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基于STC15系列安全监测智能车

renazan2000
专家
2013-01-22 14:45:09     打赏

作者：内蒙古科技大学 曹福意 齐耀旭 杨鹏
指导教师：郭宇

　　产品简介

　　1.1课题背景
　　随着汽车在日常生活中的普及，人们对汽车多功能性的需求也越来越多。在这些需求当中重中之重的是汽车的安全性能，这关系到生命的安全。就此我们对汽车的安全性能进行创新设计，根据超声波实际的功能安装在汽车上用于测距，对于驾驶者来说这是一个贴心的设计，不仅为驾驶者带来了保障，也为行人带来了安全。为了安全的进一步提升又加入了红外线避障，通过对光的灵敏度来为汽车加上双重保险，此外还有霍尔元件的测速显示来提示驾驶员超速问题。

　　1.2结构说明
　　根据系统的设计要求作品分为7个模块，具体如图1所示。　　

 

　　(1)解码接收遥控模块：
　　接收模块一共有八个外部接口，“5V”表示接电源正极，“ D0、 D1、 D2、 D3”表示输出，“GND”表示接电源负极，“ANT”表示接天线端。
　　(2)液晶显示模块：
　　模块采用1602液晶显示作为人机交互的界面，通过液晶屏可以很直观的看到超声波测试的距离和霍尔元件测出的速度值。
　　(3)L298N模块:
　　L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
　　(4)超声波测距模块：
　　HC-SR04超声波测距模块可提供2CM-400CM的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
　　(5)霍尔元件测速模块：
　　霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，这里采用的是3144型号的传感器，它是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路(OC)门输出。
　　(6)红外避障模块：
　　红外避障是红外线发射管与红外线接受管。红外线接受管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
　　1.3功能与使用说明
　　具体功能与使用如下图2和图3所示　　

　
 

　　(1)功能：
　　本产品可以实现用遥控的方式控制小车的前进，后退，左转向，右转向，用液晶1602来显示超声波测距的数值和霍尔元件测出的速度值。当安全距离小于30cm时，汽车会通过主控自动做出反映，是否采取反方向行驶的措施，来确保行人的安全。由于汽车的惯性问题，红外线对管的灵敏检测功能无疑是对汽车的双重保障。
　　(2)使用说明：
　　本作品采用双6V开关电源电池盒，一个用于主控电源，另一个用于小车驱动电机电源。接通电源后按一下单片机的复位开关，此时我们可以看到液晶显示屏上出现的前后超声波测距数值和霍尔元件的测速值，遥控按键C是前进，A是后退，D是左转向，B是右转向，然后便可以测试小车的各项功能。

　　平台选型说明

　　2.1 主控制模块
　　本模块采用比赛所要求的最新STC15系列IAP1F2K61S2，其原理图和实物图如
　　图4、图5所示　　

 

　　本模块采用比赛所要求的最新STC15系列IAP15F2K61S2。IAP,在系统可编程/在应用编程，无需编程器，无需仿真器，可当仿真器使用。增强型8051CPU，1T，单时钟/机械周期，速度比普通的快8-12倍。61K字节片内FLASH程序存储器，擦写次数10万次以上。片内大容量2048字节的SRAM,共8通道10位高速ADC,速度可达30万次每秒，3路PWM还可当3路A/D使用。共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA),内部高可靠抚慰，8极可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路。内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz-35MHz可选。各种接口扩展齐全。两组高速一步串行通信接口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串行口使用。一组高速异步串行通信端口SPI，一根幼稚USB线实现系统供电、程序下载、通信功能。
　　单片机芯片配置40引脚STC系列插座，采用STC15系列IAP15F2K61S2。
　　显示模块配置8路LED输出，配置8位8段共阳数码管，配置LCD1602、LCD12864和TFT液晶接口
　　输入/输出模块配置4*4键盘矩阵，其中16个按键可通过跳线配置为独立按键，配置ULN2003功率放大器，驱动继电器、蜂鸣器、步进电机、直流电机。
　　传感模块配置红外一体投1838及红外发射管，配置光敏电阻和数值温度传感器DS18B20接口。
　　电源可以是USB和外接8-12V直流电源双电源供电。通信功能板接USB转串口和RS232串口，单总线扩展，可以外接其他单总线接口器件，I2C总线。

　　设计说明

　　3.1设计要求
　　(1)解码接收遥控模块和L298N电机驱动可以控制小车的前进，后退，左转向，右转向，小车可以流畅的任何方向的行驶来达到我们预期的要求。
　　(2)红外线对管模块在不断的调试下可以在任何光强作用下灵敏的做出反映，来达到我们对小车制动的控制。
　　(3)超声波测距模块的测距值要灵敏精确，当小车行驶到安全距离时，可以快速的反映给主控，然后主控在做出判断是否要继续前进还是后退。
　　(4)霍尔元件在对准磁钢的情况下获得脉冲的反映要快速准确，精确的计算出小车的速度。
　　(5)液晶1602的屏幕要干净整洁，易于观察测出的距离和速度值。
　　(6)主控部分引脚接线整洁，易于操作。
　　3.2系统硬件电路设计
　　3.2.1 HC-SR04超声波测距模块
　　VCC供5v电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出。模块如图6所示　　

 

　　HC-SR04超声波测距模块可提供2CM-400CM的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：才用IO口TRIG出发测距，给至少10us的高电平信号;模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回;有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;电气参数，时序图如图所示　　

　　 

　　3.2.2 红外避障模块
　　原理图，PCB图，实物图如图8，图9，图10所示　　

　
 
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关键词： 基于     STC15     系列     安全     监测     智能     超声波         

halibote523
专家
2013-01-22 15:05:36     打赏
2楼
做好了也是不错的！！

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renazan2000
专家
2013-01-22 15:05:53     打赏
3楼

　　3.2.3 XD-YK04解码接收遥控模块
　　工作电压(V)： DC5V
　　静态电流(mA)： 4.5MA
　　调制方式：调幅(OOK)
　　工作温度： -10℃~+70℃
　　接收灵敏度(dBm)： -105DB
　　尺寸(LWH)： 41*23*7mm
　　工作频率(MHz)：315、433.92MHz(266-433MHZ频率段可任选)
　　编码方式：焊盘编码(固定码)
　　工作方式：M4(点动：按住不松手就输出，一松手就停止输出)、L4(互锁：四路同时只能有一路输出)、T4(自锁：四路相互独立输出、互不影响，按一下输出再按一下停止输出)
　　脚位及使用说明和实物说明如表2，图11所示：　　

　
 

　　3.2.4 霍尔元件测速模块
　　传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路(OC)门输出，工作电压范围宽。如图12所示　　

 

　　测速电路的信号获取部分，在电源输入端并联电容C2用来滤去电源尖啸，使霍尔元件稳定工作。HG表示霍尔元件，采用CS3144，在霍尔元件输出端(引脚3)与地并联电容C3滤去波形尖峰，再接一个上拉电阻R2，然后将其接入LM324的引脚3。用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件输出电压与电位器RP1比较得出高低电平信号给单片机读取。C4用于波形整形，以保证获得良好数字信号。LED便于观察，当比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。微型电机M可采用直流型，通过电位器RP1分压，实现提高或降低电机转速的目的。C1电容使电机的速度不会产生突变，因为电容能存储电荷。
　　电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：
　　当“+”输入端电压高于“-”输入端时，电压比较器输出为高电平;
　　当“+”输入端电压低于“-”输入端时，电压比较器输出为低电平;
　　比较器具有整形的作用，利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输出信号，不会丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。原理图、PCB、实物图如图13，图14，图15所示　　

　
 

　　3.2.5 L298N驱动模块
　　L298N驱动模块，可以直接驱动两路3-30V直流电机，并提供了5V输出接口，可以给5V单片机电路系统供电，至此3.3VMCU控制，可以方便的控制直流电机的速度和方向，也可以控制2想步进电机。实物和原理如图16，图17所示 。
　　参数：
　　1.驱动芯片 L298N双H桥驱动芯片
　　2.驱动部分端子供电范围VMS：+5 --- +30V
　　3.驱动部分峰值电流Io:2A
　　4.逻辑部分端子供电范围Vss:3.3-5.5V
　　5.控制信号输入电压范围:高电平4.5-5.5V 低电平0V
　　IN1-IN4接单片机，ENA,ENB可以用跳线帽选择接高电平或者用单片机控制，IN1-IN4提供4个跳线帽选择是否接10K上拉电阻，out1-out2接直流电机1，out3-out4接电机2。　　

 

　　L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表3是L298N功能逻辑图。In3，In4的逻辑图与表3相同，由表3可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。　　

 

　　(1)虚线框图1控制电机正反转，U1A，U2A是比较器，VI来自炉体压强传感器的电压。当VI>VRBF1时，U1A输出高电平，U2A输出高电平经反相器变为低电平，电机正转。同理VI
　　(2)虚线框图2中，U3A，U4A两个比较器组成双限比较器，当VBVA，VI
　　(3)虚线框图3是一个长延时电路。U5A是一个比较器，Rs1是采样电阻，VRBF2是电机过流电压。Rs1上电压大于VREF2，电机过流，U5A输出低电平。由上面可知，框图1控制电机正反转，框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时，电动机转到两端固定位置停止，根据直流电机稳态运行方程[3]：U=CeФN+RaIa
　　其中:Ф为电机每极磁通量;
　　Ce为电动势常数;
　　N为电机转数;
　　Ia为电枢电流;
　　Ra电枢回路电阻。
　　3.2.6 液晶1602显示模块
　　1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM，显示效果也不好)。　　1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。 实物图如图19所示　　

 

　　1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高(对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。 引脚图如图20所示　　

 

　　3.3系统软件设计　　

 

　　产品特色

　　4.1实用性
　　本作品的实用性很强，它可以应用在现在各种各样的汽车上，利用超声波、红外线、测速元件和遥控装置确保了人们的生命安全，也为以后新型概念汽车打下夯实基础。这些功能的实施必将受到汽车生产厂家的制造和生产，为人们在汽车行业的应用引导更加美好的生活质量和服务质量。

　　4.2创新性
　　使汽车的安全性得到了双重保障，不再是单一的重复“倒车请注意”......,而是在本质上对汽车进行了改进，在超声波测距安全距离内，汽车是不会出现任何的交通故障，更不会危害到他人的生命安全。红外线对光感应的良好灵敏度，使汽车在遇到障碍时会做出制动反映，进一步提升了安全系数。还有未来遥控汽车的设计必将是我们未来研究的方向，如何精确的遥控，零误差零延时遥控，远距离无线遥控将是我们突破的重中之重。以上的这些都是本设计的创新性所在。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2584


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