夠?qū)崿F(xiàn)停車、轉(zhuǎn)彎、避讓等相應(yīng)動(dòng)作。報(bào)警模塊：當(dāng)停車或者智能車偏離車道時(shí)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。信號(hào)燈模塊：控制車頭及車尾的信號(hào)燈在轉(zhuǎn)彎或者剎車時(shí)的狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)是以控制系統(tǒng)為主要內(nèi)容，通過感知環(huán)境及路況，將獲得的信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換等，使單片機(jī)能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理

17、，并且根據(jù)獲得的信息做出相應(yīng)的判斷發(fā)出控制信號(hào)，使智能車按照預(yù)定的方案行駛。除了以上的模塊之外，還有電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、故障診斷模塊等，在此不作詳細(xì)介紹。1.5.2 無人駕駛汽車智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖停車控制車道線感知直線速度控制路面感知?jiǎng)x車狀態(tài)控制車身姿態(tài)控制模塊主控模塊環(huán)境感知模塊車輛與障礙物感知轉(zhuǎn)彎控制交通標(biāo)志感知緊急避讓控制典型路口感知紅綠燈避讓云臺(tái)控制上下坡控制信號(hào)燈控制模塊GPS路徑導(dǎo)航模塊轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制GPS路徑學(xué)習(xí)、記錄剎車信號(hào)燈控制GPS路徑控制報(bào)警模塊自身感知模塊車速感知停車報(bào)警車身姿態(tài)感知車道偏離報(bào)警圖1.1 無人駕駛汽車智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)

18、 2.1 轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)概述汽車轉(zhuǎn)彎燈控制系統(tǒng)在汽車電氣部分占有相當(dāng)重要的比重，而一般的控制系統(tǒng)常常采用TTL邏輯電路加控制桿進(jìn)行控制，雖然都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎燈控制功能，但是導(dǎo)線多，設(shè)計(jì)復(fù)雜，穩(wěn)定性不好，若有某個(gè)接觸點(diǎn)燒毀，就得整體更換，從而導(dǎo)致可靠性差，檢修不方便和維修費(fèi)用高等問題。而以8051單片機(jī)作為控制器，與軟件及相應(yīng)的角度傳感器配合，不但可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈的自動(dòng)控制，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本設(shè)計(jì)用角度傳感器探測(cè)方向盤和探測(cè)剎車踏板的角度信號(hào)，將獲得的角度信號(hào)進(jìn)行處理后送入單片機(jī)，通過軟件對(duì)智能車轉(zhuǎn)彎與否、轉(zhuǎn)彎方向及剎車與否進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的狀況控制信號(hào)的狀態(tài)。智能車不轉(zhuǎn)彎

19、時(shí)，信號(hào)燈全滅；汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)相應(yīng)的一側(cè)尾燈和前燈閃爍發(fā)光；汽車剎車時(shí)，左右尾燈都亮，但在轉(zhuǎn)彎過程中剎車，相應(yīng)一側(cè)的尾燈仍應(yīng)閃爍，信號(hào)燈功能要求如表2.1真值表所列。表2.1轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈工作真值表狀態(tài)左車頭信號(hào)燈右車頭信號(hào)燈左轉(zhuǎn)信號(hào)燈右轉(zhuǎn)信號(hào)燈左車尾信號(hào)燈右車尾信號(hào)燈左轉(zhuǎn)彎閃爍滅閃爍滅閃爍滅 右轉(zhuǎn)彎滅閃爍滅閃爍滅閃爍 剎車滅滅滅滅亮亮左轉(zhuǎn)時(shí)剎車閃爍滅閃爍滅閃爍亮右轉(zhuǎn)時(shí)剎車滅閃爍滅閃爍亮閃爍在本系系統(tǒng)中，汽車轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下，外部信號(hào)燈的閃爍頻率為1HZ的低頻信號(hào)。2.2 轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)前面所述的理論和中斷系統(tǒng)的知識(shí)進(jìn)行具體總體方案設(shè)計(jì)，并對(duì)所需的器件進(jìn)行選擇。2.2.1 總體設(shè)計(jì)方案以51單片

20、機(jī)作為控制器，通過軟件實(shí)現(xiàn)上述功能，為了保證系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用了先進(jìn)的冗余技術(shù)和故障監(jiān)控技術(shù)，使得系統(tǒng)在出現(xiàn)部分故障時(shí)也能正常工作。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。信號(hào)燈單片機(jī)信號(hào)處理角度傳感器方向盤旋轉(zhuǎn)角度剎車踏板角度電源圖2.1轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)框圖2.2.2 系統(tǒng)主要器件選擇本次設(shè)計(jì)所用的傳感器皆為霍爾傳感器，這類傳感器是基于霍爾效應(yīng)而制成的，所謂霍爾效應(yīng),是指當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí),在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的2個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差,這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差。本次設(shè)計(jì)所需的角度測(cè)量都可以通過霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉较虮P轉(zhuǎn)角和剎車踏板角度的變化都可

21、以轉(zhuǎn)換為此次強(qiáng)度的變化，霍爾傳感器便是利用這種效應(yīng)把磁場的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓??；魻杺鞲衅饕话惴譃榫€性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器2種。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,輸出為模擬量,主要用來檢測(cè)電壓、電流等物理量。開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和集電極開路輸出級(jí)組成,輸出為脈沖方波信號(hào),適用于數(shù)字控制系統(tǒng),具有很強(qiáng)的抗干擾能力,主要用來檢測(cè)轉(zhuǎn)速、位移、角度等物理量。除了傳感器之外，本次設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)及信號(hào)處理電路中所用的器件將在以下進(jìn)行詳細(xì)介紹。(1) 方向盤旋轉(zhuǎn)角度傳感器開關(guān)型霍爾傳感器A3144霍爾開關(guān)電路的輸出級(jí)一般是一個(gè)集電極開

22、路的 NPN 晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的NPN 開關(guān)相同。輸出管截止時(shí)，輸漏電流很小，一般只有幾nA，可以忽略，輸出電壓和其電源電壓相近，但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓（即規(guī)范表中規(guī)定的極限電壓）。輸出管導(dǎo)通時(shí)，它的輸出端和線路的公共端短路。因此，必須外接一個(gè)電阻器（即負(fù)載電阻器）來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。輸出電流較大時(shí)，管子的飽和壓降也會(huì)隨之增大，使用者應(yīng)當(dāng)特別注意，僅這個(gè)電壓和你要控制的電路的截止電壓（或邏輯“零”）是兼容的。一般規(guī)定，當(dāng)外加磁場的南極(S 極)接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場方向

23、為正，北極接近標(biāo)志面時(shí)為負(fù)。鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加磁場B正向增加，達(dá)到BOP時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)?；魻杺鞲衅鰽3144是Allegro MicroSystem 公司生產(chǎn)的寬溫、開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器，其工作溫度范圍可達(dá)40150。它由電壓調(diào)整電路、反向電源保護(hù)電路、霍爾元件、溫度補(bǔ)償電路、微信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出級(jí)構(gòu)成，通過使用上拉電路可以將其輸出接入CMOS邏輯電路。該芯片具有尺寸小、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)、有兩種封裝形式，一種是3腳貼片微小型裝，后綴為“LH”；另一種是3腳直插封

24、裝，后綴為“UA”。 傳感器的芯片引腳、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖2.2所示；傳感器的性能指標(biāo)如表2.2和表2.3所示。圖2.2霍爾傳感器A3144的引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)表2.2霍爾傳感器 A3144在VCC=8V全工作溫度范圍的電特性參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件量值最小典型最大單位電源電壓VCC工作條件4.524V輸出低電平電壓VOUTIOUT=20mA,B>BOP175400mV輸出漏電流IOFFVOUT=24V,B<BRP<1.010A電源電流ICCB<BRP(輸出開路)4.49.0mA輸出上升時(shí)間trRL=820，CL=20pF0.042.0s輸出下降時(shí)間tfRL=820，CL=2

25、0pF0.182.0s表2.3霍爾傳感器A3144在VCC=4.524V時(shí)的磁特性參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件量值單位最小典型最大工作點(diǎn)BOPTA=25°C70350mT全工作溫度范圍35450釋放點(diǎn)BRPTA=25°C50330全工作溫度范圍25430回差BhysTA=25°C2055全工作溫度范圍2055(2)剎車踏板角度傳感器線性型霍爾傳感器A3515A3515霍爾傳感器十分敏感，并且有很好的偏移特性。其電壓輸出在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例，靜態(tài)輸出電壓約為50%的電源電壓。可用于線性和旋轉(zhuǎn)位置測(cè)量系統(tǒng)，在汽車和工業(yè)應(yīng)用廣泛。工作溫度要求為-4至+150°C

26、 ，輸出靈敏度為5mV/G。芯片內(nèi)集成了改進(jìn)的溫度補(bǔ)償電路、一個(gè)小信號(hào)高增益放大器以及端到端低阻抗輸出級(jí)。獨(dú)有的動(dòng)態(tài)偏移取消技術(shù)與內(nèi)部高頻時(shí)鐘，降低了由設(shè)備注塑成型、溫度與熱應(yīng)力造成的剩余偏移電壓。片內(nèi)集成了霍爾元件和放大器減少了由微弱模擬信號(hào)帶來的許多問題，提高了傳感器的性能。其引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖23所示，主要性能指標(biāo)如表2.4和表2.5所示。圖2.3霍爾傳感器A3515的引腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)表2.4霍爾傳感器 A3515在VCC=5V全工作溫度范圍的電特性參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件量值最小典型最大單位電源電壓VCC工作條件4.55.05.5V電源電流ICCB=0,VCC=6V,IO=07.21.0mA

27、靜態(tài)電壓輸出VOQB=0,IO=1mA,TA=25°C2.4252.5002.575V輸出電壓VOHB=+X*,IO=1mA4.7VVOLB=-X*,IO=-1mA0.2V輸出源電流IOLMB=-X*,VO=0-1.0-1.5mA帶寬（-3dB）BW30kHz時(shí)鐘頻率fC170kHz輸出阻抗rOIO -2 mA1.0寬帶輸出噪聲（有效值）eOB = 0, BW = 10 Hz 至 10 kHzIO -1 mA, CO = 100 pF400V表2.5霍爾傳感器A3515在VCC = 5 V, IO = -1 mA全工作溫度范圍的性能指標(biāo)參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件量值最小典型最大單位工作溫度范圍

28、TA-40+150°C靈敏度S4.505.005.50mV/G靈敏度變化量S(T)TA =最大值-2.52.57.5%靈敏度變化量S(T)TA =最小值-9.0-1.31.0%靜態(tài)偏移電壓VOQ(T)溫度測(cè)定±10G靜態(tài)偏移電壓VOQ(V)輻射線測(cè)定100%靈敏度變化量S(V)輻射線測(cè)定100%正線性相關(guān)Lin+100%負(fù)線性相關(guān)Lin100%對(duì)稱性100%(3) 單片機(jī)AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓、高性能CMOS

29、8位微處理器,俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中, ATMEL的AT89C51 是一種高效微控制器, AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，芯片引腳如圖2.4。其主要特性如下：與MCS-51兼容 4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器壽命：1000寫擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz

30、-24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128×8位內(nèi)部RAM 32條可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源可編程串行通道 低能耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路圖2.4單片機(jī)AT89C51引腳圖(4)電壓比較器LM311LM311是單通道高速電壓比較器。其工作電源電壓范圍廣，包括±15V運(yùn)算放大器和5V電源供應(yīng)邏輯系統(tǒng)。輸出電平兼容與大多數(shù)TTL和CMOS電路兼容?？梢则?qū)動(dòng)燈或繼電器和開關(guān)電壓高達(dá)50V。所有輸入和輸出可以系統(tǒng)地中分離。以地、正電源或者負(fù)電源為參考的輸出可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。具有補(bǔ)償平衡和選通功能。并且輸出可以線與連接。如果選低，這輸出將處于關(guān)閉狀態(tài)，無差

31、動(dòng)輸入。LM311為集電極開路輸出,使用時(shí)應(yīng)在輸出端與正電源之間連接負(fù)載電阻。其引腳如圖2.5所示。圖2.5 比較器LM311引腳圖(5)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003 ULN是耐高壓、大電流達(dá)林頓陳列，有七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。每一個(gè)達(dá)林頓管都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接連接，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理數(shù)據(jù)，其灌電流可以達(dá)500MA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封裝。(6)三端穩(wěn)壓塊W7805常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×

32、15; 系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的EIC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓。最常應(yīng)用的是 TO-220 和 TO-202 兩種封裝。對(duì)于 78××正壓系列，輸入是最高電位，地端為最低電位。2.3 系統(tǒng)硬件部分2.3.1 系統(tǒng)硬件電路圖無人駕駛汽車的轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈控制系統(tǒng)的硬件電路主要由傳感器測(cè)量電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)控制電路、信號(hào)燈指示電路、電源電路等組成。配合軟件使用則能

33、實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈的自動(dòng)控制，相對(duì)于一般的認(rèn)為手動(dòng)控制，系統(tǒng)提高了汽車的智能化、自動(dòng)化，其總體電路圖見附錄1。2.3.2 系統(tǒng)各部分電路功能分析(1)方向盤旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量電路圖2.6方向盤旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量電路圖方向盤旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量電路如圖2.6所示。圖中U4A和U4B為開關(guān)型霍爾傳感器A3144，采樣供電電壓為+5V。在電源端加上100nF的旁路電容，以便對(duì)外部噪聲和器件內(nèi)部時(shí)鐘噪聲進(jìn)行抑制。霍爾傳感器的輸出端為OC門，故由+5V經(jīng)過10K的上拉電阻 A、B的輸出端后可直接接入單片機(jī)通用I/O口進(jìn)行采樣分析。方向盤旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量原理如圖2.7（a）所示，在圓柱磁盤上嵌有3對(duì)磁極，S極、N極相互交錯(cuò)，并間隔

34、60°角。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中心軸旋轉(zhuǎn)，通過4:1的傘齒輪測(cè)速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方向盤旋轉(zhuǎn)軸端部的磁盤旋轉(zhuǎn)，使S極、N極交錯(cuò)地作用于A、B兩個(gè)霍爾傳感器，輸出高低電平傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的通用I/O口進(jìn)行計(jì)數(shù)。兩個(gè)霍爾傳感器成90°地安裝電路板上，并接近旋轉(zhuǎn)圓柱磁盤。當(dāng)圓柱磁盤的S極通過傳感器時(shí)便產(chǎn)生脈沖輸出。圓柱磁盤有3對(duì)磁極，每個(gè)S極間隔120°，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)中心軸每1/4轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖（對(duì)應(yīng)于圓柱磁盤轉(zhuǎn)1圈），1個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生3個(gè)脈沖，2個(gè)霍爾傳感器則產(chǎn)生6個(gè)脈沖，其脈沖時(shí)序圖如2.7（b）所示。這樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)中心軸轉(zhuǎn)1圈，傳感器能產(chǎn)生24個(gè)脈沖。圓柱磁盤每轉(zhuǎn)90°,單片機(jī)檢

35、測(cè)到A、B兩個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生的3個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，則對(duì)應(yīng)圓柱磁盤轉(zhuǎn)1圈，是3×4=12個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，故執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出中心軸轉(zhuǎn)一圈，則有48個(gè)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，也就是說，輸出中心軸每轉(zhuǎn)動(dòng)7.5°，脈沖狀態(tài)翻轉(zhuǎn)1次，單片機(jī)計(jì)數(shù)1次，所以此系統(tǒng)的輸出角度分辨率為7.5°。由于這些狀態(tài)的改變與左右旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)，因此單片機(jī)能判斷旋轉(zhuǎn)的方向和角度，從而得知汽車是否轉(zhuǎn)彎及轉(zhuǎn)彎的方向。由時(shí)序圖可見，單執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在A發(fā)生跳變后采集霍爾傳感器A、B的信號(hào)，如果信號(hào)電平相同（即同為高電平或低電平），則為左轉(zhuǎn)向；如A、B信號(hào)電平相反，則為右轉(zhuǎn)向。當(dāng)右轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)脈沖進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)，進(jìn)行減1

36、計(jì)數(shù)。傳感器A右轉(zhuǎn)NASS傳感器BNNBS左轉(zhuǎn)（b）（a）圖2.7霍爾傳感器A3144測(cè)量原理圖(2) 剎車踏板角度測(cè)量電路 剎車踏板角度測(cè)量電路如圖2.8所示，選取線性霍爾傳感器A3515來采集剎車踏板的角度信號(hào)，由于霍爾傳感器所在磁場為時(shí)變磁場，因此從A3515輸出信號(hào)是以霍爾器件直流供電電壓一半的基礎(chǔ)上的交流信號(hào)，經(jīng)濾波整形后轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)得到角度信號(hào)，最后判斷汽車是否剎車來控制相應(yīng)的指示燈。 A3515的輸出是疊加在0.5VCC上的幅值大約為2V的不規(guī)則正弦波，有少量毛刺信號(hào)，故需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。輸入端R8和C8組成的低通無源濾波電路可有效除去信號(hào)中的高頻成分，完

37、成對(duì)信號(hào)的初步處理。比較器采用單電源供電，輸入信號(hào)反相輸入，濾波后的信號(hào)經(jīng)整形電路將其轉(zhuǎn)換為同頻率TTL電平的脈沖方波，使單片機(jī)計(jì)數(shù)器能對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，為了提高抗干擾能力，整形電路用比較器LM311組成的正反饋反相輸入滯后比較電路。調(diào)節(jié)R10改變偏置電壓，使輸出的方波效果最佳。反饋電阻R11可調(diào)，從而改變正反饋電壓，比較器具有一定的遲滯特性，可提高抗干擾能力。圖2.8剎車踏板角度測(cè)量電路圖 (3) 單片機(jī)控制電路通過單片機(jī)的P1口狀態(tài)來控制各信號(hào)燈，采用ULN2003來驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈，其內(nèi)部是達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，輸出端允許通過的IC電流為200mA，飽和壓降約為36V，輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算約為

38、100左右。單片機(jī)可根據(jù)傳感器所得到的角度信號(hào)來判斷當(dāng)前汽車的行駛狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)P1口發(fā)出控制信號(hào)，當(dāng)信號(hào)燈所對(duì)應(yīng)的 I/O口置1時(shí)，則該信號(hào)燈處于亮的狀態(tài)；反之，信號(hào)燈則處于滅的狀態(tài)，通過簡單的最小系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制電路如圖2.9所示。圖2.9單片機(jī)控制電路圖2.4 系統(tǒng)軟件部分汽車轉(zhuǎn)向燈控制系統(tǒng)實(shí)際上是根據(jù)車燈的狀態(tài)信息及駕駛員對(duì)車燈狀態(tài)的要求來實(shí)現(xiàn)的。具體控制思想如下:在系統(tǒng)啟動(dòng)并進(jìn)行初始化以后,定時(shí)器及中斷系統(tǒng)被啟動(dòng)并周期地對(duì)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù), 根據(jù)診斷結(jié)果判斷車是否轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)彎方向以及是否剎車, 決定燈組怎么顯示和是否工作。2.4.1 程序流程圖系統(tǒng)軟件采用MCS-51 匯

39、編語言編寫，程序清單分為四部分：第一部分是初始化程序；第二部分是方向盤旋轉(zhuǎn)角度處理程序；第三部分是信號(hào)燈控制程序；第四部分是剎車踏板判斷程序。系統(tǒng)中利用1S延時(shí)子程序來以實(shí)現(xiàn)低頻（1Hz）閃爍功能，程序流程圖見附錄2。2.4.2 程序清單及注釋/*初始化程序*/ORG 0000HLJMP MAINORG 0030HMAIN: BITREG1 DATA 20H ；可位尋址的存儲(chǔ)空間OLDHALIA BIT BITREG1.0 ；用于判斷A是否翻轉(zhuǎn)OLDHAL3144B BIT BITREG1.1 ；用于判斷B是否翻轉(zhuǎn)BITX BIT BITREG1.2 ；用于做“位異或”BITY BIT BIT

40、REG1.3BITZ BIT BITREG1.4 BITBR BIT BITREG1.5HAL3144A BIT P3.2 ；3144A輸入口HAL3144B BIT P3.3 ；3144B輸入口HAL3515 BIT P3.4 ；3515 輸入口MOV TMOD,#60H ；T0工作于計(jì)數(shù)方式2MOV TH0,#3CH ；置剎車踏板角度臨界值MOV TL0,#0BHSETB TR0 ；啟動(dòng)T0工作 MOV R7，30H ；置方向盤未轉(zhuǎn)彎時(shí)角度初值MOV P1，#00H ；初始時(shí)信號(hào)燈全滅/*方向盤旋轉(zhuǎn)角度處理程序*/LOOP: MOV C, HAL3144A ；判斷A是否跳變 MOV BIT

41、X,C MOV C,OLDHAL3144A MOV BITY,C LCALL BITXOR MOV C,BITZ JC POSPROA ；A有跳變，則調(diào)用角度處理函數(shù) MOV C,HAL3144B ；判斷B是否跳變 MOV BITX,C MOV C,OLDHAL3144A MOV BITY,C LCALL BITXOR MOV C,BITZ JC POSPROB ；B有跳變，則調(diào)用角度處理函數(shù) LJMP LOOP ；繼續(xù)查詢傳感器輸入POSPROA: LCALL POSPROC LJMP LOOPPOSPROB : LCALL POSPROCBITXOR : MOV 30H,BITX ；做異或

42、運(yùn)算，判斷是否跳變 MOV 31H,BITYXOR 30H,31H MOV BITZ,30HPOSPROC: MOV C,HAL3144A ；霍爾傳感器A跳變后判斷B狀態(tài) XOR C,HAL3144B JC APOSINC APOSDEC: DEC R7 ； A與B一致為左轉(zhuǎn)向，角度計(jì)數(shù)器減1操作 CJNE R7, #15H,LEFT ；跳入左轉(zhuǎn)彎分支 LJMP H3144AENDAPOSINC: INC R7 ；A與B不一致為右轉(zhuǎn)向。角度計(jì)數(shù)器加1操作 CJNE R7, #45H,RIGHT ；跳入右轉(zhuǎn)彎分支LJMP H3144AENDH3144AEND: MOV C,HAL3144A ；將

43、值保存，用于下次比較 MOV OLDHAL3144A,C LJMP MAIN/*信號(hào)燈控制程序*/LEFT : LCALL AGIN CJNE BITBR, #0 ,LEBR ；判斷是否剎車MOV P1，#1AH ；左轉(zhuǎn)彎分支 LCALL Y1S MOV P1，#00H LCALL Y1S LJMP MAINRIGHT: LCALL AGIN CJNE BITBR, #0 ,RIBR ；判斷是否剎車MOV P1，#29H ；右轉(zhuǎn)彎分支 LCALL Y1S MOV P1，#00H LCALL Y1S LJMP MAINLEBR: MOV P1，#75H ；左轉(zhuǎn)彎剎車分支 LCALL Y1S MO

44、V P1，#50H LCALL Y1S LJMP MAINRIBR: MOV P1，#75H ；右轉(zhuǎn)彎剎車分支 LCALL Y1S MOV P1，#60H LCALL Y1S LJMP MAINBRAKE: MOV P1,#70H ；剎車分支 LJMP MAINSTOP: MOV P1,#73H ；停車分支 LCALL Y1S MOV P1,#40H LJMP MAIN/*延時(shí)1秒子程序*/Y1S: MOV R6,#04H Y1S1 : MOV R5,#0FFHY1S2: MOV R4,#0FFH DJNZ R4,$ DJNZ R5,Y1S2 DJNZ R6,Y1S1 RET/*剎車踏板判斷子

45、程序*/AGIN: JBC TF0，BRAKE ；剎車即TF0=1，并清TF0 MOV BITBR,#1 ；剎車標(biāo)志位置1 SJMP AGAIN ；未剎車，繼續(xù)查詢TF0 RET2.4.3 系統(tǒng)各部分程序功能說明(1)初始化程序 對(duì)各變量、傳感器的輸入口進(jìn)行定義，設(shè)置T0工作為計(jì)數(shù)方式2，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，并對(duì)方向盤未旋轉(zhuǎn)及剎車踏板角度的臨界值進(jìn)行設(shè)置。(2)方向盤旋轉(zhuǎn)角度處理程序 當(dāng)方向盤居于中間位置時(shí)，即傳感器A和B的輸出未發(fā)生跳變，寄存器R7的值不變化。通過P3.2和P3.3的輸入是否變化來判斷方向盤是否旋轉(zhuǎn)，對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)而得到旋轉(zhuǎn)角度，對(duì)A跳變后，A、B兩傳感器的輸出是否相同來判斷旋轉(zhuǎn)方向，若A、B兩傳感器的輸出電平同向（同為高電平或者同為低電平），則進(jìn)入左轉(zhuǎn)彎分支，反之則為右轉(zhuǎn)彎。(3)信號(hào)燈控制程序 單片機(jī)的P1口通ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片來對(duì)7個(gè)信號(hào)燈控制，調(diào)用1S的延時(shí)子程序即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的閃爍功能。該程序共有左轉(zhuǎn)彎分支、右轉(zhuǎn)彎分支、左轉(zhuǎn)彎時(shí)剎車分支、右轉(zhuǎn)彎時(shí)剎車分支和剎車分支，能夠很好的實(shí)現(xiàn)汽車不同行駛狀態(tài)信號(hào)燈的顯示。(4)剎車踏板判斷程序當(dāng)未踩下剎車踏板時(shí)，傳感器無輸出，計(jì)數(shù)器T0不計(jì)數(shù)，剎車標(biāo)志位BITBR為0，當(dāng)剎車踏板的角度達(dá)到預(yù)定的值時(shí)，計(jì)數(shù)器溢出，產(chǎn)生中斷，剎車標(biāo)志位BITBR置1。T0是處于計(jì)數(shù)方式2的工作狀態(tài)，可以自動(dòng)重新