基于单片机的无人驾驶汽车转弯信号灯控制系统设计

基于单片机的无人驾驶汽车转弯信号灯控制系统设计内容摘要：

信号灯 右车尾 信号灯 左转弯 闪烁 灭 闪烁 灭 闪烁 灭 右转弯 灭 闪烁 灭 闪烁 灭 闪烁 刹车 灭 灭 灭 灭 亮 亮 左转时刹车 闪烁 灭 闪烁 灭 闪烁 亮 右转时刹车 灭 闪烁 灭 闪烁 亮 闪烁 在本系系统中，汽车转弯状态下，外部信号灯的闪烁频率为 1HZ的低频信号。 无人驾驶汽车智能系统 7 转弯信号灯控制系统设计 根据前面所述的理论和中断系统的知识进行具体总体方案设计，并对所需的器件进行选择。 总体设计方案 以 51 单片机作为控制器，通过软件实现上述功能，为了保证系统的可靠性，本系统采用了先进的冗余技术和故障监控技术，使得系统在出现部分故障时也能正常工作。 其系统设计框图如图 所示。 系统主要器件选择 本次设计所用的传感器皆为霍尔传感器，这类传感器是基于霍尔效应而制成的，所谓霍尔效应 ,是指当电流垂直于外磁场通过导体时 ,在导体的垂直于磁场和电流方向的 2个端面之间会出现电势差 ,这一现象便是霍尔效应。 这个电势差也被叫做霍尔电势差。 本次设计所需的角度测量都可以通过霍尔传感器来实现，因为方向盘转角和刹车踏板角度的变化都可以转换为此次强度的变化，霍尔传感器便是利用这种效应把磁场的变化转变为电压的变化。 霍尔传感器一般分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器 2种。 信号处理 方向盘旋转角度 刹车踏板角度 单片机 信号灯 电源 图 转弯信号灯控制系统框图 角度传感器 无人驾驶汽车智能系统 8 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成 ,输出为模拟量 ,主要用来检测电压、电流等物理量。 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和集电极开路输出级组成 ,输出为脉冲方波信号 ,适用于数字控制系统 ,具有很 强的抗干扰能力 ,主要用来检测转速、位移、角度等物理量。 除了传感器之外，本次设计所用的单片机及信号处理电路中所用的器件将在以下进行详细介绍。 (1) 方向盘旋转角度传感器 ——开关型 霍尔传感器 A3144 霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的 NPN 晶体管，其使用规则和任何一种相似的 NPN 开关相同。 输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几 nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。 输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。 因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为 20mA），以免损坏输出管。 输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑 ―零 ‖）是兼容的。 一般规定，当外加磁场的南极 (S 极 )接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面 时为负。 锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加磁场 B正向增加，达到 BOP时，电路导通，之后无论 B增加或减小，甚至将 B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的 BRP时，才改变为截止态。 霍尔传感器 A3144 是 Allegro MicroSystem 公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达－ 40℃ ～ 150℃。 它由电压调整电路、反向电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和 OC 门输出级构成，通过使用上拉电路可以将其输出接入 CMOS 逻辑电路。 该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特 点、有两种封装形式，一种是 3 脚贴片微小型装，后缀为“ LH‖；另一种是 3 脚直插封装，后缀为“ UA‖。 传感器的芯片引脚、内部结构及相关参数如图 所示； 传感器的性能指标如表 和表 所示。 无人驾驶汽车智能系统 9 表 霍尔传感器 A3144 在 VCC=8V全工作温度范围的电特性 参数 符号 测试条件 量值 最小 典型 最大 单位 电源电压 VCC 工作条件 — 24 V 输出低电平电压 VOUT IOUT=20mA,BBOP — 175 400 mV 输出漏电流 IOFF VOUT=24V,BBRP — 10 μA 电源电流 ICC BBRP(输出开路 ) — mA 输出上升时间 tr RL=820Ω， CL=20pF — μs 输出下降时间 tf RL=820Ω， CL=20pF — μs 表 霍尔传感器 A3144 在 VCC=~24V时的磁特性 参数 符号 测试条件 量值 单位 最小 典型 最大 工作点 BOP TA=25176。 C 70 — 350 mT 全工作温度范围 35 — 450 释放点 BRP TA=25176。 C 50 — 330 全工作温度范围 25 — 430 回差 Bhys TA=25176。 C 20 55 — 全工作温度范围 20 55 — 图 霍尔传感器 A3144 的引脚图及内部结构 无人驾驶汽车智能系统 10 (2)刹车踏板角度传感器 ——线性型霍尔传感器 A3515 A3515 霍尔传感器十分敏感，并且有很好的偏移特性。 其电压输出在一定范围内与磁感应强度成比例，静态输出电压约为 50%的电源电压。 可用于线性和旋转位置测量系统，在汽车和工业应用广泛。 工作温度要求为 4 至 +150176。 C ，输出灵敏度为5mV/G。 芯片内集成了改进的温度补偿电路、一个小信号高增益放大器以及端到端低阻抗输出级。 独有的动态偏移取消技术与内部高频时钟，降低了由设备注塑成型、温度与热应力造成的剩余偏移电压。 片内集成了霍尔元件和放大器减少了由微弱模拟信号带来的许多问题，提高了传感器的性能。 其引脚图及内部结构如图 2—3 所示，主要性能指标如表 和表 所示。 表 霍尔传感器 A3515 在 VCC=5V全工作温度范围的电特性 参数 符号 测试条件 量值 最小 典型 最大 单位 电源电压 VCC 工作条件 V 电源电流 ICC B=0,VCC=6V,IO=0 — mA 静态电压输出 VOQ B=0,IO=1mA,TA=25176。 C V 输出电压 VOH B=+X*,IO=1mA — — V VOL B=X*,IO=1mA — V 图 霍尔传感器 A3515 的引脚图及内部结构 无人驾驶汽车智能系统 11 输出源电流 IOLM B=X*,VO=0 — mA 带宽（ 3dB） BW — 30 — kHz 时钟频率 fC — 170 — kHz 输出阻抗 rO IO≤ 2 mA — — Ω 宽带输出噪声（有效值） eO B = 0, BW = 10 Hz 至 10 kHz IO ≤ 1 mA, CO = 100 pF — 400 — μV 表 霍尔传感器 A3515 在 VCC = 5 V, IO = 1 mA 全工作温度范围的性能指标 参数 符号 测试条件 量值 最小 典型 最大 单位 工作温度范围 TA 40 — +150 176。 C 灵敏度 S mV/G 灵敏度变化量 ΔS(ΔT) TA =最大值 % 灵敏度变化量 ΔS(ΔT) TA =最小值 % 静态偏移电压 ΔVOQ(ΔT) 温度测定 — — 177。 10 G 静态偏移电压 ΔVOQ(ΔV) 辐射线测定 — 100 — % 灵敏度变化量 ΔS(ΔV) 辐射线测定 — 100 — % 正线性相关 Lin+ — 100 — % 负线性相关 Lin– — 100 — % 对称性 — 100 — % (3) 单片机 ——AT89C51 AT89C51是一种带 4K字节闪存可编程可擦除只读存储器 (FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能 CMOS8位微处理器 ,俗称单片机。 AT89C51是一种带 2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000次。 该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造 ,与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单 个芯片中 , ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器 , AT89C51是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种无人驾驶汽车智能系统 12 灵活性高且价廉的方案 ，芯片引脚如图。 其主要特性如下： 与 MCS51兼容 4K字节可编程 FLASH存储器 寿命： 1000写／擦循环 数据保留时间： 10年 全静态工作： 0Hz24MHz 三级程序存储器锁定 128 8位内部 RAM 32条可编程 I/O线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低能耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 (4)电压比较器 ——LM311 LM311是单通道高速电压比较器。 其工作电源电压范围广，包括177。 15V运算放大器和 5V电源供应逻辑系统。 输出电平兼容与大多数 TTL和 CMOS电路兼容。 可以驱动灯或继电器和开关电压高达 50V。 所有输入和输出可以系统地中分离。 以地、正电源或者负电源为参考的输出可以驱动负载。 具有补偿平衡和选通功能。 并且输出可以线与连接。 如果选低，这输出将处于关闭状态，无差动输入。 LM311为集电极。