基于TI处理器C2000的自主探测公交车.doc
论文格式*注意：此为封面格式*2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目：基于TI处理器C2000的自主探测公交车学校： 中国地质大学（武汉）指导教师： 组别： 本科组 应用类别： 低功耗应用类兼有控制系统类 平台： C2000 *注意：此为正文起始格式正文和附录中均不得大段复制源代码和原理图，只允许能充分体现创新方法或关键设计的少量源代码示例和原理图，滥用源代码和原理图的，评委有权扣分。正文+附录尽量控制在20页内，超过25页的部分不会被阅读*题 目：基于TI处理器C2000的自主探测公交车摘要（中英文） 本设计是基于TI处理器C2000 的 一款自主探测太阳能公交车，一方面是自主探测式的公交车，还有一方面就是最大限度利用太阳能作为公交车备用能源及他用，不仅省人力，还无污染利用太阳能。自主探测公交车应用前景较广，未来在利用太阳能方面有很实际的价值，适合社会的需要，是一款经济型，自主型，便利性的公交车。关键词：C2000 太阳能 自主探测Abstract: Based on the TI MCU C2000,we designed an auto-detected bus using solar energy, on one hand it is a auto-detected bus, on the other hand it can make the best use of solar energy and reserve it for other use ,saving labor power and utilizing solar energy without pollution . Auto-detected bus ,which owns a wide prospect and has a practical value in solar energy ,adapted to high developing society now, it is really economic ,automatic and convenient bus.Key words：C2000 Solar energy Auto-detected 1. 引言1.1设计背景:如今基本所有的城市公交都实现了无人售票，但还没有真正实现无人驾驶的的公交车，更不用说有利用太阳能作为备用能源的公交车。现在大多数公交除了利用燃油，还有就是利用天然气和电能，这些公交车都或多或少都会排放污染物及废物等，且都是人为控制的，司机在常年长时间的驾驶中难免不会出现失误和疲劳驾驶，这样会导致交通事故，对乘客的上下车计数都是人为统计，难免不会出现错误。基于这些考虑，我们设计这一款自主探测式的公交车.1.2.目的分析：我们设计的自主探测公交车应用前景较广，未来在利用太阳能方面有很实际的价值，适合社会日益高速发展的需要，是一款经济型，自主型，便利性的公交车。1.3解决问题： 减少事故发生，实现智能化，还能充分利用自然资源，如太阳能 。 2. 系统方案 本系统主要分为11个模块：车体框架、TI处理器最小系统、电机驱动模块、红外循迹探测模块、红外避障模块、升压电路模块、太阳能采集及控制模块、舵机控制模块、车站识别模块、电源模块、其他辅助功能模块。如图1图1 系统设计框图3. 系统硬件设计3.1.硬件模块设计： A:车体结构：采用美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件对车的大体结构进行绘制，对车身各项数据及设备进行了合理的布局。仿真图如图3.1。图3.1 B:最小系统: 本系统以TI处理器C2000为核心构建自护探测公交车系统。TI处理器C2000性能高速、能实现实时信号控制器，具有优越的抗干扰性能，丰富的片上资源，接口和总线配备，专门的电机驱动单元，拥有出色的数字信号处理(DSP)性能，先进的中断处理能力，还拥有功能强大的片上外设和可靠的高性能片上内存，自动纠错能力强。且TI处理器C2000采用单电源供电，功耗远远小于传统单片机，能够适应各种环境，非常适合本控制系统。 C:电机驱动模块：我们采用了两套方案，一种是采用两个半桥智能功率驱动芯片BTS7960B组合成一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。BTS7960B是应用于电机驱动的大电流半桥集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。 P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减少了电磁干扰(EMI)。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超温、过压、欠压、过流及短路保护功能。BTS7960B的通态电阻典型值为16 m，驱动电流可达43 A，调节SR引脚外接电阻的大小可以调节MOS管导通和关断时间，具有防电磁干扰功能。IS引脚是电流检测输出引脚。INH引脚为使能引脚，IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。当IN=1 且INH=1时，高边MOSFET导通，输出高电平；当IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，输出低电平。通过对下桥臂开关管进行频率为25 kHz的脉宽调制(PWM)信号控制BTS7960B的开关动作，实现对电机的正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。另一种是用英飞凌公司提供的IPP60R950C6这种NMOS管搭建的一个驱动电路（如图3.2），由于P沟道MOS管的品种少、价格较高，导通电阻和开关速度等都不如N沟道MOS管，因此最理想的情况应该是在H桥的4个桥臂都使用N沟道MOS管。图3.2D: 红外循迹探测模块：采用ST188实现基本的循迹功能，也就是说我们需规定一个公交车的预走路线，使其能按着规定的路线循迹行走，这样更系统，有规律可循。本设计采用4个ST188（如图3.3）循迹，2个辅助循迹，当行走路线变宽后，通过开关控制辅助哦2个红外传感器使其工作，这样方便实现公交车稳定循迹。这里我们也同样采用一个英飞凌公司NMOS管做开关用，NMOS管栅级接一路PWM波控制开/关。如图3.3E: 红外避障模块：采用了两个E3F-DS30C4（如图3.4-右边为实物图）光电开关，通过反射的原理实现对障碍物的检测，供电电源6V-36V，可检测距离至少为30cm，稳定性较好，外围电路简单，操作方便。 图3.4F: 升压电路模块：采用TI公司的TPS61175（图3.5）作为升压电路主控芯片，该芯片输入在2.9V-18V,可以做为5V，12V的开关电源，效率较高，稳压性能较好，输出可以最高达到38V电压，非常适合做升压电路模块。图3.5G: 太阳能采集及控制模块（图3.6）：关于这个模块我们设计了两套方案：第一套方案：首先对太阳能电池采集的太阳能通过升压电路升到15V，然后经过TI公司LM7815稳压，最后给蓄电池充电做备用。这个过程需要对太阳能升压电路的电压进行监测，用TI公司LM324比较器可以实现，同样对输出电压和电流也经过TI公司LM324进行监测。其中还用到IPP60R950C6NMOS管做一个开关对输出电压实现过压保护，如果输出电压过大，这用PWM波控制IPP60R950C6的栅极使其关闭，这样可以很安全地控制整个电路，对其实现保护的功能。关于太阳能电池，这里我们采用的是多晶硅的太阳能电池，共两块，每一块的最大输入电压是9V，最大输入电流170mA，之所以选择多晶硅太阳能电池，是因为比起非晶硅和单晶硅电池，它转换效率相对来说比较高，一般非晶硅转换效率在8%左右，单晶硅转换效率在10%-15%左右，而多晶硅转换效率在12%-16%。图3.6H：舵机控制模块：采用S3010舵机（图3.7及舵机实物图）。主要是用来对前轮转向的控制。该舵机利用输入的PWM波来控制转角（关系如图3.8），脉冲周期一般选20ms左右。 图3.7 图3.8舵机转角与脉宽的关系I: 车站识别模块：采用常开的干簧管（如图3.9）识别车站的磁性的物质，如识别到该物质，则有原来的低电平变到高电平，通过P10.3口对该上升沿进行监测，这样监测到该信号时，控制车向车站靠近，并停留一段时间后继续行驶。图3.9J：电源模块（包括5v，6v，3.3v）：电源管理模块有用到TI公司TL1963产生5V，6V的电源供应，他们都是来源于7伏的电池供电的。其中还有一个4V电池供电，还有KIS-3R33S电源供3V左右的电，可以满足不同的电源需求。如图3.10 如图3.10电源模块电路K: 其他辅助功能模块 a:温度检测（图3.11）采用TI公司DS18B20芯片，测量温度范围在55摄氏度到125摄氏度之间，具有线路简单，体积小的特点。最大转换时间为750 ms，转换分辨率可由用户设定，并能长期保存。能够实时监测环境温度，精确度能达到0.0626，并且可以适应较为复杂的环境。系统将测得的温度数据在四位数码管上输出显示，显示精度为两位有效数字，电路如图所示。图3.11图温度传感器DS18B20及其显示电路b:湿度检测（图3.12） 采用DHT11数字温湿度传感器.DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高，超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，适合对公交车内湿度检测。 图3.12湿度传感器DHT11及外形图3.2系统软件设计A：控制系统：（图3.2）软件设计的目的是通过TI处理器C2000对规定的道路进行检测，并对车站进行识别，检测是否有车站的信息，并进行相应控制。软件检测的内容主要包括道路检测，红外避障检测，车站识别监测，车内温湿度监测，太阳能电路电压及充电电路电压和电流的监测等；软件控制的主要内容包括电机控制，舵机控制，显示控制等.软件设计主要是主程序的设计和中断程序的设计。车站和避障检测需要迅速响应，需要在中断程序中实现。而主程序主要负责路面状况检测、电机与舵机控制车内温湿度检测以及液晶显示。控制系统的总体结构如图所示。太阳能电路监测车站识别TI高性能低功耗处理器C2000 F28027红外传感舵机控制中断响应电机控制液晶显示车内监测（温湿度监测）红外避障图3.2控制系统总体结构图B.子模块程序图设计（如图3.3 ）：十字路口识别流程图： 判断是否进入十字路口读取预存的路线值根据预存的路线进行转向控制返回寻迹判断是否出路口进行转向控制路口计数值加1返回图3.3十字路口识别流程图遇障处理流程图（图3.4）：读取超声波传感器的数据软件控制去除抖动判断分析是否遇到障碍判断是何处位置的障碍实现停车或是避开障碍的动作车灯闪烁蜂鸣器报警停车延时，关闭车灯与蜂鸣器返回图3.4遇障处理流程图传感器避障及循迹流程（图3.5） 图3.5传感器避障及循迹流程车站识别及人数计算图（3.6） 图3.6车站识别及人数计算流程太阳能电压监测（如图3.7）图3.7太阳能电压监测4. 系统创新4.1.基本目标（1）实现公交车在公路上稳定的寻迹行驶；（2）实现公交车对基本路面情况的判断，如十字路口，红绿灯，车站等；（3）实现公交车对紧急情况的处理，如遇障等；（4）实现对公交车内温度及湿度的数据采集并显示；（5）实现公交车对太阳能的采集并把太阳能储存；（6）实现对太阳能充电电路的电压采集及控制；4.2 创新点功能特性：（1）采用两MOSFET管搭建电机驱动及舵机控制，散热好，机动性好，效率高，稳定性好等特点； （2）具有红外避障功能，能够自主识别控制，平稳的转向、前进、后退。（3）太阳能采集电路控制，以及对电压和电流的监测及控制；（4）采集的太阳能可以供乘客乘车时手机充电等；（5）对车站的识别采用干簧管监测车站的磁性实现；（6）对车内的温度和湿度等情况进行监测并显示；4.3平台二次开发： 使用无线通信模块实现公交车与调度室的通信， 用公交车上的摄像头完成对公交车的远程监控； 实现公交车与PC机通讯，远程调度的功能； 实现公交车备用太阳能的多用途，供乘客手机等电子产品的短时间快速充电； 实现车内是视频监控，并实时反馈到调度室进行各项预案措施，如车内发生火灾，可以远程监控，并能采取一定的措施紧急施救与救援； 实现电子站台，电子站牌将在每条线路的出发点和站场外设置除了包括显示动态车辆信息、广告信息、公益信息外，通过公交车上同样的红外线技术统计出每辆车的进出站时间并反馈给服务器；更重要是第一时间将该公交车的发车时间在屏幕显示出来，让其决定是否改乘线路或推迟上车时间。乘客只需要发一条短信就可以知道该车运行情况等； 实现太阳能最大功率点(MPPT)跟踪监测，这样可以最大利用太阳能； 实现对太阳能电池阵列安装在公交车顶，并要有防震措施. 5. 评测与结论系统测试方法和达到的指标实验结果指标： (1) 车体长35.58.5，宽17.5，高22.57.2；（2）红外避障检测最大有效距离为：35cm左右 ；（3）湿度传感器监测的数据：测试情况是44%RH；（4）干簧管识别：能监测出模拟车站磁铁，我们设定是3个模拟磁铁均监测出并在显示器上显示出车站个数；（5）温度传感器：测试数据是28.5摄氏度（在实验室有空调的情况下）；（6）电机驱动水平：驱动46V以内，2A；（7）太阳能电池电压：在晴朗天气情况下测的太阳能电池为18.56V；（8）舵机控制：直走中心角度是11.25度，小左转是16.875度，小右转是5.525度，大左转是28.125度，大右转是负16，875度；（9）车门转向控制：能实现90度左右的转向。附录实物图：
