汽車駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、第六屆信息技術(shù)應(yīng)用水平大賽基于OMO2傳感器的汽車駕駛輔助系統(tǒng)學(xué) 校：參賽隊(duì)員：專 業(yè)：指導(dǎo)教師：摘要：此系統(tǒng)是基于OMO2傳感器的汽車駕駛輔助系統(tǒng)，主要包括速度檢測(cè)模塊、向心力采集模塊、底盤模擬模塊和前大燈模擬模塊。采用OMO2傳感器采集信息，通過C8051F020處理數(shù)據(jù)，從而通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)底盤和前大燈的角度，同時(shí)檢測(cè)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)PWM波占空比來穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：單片機(jī) OMO2傳感器 汽車 目錄1、設(shè)計(jì)背景42、系統(tǒng)方案42.1 微控制模塊52.2光學(xué)傳感器芯片及鼠標(biāo)控制器52.3 P/S2信協(xié)議原理62.4 OMO2數(shù)據(jù)處理72.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)82.6 系統(tǒng)顯

2、示模塊93、產(chǎn)品簡介94、產(chǎn)品特色125、總結(jié)12參考文獻(xiàn):13附錄：141、設(shè)計(jì)背景汽車電子是車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的總稱。車體汽車電子控制裝置，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)（車身電子ECU）。汽車電子最重要的作用是提高汽車的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和娛樂性。汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命，汽車電子化的程度被看作是衡量現(xiàn)代汽車水平的重要標(biāo)志，是用來開發(fā)新車型，改進(jìn)汽車性能最重要的技術(shù)措施。汽車制造商認(rèn)為增加汽車電子設(shè)備的數(shù)量、促進(jìn)汽車電子化是奪取未來汽車市場(chǎng)的重要的有效手段。盡管現(xiàn)在的汽車電子已經(jīng)很發(fā)達(dá)了，但是還有一些問題還沒有很好的解

3、決。比如很多新手在駕駛手動(dòng)擋的汽車時(shí)由于油門和離合器的結(jié)合不好而導(dǎo)致突然熄火，這種情況如果發(fā)生在中途行駛時(shí)尤其在汽車上坡的時(shí)候是非常危險(xiǎn)的。而我們?cè)O(shè)計(jì)的汽車駕駛輔助系統(tǒng)就可以采集當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載從而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率來避免汽車突然熄火。還有就是汽車在夜間行駛時(shí)，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向的時(shí)候由于汽車的前大燈不能夠及時(shí)的跟著汽車轉(zhuǎn)向，從而在前側(cè)面會(huì)造成一定的盲區(qū)。如果在這個(gè)盲區(qū)里有人或者其他的東西，這樣司機(jī)就不會(huì)很早的發(fā)現(xiàn)從而也埋下了駕駛的安全隱患。很多汽車都配備了空氣懸掛系統(tǒng)，但是空氣懸掛系統(tǒng)也僅僅用來提高在比較顛簸路段的舒適性。而我們可以用OMO2傳感器來測(cè)量出汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)的向心力通過控制

4、系統(tǒng)結(jié)合空氣懸掛使汽車地盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定的傾角，使向心力和重力的合力垂直于座位這樣的話人們?cè)谧嚨臅r(shí)候就不會(huì)感覺向心力了。在下面我簡要的說明一下設(shè)計(jì)的汽車駕駛輔助系統(tǒng)：我們?cè)O(shè)計(jì)的汽車駕駛輔助系統(tǒng)，有兩個(gè)OMO2傳感器、一個(gè)直流電機(jī)、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、一塊c8051f020的核心板和一塊12864構(gòu)成。該系統(tǒng)由OMO2傳感器采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)核心板經(jīng)過單片機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。當(dāng)本系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，12864會(huì)顯示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入電機(jī)的PWM占空比，當(dāng)增大直流電機(jī)的阻力時(shí)，單片機(jī)給直流電機(jī)輸入PWM波的占空比會(huì)自動(dòng)增大，從而穩(wěn)定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。按下按鍵1，該系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)到轉(zhuǎn)向模式。當(dāng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向模式時(shí)，轉(zhuǎn)

5、動(dòng)輪子前大燈會(huì)以一定的角度跟著方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到提前改變燈向。當(dāng)行駛在彎道時(shí)，為了事人們坐的更舒服，整個(gè)系統(tǒng)的傾角會(huì)發(fā)生一定的改變，底盤會(huì)根據(jù)車速和彎道的弧度，檢測(cè)到向心力的大小，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)整個(gè)底盤的角度進(jìn)而使底盤的合力垂直于底盤的平面。2、系統(tǒng)方案我們?cè)O(shè)計(jì)的本系統(tǒng)是采用模擬方式來演示的：我們用直流電機(jī)來模擬成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)該直流電機(jī)的阻力增大時(shí)就相當(dāng)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加，此時(shí)單片機(jī)通過增加PWM波占空比來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出功率從而保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)減小。我們?cè)诓竭M(jìn)電機(jī)上接上一個(gè)底板來模擬汽車地盤，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)與水平面有一定傾角的時(shí)候這個(gè)底板通過調(diào)節(jié)角度來始終保持水平，這樣就相當(dāng)于當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向

6、的時(shí)候通過調(diào)節(jié)地盤的角度來改變合力的方向。我們將燈也接在步進(jìn)電機(jī)上，當(dāng)轉(zhuǎn)向的角度發(fā)生改變時(shí)步進(jìn)電機(jī)通過轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度來改變燈照射的范圍從而消除盲區(qū)。我們用了兩個(gè)OMO2傳感器，其中一個(gè)OMO2傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí)則單片機(jī)會(huì)自動(dòng)增加PWM波的占空比。還有一個(gè)傳感器是用來測(cè)量向心力，用了兩個(gè)橡皮筋將OMO2傳感器固定，當(dāng)受到到的力不平衡時(shí)OMO2傳感器將會(huì)有一定的位移并且根據(jù)彈簧的比例系數(shù)該位移量是和向心力成正比的。單片機(jī)通過采集OMO2傳感器的位移量來確定向心力從而調(diào)整地盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。2.1 微控制模塊C8051F020是一種集成度高、功能強(qiáng)的單片機(jī)芯片，適合于要

7、求可靠性高、速度快和擴(kuò)展功能強(qiáng)的應(yīng)用系統(tǒng)。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功能，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高。C8051F020的JTAG邏輯還可為在系統(tǒng)測(cè)試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制可以對(duì)所有器件引腳、SFR總線和IO口的弱上拉功能實(shí)現(xiàn)觀察和控制。由于C8051F020是51單片機(jī)中速度最快的單片機(jī)，本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)大大提高系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。又有51的內(nèi)核方便的移植其他的51程序縮短了開發(fā)周期。同時(shí)C8051F020的JTAG邏輯使整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試更加簡單明了。2.2光學(xué)傳感器芯片及鼠標(biāo)控制器這款光學(xué)OMO2傳感器是一款針對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)所

8、配置的非接觸式光電鼠標(biāo)芯片。它集成有數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、雙通道正交輸出端口等。在芯片底部有一個(gè)感光眼，能夠不斷的對(duì)物體進(jìn)行拍照，并將前后兩次圖像送入DSP中進(jìn)行處理，得到移動(dòng)的方向和距離。DSP產(chǎn)生的位移值，轉(zhuǎn)換成雙通道正交信號(hào)，配合鼠標(biāo)控制器，將雙通道正交信號(hào)轉(zhuǎn)結(jié)成單片機(jī)能夠處理的PS/2數(shù)據(jù)格式。設(shè)備安裝在一套塑料的光學(xué)透鏡設(shè)備上，并一個(gè)配備有一個(gè)高強(qiáng)度的LED。此外，它可提供高達(dá)400點(diǎn)/英寸的分辨率以及16英寸/秒以內(nèi)的速度檢測(cè)。圖1為鼠標(biāo)芯片的安裝裝配圖。因OM02芯片為COMS 型傳感器，因此必須配備有與之相適應(yīng)的高強(qiáng)度發(fā)光二極管，發(fā)射角度與底板夾角3045范圍內(nèi)。在標(biāo)準(zhǔn)安裝

9、配合后，底板距離工作表面的有效距離在0mm2mm內(nèi)，OM02芯片可進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收檢測(cè)。圖1 鼠標(biāo)芯片傳感器裝配原理圖2.3 P/S2信協(xié)議原理鼠標(biāo)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信方式采用PS/2通信協(xié)議。根據(jù)協(xié)議要求，單片機(jī)對(duì)鼠標(biāo)的控制只需把時(shí)鐘線拉低最少100us以上來禁止其通信，并且單片機(jī)拉低數(shù)據(jù)線使之處于請(qǐng)求發(fā)送狀態(tài)。如圖2所示，當(dāng)時(shí)鐘線升為高電平后被PS/2設(shè)備重新拉低，即可開始單片機(jī)向鼠標(biāo)的通信。圖3 鼠標(biāo)對(duì)單片機(jī)通信的時(shí)序圖圖2 單片機(jī)對(duì)PS/2設(shè)備通信的時(shí)序圖因單片機(jī)對(duì)總線具有控制權(quán)，當(dāng)鼠標(biāo)要向單片機(jī)發(fā)送信息時(shí)，必須先檢查時(shí)鐘線是否為高電平。如圖3所示，當(dāng)時(shí)鐘線出現(xiàn)高電平，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平

10、，表明鼠標(biāo)請(qǐng)求發(fā)送，單片機(jī)可以接受來自鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)。按照鼠標(biāo)的PS/2協(xié)議規(guī)范，實(shí)際編程時(shí)先對(duì)鼠標(biāo)發(fā)送0xff使其復(fù)位，默認(rèn)采樣頻率為100次/秒，縮放比例1：1，數(shù)據(jù)報(bào)告禁止。使用0xea命令進(jìn)入stream模式、使用0xe8，0x03命令設(shè)置解析度為8點(diǎn)/毫米。使用0xf4命令使能數(shù)據(jù)報(bào)告。配合C8051F020單片機(jī)的定時(shí)器功能，將其時(shí)間常數(shù)設(shè)置為0.1s，每次中斷時(shí)發(fā)送0xeb命令讀取位移數(shù)據(jù)信息，每發(fā)出一次，單片機(jī)接收到的位移數(shù)據(jù)包都包含有位移信息和按鍵動(dòng)作信息。具體格式為表1所示。2.4 OMO2數(shù)據(jù)處理圖4是我設(shè)計(jì)的OMO2傳感器的電路原理圖：圖4 OMO2傳感器的電路原理圖首先打

11、開定時(shí)器先采集當(dāng)前位置的坐標(biāo)，然后定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，定時(shí)時(shí)間為20ms后執(zhí)行中斷程序，同時(shí)測(cè)量當(dāng)前的坐標(biāo)。通過OMO2傳感器采集的是位移信息，用不到滾輪的信息和按鍵的信息這樣就可以將它們的數(shù)據(jù)給屏蔽掉。只需測(cè)量出兩點(diǎn)X，Y方向上的位移。計(jì)算兩點(diǎn)總位移的方法是分別取X方向和Y方向上的絕對(duì)位移量，然后計(jì)算這兩個(gè)位移量的平方根。這樣計(jì)算出該段時(shí)間的位移量然后用該段時(shí)間的位移量除以這段時(shí)間便可以得到速度了。另外采集角度的時(shí)候也是采集兩點(diǎn)的位移，這兩點(diǎn)不能離得太遠(yuǎn)。根據(jù)數(shù)學(xué)上的積分可以認(rèn)為：這兩點(diǎn)間的直線距離就可以近似看做這個(gè)圓弧的長度。根據(jù)圓弧的半徑就可以計(jì)算出圓弧的角度。2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)圖5 U

12、LN2003電路的原理圖ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。比如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、各種電磁閥、泵等驅(qū)動(dòng)電壓高且功率較大的器件。我們?cè)谶@里選用ULN2003芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，因?yàn)檫@個(gè)芯片的電路設(shè)計(jì)非常簡單并且驅(qū)動(dòng)能力也符合設(shè)計(jì)要求。圖6 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理圖L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。我們選用L298N來

13、驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)原因是直流電機(jī)的電流比較高，L298N驅(qū)動(dòng)能力完全滿足直流電機(jī)的需要。圖6為L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理圖2.6 系統(tǒng)顯示模塊我們采用的現(xiàn)實(shí)模塊是點(diǎn)陣圖形式液晶顯示模塊，點(diǎn)陣數(shù)為64行x128列，每屏可以顯示4行8個(gè)漢字(每漢字1616點(diǎn)陣)。該顯示模塊有2片HD61202作為列驅(qū)動(dòng)器和1片HD61203作為行驅(qū)動(dòng)器，可顯示64 K的點(diǎn)陣圖形。其主要特點(diǎn)是能與80系列微處理器直接接口，可以進(jìn)行圖形、字符及圖形和字符混合3種方式顯示。3、產(chǎn)品簡介下面是我們做的模擬系統(tǒng)的圖片：上圖為整個(gè)模擬系統(tǒng)的平面圖，主要包含速度檢測(cè)系統(tǒng)、向心力檢測(cè)系統(tǒng)、底盤模擬系統(tǒng)、燈模擬系統(tǒng)和液晶顯示模塊。液晶主要

14、用于顯示輪子的速度和電機(jī)當(dāng)前占空比，下面分別對(duì)其他四模塊進(jìn)行簡要說明：向心力采集模塊主要用于采集向心力，此模塊通過兩根橡皮筋和一個(gè)OMO2傳感器組成，當(dāng)有一定的離心力時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)收到的離心力會(huì)偏移到一邊，根據(jù)偏移的位移，檢測(cè)向心力的大小，從而控制底盤改變一定角度。速度采集模塊主要用來檢測(cè)輪子的速度，OMO2芯片可以檢測(cè)到通過發(fā)光二極管發(fā)出的光線，根據(jù)透鏡反射回來的光線，可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)物體的速度。底盤模擬系統(tǒng)主要由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，此模塊可以根據(jù)向心力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)模擬底盤進(jìn)行控制，讓模擬底盤產(chǎn)生一定的傾角，可以讓人在轉(zhuǎn)彎時(shí)不至于因?yàn)殡x心力太大而產(chǎn)生不適的感覺。汽車燈模擬系統(tǒng)主要由一個(gè)步

15、進(jìn)電機(jī)組成，此模塊可以根據(jù)檢測(cè)到的方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向而改變照射的方向，防止轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的盲區(qū)照明現(xiàn)象。4、產(chǎn)品特色在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要檢測(cè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離。若采用機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，由于頻繁的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而發(fā)生故障，導(dǎo)致精度下降甚至失效，維修起來也不方便。另外它需要兩個(gè)物體表面相接觸，靠相互問的摩擦進(jìn)行工作，這在某些場(chǎng)合是不許的。解決方案之一就是采用光電器件，運(yùn)用光學(xué)原理來測(cè)定運(yùn)動(dòng)?！八较鄬?duì)位移檢測(cè)系統(tǒng)是基于鼠標(biāo)原理通過光電傳感器來測(cè)量位移。我們通過市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然測(cè)量位移方法很多，但近年來比較流行的是光電位移測(cè)量技術(shù)。這種測(cè)量技術(shù)不但可以高速移動(dòng)探測(cè)，而且測(cè)量精度有了很大的

16、提高。光電位移測(cè)量技術(shù)愈來愈被國內(nèi)外專家學(xué)者和有關(guān)部門重視。而我們采用的OMO2傳感器它可提供高達(dá)400點(diǎn)/英寸的分辨率以及16英寸/秒以內(nèi)的速度檢測(cè)，并且測(cè)速是不需要機(jī)械間的接觸。這樣不僅大大提高了測(cè)量的精度還大大延長了產(chǎn)品的壽命。汽車作為我們生活中比較常用的本系統(tǒng)采用了OMO2傳感器來測(cè)量速度和角度完全滿足了在汽車工程中的應(yīng)用。此產(chǎn)品改善汽車駕駛的安全性和舒適性：1、 此系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載從而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率來避免汽車突然熄火，大大提高了汽車駕駛的安全性。2、 此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前大燈可以隨著方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，消除了汽車在黑夜行駛轉(zhuǎn)向時(shí)的盲區(qū)，拓寬了

17、司機(jī)在晚間駕駛汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的視野，提高了汽車駕駛的安全性。3、 此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的汽車底盤可以隨著汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的向心力而轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使乘客所受重力和支持力的合力與離心力抵消，使乘客感覺不到離心力的存在，從而大大提高駕駛的舒適性。5、總結(jié)經(jīng)過辛勤的努力，在小組各成員的努力下，我們順利完成了作品的設(shè)計(jì)與制作。但是我們的作品也有一些缺憾，值得改進(jìn)。我們?cè)谥谱鬟^程中遇到了種種困難和障礙，但是我們知道取得成功挫折是難免的。通過這次制作過程我們學(xué)到了很多知識(shí)，讓我們領(lǐng)悟了想成功就要付出努力，沒有最好只有更好的道理，制作的過程也就是積累經(jīng)驗(yàn)的過程，在以后的學(xué)習(xí)中我們會(huì)再接再厲，爭取取得更好的成績，做出更好的作品。

18、參考文獻(xiàn):1閻 石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版).M.高等教育出版社. 2006.52華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版).M.高等教育出版社. 2006.53顧慧芳.手把手教你51單片機(jī).M.電子工業(yè)出版社. 2009.14張艷虹.基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真.M.電子工業(yè)出版社. 2008.95楊路明.C語言程序設(shè)計(jì)教程.M.北京郵電大學(xué)出版社. 2009.01附錄：#include #includesbit mouse_SDA=P17;/數(shù)據(jù)線P3_5sbit mouse_CLK=P16;/時(shí)鐘線P3_3sbit pwmout=P10;sbit dianji=P24;sbit k1=P26;sbit k2=P27;bit flag1=0;uchar count=0,zz=0,fz=0,zz1=0,fz1=0;void main() WDTCN = 0xde; / 關(guān)閉看門狗 WDTCN = 0xad; /先寫入0xde 在寫入0xad