【文章內(nèi)容簡介】 到 汽車產(chǎn)業(yè)中，汽車在道路中行 駛，自動選取最優(yōu)路徑，可大大減少 對能源的浪費，并可以減少交通事故的發(fā)生， 但是必須有智能交通系統(tǒng)與之匹配 ， 智能交通技術(ITS)，是指將先進的信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、電子控制技術、計算機處理技術等應用于交通運輸行業(yè)從而形成的一種信息化、智能化、社會化的新型運輸系統(tǒng)，它使交通基礎設施能發(fā)揮最大效能。 智能交通系統(tǒng)具有以下兩個特點：一是著眼于交通信息的廣泛應用與服務，二是著眼于提高既有交通設施的運行效率 。 有組數(shù)據(jù) 我們看看： 隨著社會對汽車節(jié)能、環(huán)保、安全要求的日益嚴格以及人們對乘坐舒適性、駕駛便捷性要求的日益提 升，電子化、信息化、網(wǎng)絡化和智能化成為汽車產(chǎn)品先進性的重要體現(xiàn)。當前世界汽車工業(yè)約 70%的技術創(chuàng)新來源于電子技術的應用。 這更體現(xiàn)了小車研究的重要性。 本文主要研究工作 為本課題是一個多學科的綜合產(chǎn)物，主要包括電源，傳感器，步進電機，控制核心電路，機身 5個部分。傳感器就是 小車 的眼睛，用來獲取各方面的信息，送到 LM3S615（ 微控制器 ）中處理，然后驅動步進電機，由步進電機執(zhí)行相應的動作，包括加減速，轉彎，停止。 它能夠探索并記憶給定的迷宮，經(jīng)過處理后得出并沿著一條最佳路徑到達目的地。 我所做的工作是 完成該新型高速 智能車電控系統(tǒng)設計、安裝及調試，具體包括主驅動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)等的電路設計，實現(xiàn)車輛驅動系統(tǒng)的調速、車輛自動轉向和緊急制動停車等計算機控制電路。其次是對車上安裝的傳感器進行信號采集，并進行必要的信號前處理 以及整車的硬件組裝調試 等。 所研究的工作主要包括： 系統(tǒng)的需求分析：對現(xiàn)有的系統(tǒng)進行研究，確定系統(tǒng)的方案。 分布式系統(tǒng)的設計實現(xiàn)：分析了分布式系統(tǒng)的設計方法，根據(jù)系統(tǒng)的容西安工業(yè)大北方信息工程學院畢業(yè)設計（ 論文） 4 量選擇合適的控制器，并在此基礎上確定系統(tǒng)采用的分布式模型，完成系統(tǒng)的總體設計。 系統(tǒng)的硬件設計：選擇系統(tǒng)所需要的硬件， 完成硬件之間的連接，端口的分配等。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 5 2 自動走迷宮小車整體設計方案 自動走迷宮小車 及迷宮 簡介 迷宮底板的尺寸為 ，上面共有 88 個標準迷宮單元格。如圖 圖 迷宮 自動走迷宮小車 是使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構成的一種智能行走裝置 。 它可以在 “ 迷宮 ” 中自動記憶和選擇路徑，尋找出口，最終達到所設定的目的地。 小車 可謂是一種具有人工智能的小型機器人，當 小車 放入起點，按下啟動鍵之后，它就必須自 行決定搜尋法則并且在迷宮中前進、轉彎、記憶迷宮墻壁資料、計算最短路徑、搜尋終點等功能。 小車 需具備有下列三件基本能力： （ 1） 擁有穩(wěn)定且快速的行走能力； （ 2） 能正確判斷能力； （ 3） 記憶路徑的能力。 小車具有以下特點： （ 1） 體積小，寬度只有迷宮格的一半； （ 2） 五組可測距的紅外線傳感器，靈敏度方便現(xiàn)場調節(jié)； （ 3） 電機為步進電機，控制容易； （ 4） 電池為 2200mAh， 的可充電鋰電池； （ 5） 支持電池的電壓監(jiān)測，避免電量不足帶來的麻煩； （ 6） 一個按鍵，完全滿足了實際需要； （ 7） 預留了 6 個 GPIO 口，一個串口，一個 SPI 接口。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 6 系統(tǒng)整體 框圖 圖 如上圖 為系統(tǒng)整體框圖， 把小車放在迷宮中任意位置或者起點 時 ，在車頭的紅外線發(fā)收器發(fā)出信號，并由接收器收到， 把收到的信號 發(fā)送給微控制器LM3S615， 微控制器 由信號的強弱判斷車子的位置是否擺正 ， 前方 是否有障礙 ，處理過后微控制器給步進電機 驅動芯片 發(fā)出指令，步進電機 驅動芯片 驅動 步進電機 移動 小車的位置， 當車子移動后 ， 紅外 傳感器 發(fā)收信號， 傳 送給微控制器， 微控制器再判斷，再 給步進電機驅動芯片信號，驅動步進電機運動，這樣形成一個循環(huán)，使小車自動在迷宮中行走 。 數(shù)碼管共有 8個，第 1到 5數(shù)碼管分別指示 U1到 U5五個傳感器的狀態(tài)，第6個數(shù)碼管空閑，第 8個數(shù)碼管顯示電池的電壓。 鍵盤 復位電路 步進電機驅動芯片 步進電機 電源 LM3S615 微控制器 JTAG 紅外傳感器 數(shù)碼管顯示 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 7 3 自動走迷宮小車硬件電路 設計及功能 小車機械結構設計 普通 汽車一般由發(fā)動機、底盤、車身和電氣設備四個基本部分組成。我設計的小車也是如此，發(fā)動機就是小車的動力裝置，底盤就是小車的電路附著板，車身就是小車的整體框架，電氣設備就是小車的電路部分。有所不同的是普通的小車是由人控制的，這樣才能安全行駛，但是我做的這個小車是需要自動行走的，所以需要再添加探測模塊。 看看迷宮的尺寸： 迷宮底板的尺寸為 ，上面共有 88 個標準迷宮單元格。 再看看小車的大?。?寬度只有迷宮格的一半 。也就是說小車的寬度大概就是 8cm～ 9cm。從迷宮圖片和數(shù)據(jù)上看到，迷宮是一個正方形，而且整個迷宮又被分成了 64 個大小相同的正方形，根據(jù)小車所要達到的性能指標，小車在行駛的中必然會進行 90176。或 180176。的轉彎，所以小車的長度應不宜過長，小車的其中一個要求是： 擁有穩(wěn)定且快速的行走能力 ，要快速那么電機就應具備足夠的動力，動力越大意味著小車 的電機也就越大，設計中這是幾個個矛盾的問題。 第一：迷宮尺寸的限制，小車不能過長； 第二：小車的電機不能過小，要提供足夠的動力； 第三：保證用做簡單的機械結構完成設計。 折中的辦法就是減少小車轱轆數(shù)量，一般的汽車有四個轱轆，我這個小車使用兩個轱轆，采用兩個電機分別對兩個轱轆進行控制，這樣不但簡化了車子的機械結構，而且動力問題也就迎刃而解。再加上前面說的檢測單元。 結構如 圖 ： 圖 小車結構圖 檢測單元 電機 車身 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 8 動力裝置除了電機外還應包括給電機和整個系統(tǒng)供電的電源。小車在迷宮中行走我要時時掌握小車的具 體狀態(tài)，還應設計顯示單元。當小車在迷宮中行走的時候觀察者是鳥瞰整個過程，這就需要把顯示單元放在最上面，電源部分放在顯示和底盤中間，于是設計出以下的結構圖 ： 圖 小車結構圖 微控制器 微控制器簡介 本次畢業(yè)設計所用的微處理器是 Stellaris 系列的 LM3S615，它擁有 ARM 微控制器所具有的眾多優(yōu)點。如擁有廣泛使用的開發(fā)工具，片上系統(tǒng)（ SoC）的底層結構 IP 的應用，以及眾多的用戶群體。 LM3S615微 控制器還采用了 ARM 可兼容 Thumb174。的 Thumb2 指令集來降低內(nèi)存的需求量，進而降低成本。 LM3S615管腳圖： Stellaris 系列的 LM3S615共有 48個管腳。 圖 顯示單元 電源 底板電路部分 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 9 微控制器 LM3S615 特 性 LM3S615 微控制器包含以下的特性： （ a） 32 位 RISC 性能 RISC（ reduced instruction set puter，精簡指令集計算機）是一種執(zhí)行較少類型計算機指令的微處理器 。 RISC 微處理器不僅精簡了 指令系統(tǒng) ，采用超標量和超流水線結構；它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強了并行處理能力。 － 采用為小型嵌入式應用方案而優(yōu)化的 32 位 ARM174。 CortexTM M3 v7M 結構 － 可兼容 Thumb174。的 Thumb2 專用指令集處理器內(nèi)核，可提高代碼密度 － 50MHz 操作 － 硬件除法和單周期乘法 － 集成了嵌套向量中斷控制器以提供明確的中斷處理 － 29 個中斷，帶 8 個優(yōu)先級 － 內(nèi)存保護單元 (MPU)提供一個特權模式用于受 保護的操作系統(tǒng)功能 － 非對齊式的數(shù)據(jù)訪問，使數(shù)據(jù)可以有效地壓縮到內(nèi)存中 － 極細微的位處理操作 (bitbanding)可最大限度地使用內(nèi)存，并且提供創(chuàng)新的外設控制 （ b）內(nèi)部存儲器 － 32KB 單周期 Flash 用戶管理的 Flash 塊保護，以 2KB 塊大小為基礎 用戶管理的 Flash 數(shù)據(jù)編程 用戶定義和管理的 Flash 保護塊 － 8KB 單周期 SRAM （ c) 通用定時器 － 3 個定時器，每個都可配置為一個 32 位定時器或兩個 16 位定時器，或用來啟動一個 ADC 事件 － 32 位定時器模式： 可編程的單次觸發(fā) (oneshot)定時器 可編程的周期定時器 使用外部 時鐘作為輸入時的實時時鐘 在周期和單次觸發(fā)模式下進行調試期間，當控制器使 CPU 的暫停 (Halt)標志有效時的暫停操作 (stalling)可由用戶來控制使能 ADC 事件觸發(fā)器 － 16 位定時器模式 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 10 帶有 8 位預分頻器的通用定時器功能 可編程的單次觸發(fā)定時器 可編程的周期定時器 在調試期間，當控制器使 CPU 的暫停 (Halt)標志有效時的暫停操作(stalling)可由用戶來控制 使能 ADC 事件觸發(fā)器 － 16 位輸入捕獲模式 輸入邊沿計數(shù)捕獲 輸入邊沿時間捕獲 － 16 位 PWM 模式 簡單 PWM 模式， PWM 信號的輸出反相可由軟件編程 （ d）可遵循 ARM FiRM 規(guī)范的看門狗定時器 － 帶有可編程裝載寄存器的 32 位向下計數(shù)器 － 帶有使能的獨立看門狗時鐘 － 帶有中斷屏蔽的可編程中斷產(chǎn)生邏輯 － 提供鎖定寄存器保護，以防止軟件跑飛 (runaway)的情況 － 帶有使能 /禁能的復位產(chǎn)生邏輯 － 在調試期間，當控制器使 CPU 的暫停 (Halt)標志有效時的暫停操(stalling)可由用戶來控制使能 （ e) 同步串行接口 (SSI) － 主機或從機操作 － 可編程的時鐘位速率和預分頻 － 獨立的發(fā)送和接收 FIFO， 16 位寬、 8 單元深 － Freescale SPI、 MICROWIRE 或 Texas 工具同步串行接口的可編程接口操作 － 從 4 到 16 位的可編程數(shù)據(jù)幀大小 － 用于診斷 /調試測試的內(nèi)部回送測試模式 （ f) UART － 2 個完全可編程的 16C550類型 UART － 獨立的 16 8 發(fā)送 (Tx)和 16 12 接收 (Rx) FIFO，減少 CPU 中斷服務裝載 － 帶小數(shù)分頻器的可編程波特率發(fā)生器 － 可編程的 FIFO 長度，包含 1 字節(jié)深度的操作提供常用的雙緩沖接口 － FIFO 觸發(fā)點為 1/8, 1/4, 1/2, 3/4 和 7/8 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 11 － 用于起始、停止和奇偶的標準異步通信位 － 錯誤 起始 位檢測 － linebreak 的產(chǎn)生和檢測 （ g) ADC － 單輸入和差分輸入配置 － 當用作單端輸入時有 2 路 10 位通道（輸入） － 采樣速率： 500,000 次 /秒 － 靈活、可配置的模數(shù)轉換 － 4 個可編程采樣轉 換序列的入口長度為 1 到 8，同時帶有相應的轉換結果 FIFO － 每個序列由軟件或內(nèi)部事件（定時器，模擬比較器， PWM 或 GPIO）觸發(fā) （ h) 模擬比較器 － 3 個獨立集成的模擬比較器 － 可配置輸出來：驅動輸出管腳、產(chǎn)生中斷或啟動一個 ADC 采樣序列 － 將外部管腳輸入與外部管腳輸入相比或與內(nèi)部可編程的電壓參考相比 （ i) I2C － 在標準模式中，主機和從機接收和發(fā)送操作的傳輸速度高達 100Kbps；在高速模式中，傳輸速度高達 400Kbps － 中斷產(chǎn)生 － 主機具有仲裁和時鐘同步，多主機支持，以及 7 位尋址模式 （ j) PWM － 3 個 PWM 發(fā)生器模塊 (每個 PWM 發(fā)生器模塊產(chǎn)生兩個 PWM 信號 )，每個模塊具有一個 16 位計數(shù)器、兩個比較器、一個 PWM 發(fā)生器和一個死區(qū)(deadband)發(fā)生器 － 一個 16 位計數(shù)器 在 Down 或 Up/Down 模式中運行 16 位裝載值控制的輸出頻率 可同步進行裝載值的更新 在到達零和裝載值時產(chǎn)生輸出信號 － 兩個比較器 同步進行比較器值的更新 匹配時產(chǎn)生輸出信號 － PWM 發(fā)生器 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 12 根據(jù)計數(shù)器和比較器輸出信號執(zhí)行的操作來構造