智能车辆控制系统的设计——检测装置部分毕业论文

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1、智能车辆控制系统的设计检测装置部分目 录摘 要ABSTRACT1 前 言1.1 智能车辆控制系统的特点及研究意义11.2 智能车辆控制系统的研究现状3 1.2.1 国外智能车辆的研究 1.2.2 国内智能车辆的研究1.3 现有研究的不足及本文的研究内容52 智能车辆控制系统检测装置的原理与算法 2.1 智能车辆控制系统检测装置的工作原理82.2 车辆行驶状态的计算原理122.3 加速度的采集原理182.3.1 加速度采集系统设计原理202.3.2 加速度采集系统原理图设计212.4 倾角测量212.4.1 倾角测量原理 2.4.2 倾角测量电路2.5 小结213器件的选择3.1 引言233.2

2、 空腹桁架钢框架与普通钢框架力学性能对比263.3 影响空腹桁架钢框架力学性能的因素294硬件设计和软件编程4.1 试验目的304.2 模型设计依据324.3 试验概况354.4 试验过程描述384.5 试验结果454.6 小结555 结 论56谢 辞57参考文献58附 录59III摘 要随着现代交通手段的发展，人们的出行越来越方便，但随着交通工具的速度的提高，交通事故日益成为威胁人们生命的“头号杀手”。在众多的交通事故中，由车辆的制动、信号指示相关因素引起的事故所占的比例也在日益增多，占所有交通事故的大部分。本设计在于实现一个智能车辆制动和指挥系统，用于减少由于车辆的制动和车辆的信号指示所引

3、起的交通事故隐患，以尽可能避免由于车辆的制动和车辆的信号指示所引起的交通事故。所以具有车辆行驶状态（速度、倾角、坡度、角速度、加速度、制动状态）检测功能并且能够对车辆的驾驶操作进行指挥的“智能车辆制动和指挥系统”会越来越多的被应用。智能车辆制动和指挥系统的价格不菲，其竞争也非常激烈。如果该系统所用的加速度传感器的成本进一步降低，这个市场将是非常广阔的。国内众多的汽车目前还不具备这一功能，其市场前景会非常不错。本文介绍了一种基于Freescale公司的3轴加速传感器MMA7260的智能车辆控制系统检测装置。本系统使用Freescale公司的MC9S08QG8单片机为核心，采用双CPU，利用模糊控

4、制原理，设计了一种较好的车辆制动和指挥系统方案；该系统具有车辆行驶状态检测功能，对车辆的驾驶操作进行有效的指挥。测试表明，该系统检测精度较高，反应灵敏，功耗低。关键词：3轴加速传感器，智能车辆控制系统检测装置，模糊控制算法 1前 言1.1 智能车辆控制系统的特点及研究意义 近年来，随着经济的发展和社会的进步，道路的通行能力、交通的安全性、能源的损耗、环境污染等问题越来越突出。这些问题的解决引发了新的研究和应用的热点，比如自动车辆驾驶，以及最近提出的完整的方案智能交通系统（ ITS ：Intelligent Transportation System ）将车辆、驾驶员和道路等基础设施有机的结合在

5、一起，从而可以通过计算机控制、人工智能和通信技术实现更好的通行能力和更安全的交通。 繁重的驾驶工作和驾驶人员的疲劳是交通事故频发的重要原因。车辆在交通拥挤的市区行使驾驶人员必须完成大量的换档和踩离合器的工作，大约在每分钟完成 20 30 个手脚协调动作。随着经济的发展，车辆拥有量的增加，非职业驾驶人员的人数增多，导致交通事故频繁发生，交通事故已经成为现代社会的第一公害。交通问题已经成为全球范围令人困扰的严重问题，因此，如何提高交通安全性已经成为急需解决的社会性问题。道路偏离系统、疲劳检测系统、自动巡航控制等都可以大大减轻驾驶人员的驾驶工作，提高交通系统的安全性。 智能车辆广阔的应用前景，必将成

6、为交通工具发展的必然趋势，吸引着越来越多的研究机构和汽车厂商的兴趣，也是目前研究方兴未艾的智能交通系统研究的重要部分。随着2008年北京奥运会的临近和“科技奥运、绿色奥运”口号的提出，先进的交通管理系统、智能车辆、电动车等旨在提高汽车安全性能、减少污染、缓解交通堵塞的研究日益受到国内研究人员的重视。我国科技部于2002年正式启动了十五科技攻关计划重大项目：智能交通系统关键技术开发和示范工程，其中一个重要的内容就是进行车辆安全和辅助驾驶的研究。 智能车辆的研究可以大大促进其它学科的迅猛发展。美国的火星机器车对于探测火星，以及火星以外的茫茫宇宙具有不可替代的作用。中国政府于 2000 年 11 月

7、发表的中国航天白皮书中提到，在未来的十年中，“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”，或者说 2010 年实现登月是一个明确的目标，因此空间移动机器车将是其中重要的组成部分，对于人类探测月球，开发和利用月球起到巨大的推动作用。 智能车辆的研究和发展必将促进人类社会的进步和发展。当今的车辆发展并不完善，安全性、智能化、人机交互等方面远远不能满足人类的需要和社会发展的需求，技术上的缺陷导致交通堵塞、环境污染、交通安全性差，智能车辆可以大大的缓解这些问题。车辆工业是具有综合性强和经济效益高等特点，其制造和销售不仅涉及到第一产业，而且涉及到第二和第三产业。可以断言，没有哪个国民经济的部分完全与车辆无

8、关。智能车辆的研究最终必将促进各行业的繁荣兴旺，带动整个国民经济的发展，改善产业结构，促进整个国家的信息化水平。 智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能。1.2 智能车辆控制系统的研究现状1.2.1 国外智能车辆的研究人类的梦想是推动世界向前发展的不竭动力和源泉。美国国家研究委员会 (NRC: National Research Council) 曾预言：“ 20 世纪的核心武器是坦克， 21 世纪的核心武器是在人的监

9、督下计算机控制的无人作战系统 ” 。为此，从 80 年代开始美国国防部高级研究计划局（ DARPA ： Defense Advanced Research Projects Agency ）专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。目标是研制出一台可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍，并在必要时重新规划路线的智能车辆。从此，在全世界掀开了全面研究智能车辆的序幕，如 DARPA 的战略计算机，计划中的自主地面车辆 (ALV) 计划（ 1983 1990 ），以及美国国防部的智能侦察车 DEMO III； 能源部制定的为期 10 年的机器人和智能系统计划 (1986-1995)， 以

10、及后来的空间机器人计划；日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划等。在太空探索方面，美国 NASA 研制的火星探测机器人索杰那于 1997 年成功登上火星进行科学探测，这是一个六轮的自主移动机器人，为了在火星上进行长距离探险，美国国家航空和航天局（ NASA ： National Aeronautics and Space Administration ）又开始了新一代样机的研制，命名为 Rocky7 ，并在 Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的试验。除军事应用外，智能车辆在其他领域的应用也有极大的价值，并取得了一定的成果，如前向避撞系统（ Forward Collision

11、Warning ）、盲点监视器（ Blind Spot Monitors ）、自适应巡航控制 (Adaptive Cruise Control) 、道路偏离警告 (Lane Departure Warning) 、夜视 (Night Vision) 和辅助操控 (Assisted Steering) 等。它们对应的具体系统有日本的 VERTIS 系统，主要用于实现车载通讯、信息加工、环境探测、辅助控制（自动驾驶）四项功能；雷诺公司研制的汽车感知系统将红外摄像、雷达、激光扫描等传感器有效的组织在一起。法国公路技术研究所技术顾问克洛德科贝表示，开展自动行驶控制系统研究是迈向公路交通无人驾驶的第一步

12、，这一系统的研制成功可以首先实现有人自动行驶。如超车时，驾驶员只需根据计算机所提示的前方车辆行驶速度，输入有关最高限速等简单命令，计算机就会根据公路上的具体情况，自动调整速度和方向，并在绝对安全的情况下实现超车，这将大大减少驾驶员的判断和操作失误导致的交通事故。智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。1974年，瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与SchiinderDigitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多

13、台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。1.2.2 国内智能车辆的研究吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。20世纪90年代以来，课题组开展的组态式柔性制造单元及图像识别自动引导车的研究对我国独立自主开发一种新型自动引导车辆系统，从而为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化提第二章智能小车研究现状供了有意义的技术支撑和关键设备。课题组已开发出JUTIV1、JUTIV2、JLUIV3三种型号

14、的自动引导车辆，其中JLUIV3实用型视觉导航AGV已投入工厂进行中试，并得到吉林省科委“新型视觉引导AGV及自动物流运输系统开发”项目、长春市政府科计引导计划新星创业项目、吉林大学科技园高新技术产品孵化项目的立项资助，目前该种AGV已完成商品化研制，即将投入市场。由于JUTIV3型AGV性能优越，智能化程度高，属国内首创，必将会产生重大的社会效益和经济效益。中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年7月研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下，在高速公路上行驶的最高稳定速度为130公里/小时，最高峰值速度为170公里/小时，并且具有超车功能，其总

15、体技术性能和指标已经达到世界先进水平。轿车自主驾驶的基本原理是仿人驾驶。车内的环境识别系统识别出道路状况，测量前方车辆的距离和相对速度，相当于驾驶员的眼睛；车载主控计算机和相应的路径规划软件根据计算机视觉提供的道路信息、车前车辆情况以及自身的行驶状态，决定是沿道路前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑；接着，自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘控制器、油门控制器和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用。另外，我国清华大学、北京理工大学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学

16、科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将为促进轮式机器人的研究。1.3 现有研究的不足及本文的研究内容随着现代交通手段的发展，人们的出行越来越方便，但随着交通工具的速度的提高，交通事故日益成为威胁人们生命的“头号杀手”。在众多的交通事故中，由车辆的制动、信号指示相关因素引起的事故所占的比例也在日益增多，占所有交通事故的大部分。调查发现, 如果我们所驾驶的车辆带有倾角检测功能，能够检测行驶时所处路段的倾角、转弯角速度等信息，同时根据车辆的固有特性来有效的指挥该车的行驶速度、加速度（制动状态），使车辆采取合适的加速

17、/减速操作、合适的角速度进行转弯从而可以有效的减少类似事故的发生。随着汽车等工业的发展和人们对汽车等交通运输工具的安全性能的要求的提高，具有车辆行驶状态（速度、倾角、加速度）检测功能“智能车辆控制系统检测装置”会越来越多的被应用。智能车辆控制系统检测装置的价格不菲，其竞争也非常激烈。如果该系统所用的加速度传感器的成本进一步降低，这个市场将是非常广阔的。国内众多的汽车目前还不具备这一功能，其市场前景会非常不错。由此，提出了本文所述的“智能车辆控制系统检测装置”。基于上述的背景考虑，本项目就实现这些设想。要完成一个可以安装在车辆上的智能车辆控制系统检测装置，具有速度、倾角、加速度等的检测功能以及防

18、盗报警功能。2 器件的选择2.1 智能车辆控制系统特性以80c51单片机为核心控制模块，采用双CPU。采用两个3轴加速传感器MMA7260具有速度、路况信息（比如倾角等）、等加速度车辆行驶状态检测功能采用模糊控制算法该系统在汽车停放时可以作为防盗系统进行使用具有通信总线（CAN /LIN）空闲时处于休眠状态，降低功耗可选择的功能模块和控制软件该产品可以有效的被集成到车辆（比如汽车）的控制系统中，增加产品的功能；也直接添加到现有的车辆上，增加产品的功能，给用户提供方便。另外，该系统经过简单改造可用于下列场合：- 地理: 山体滑坡，雪崩；- 民用: 大坝，建筑，桥梁；- 工业：吊车，吊架，收割机，

19、起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机，铺路机等。- 火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量；- 海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制；- 钻井：精确钻井倾斜控制；- 机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制。2.2 系统概述该系统以80c51单片机为核心，采用3轴加速传感器（即三维加速传感器）MMA7260完成XYZ三个方向的加速度、速度的检测和路况信息（比如倾角等）、加速度等车辆行驶状态检测功能，并且能够结合车辆本身的信息在汽车停放时作为防盗系统进行使用。同时需要采用模糊算法对信号进行进一步的处理和判断。该系统先要完成行驶状态的检测显示。为了让该系统能够真正的实用，该系统要通过总线

20、与其他控制部分进行通信，在这个基础上可以更进一步实现汽车的智能化。通信总线暂时选定CAN/LIN总线，这是汽车电子工业常用的一种串行通信。2.3 80c51单片机简介 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。1.概述8051系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构，被广泛应用于从军事到自动控制再到 PC机上的键盘上的各种应用系统上。8051系列的基本结构如下：一个8位算术逻辑单元32个I/O口（4组8位端口）,可单独寻址两个16位定时计数器全双工串行通信6个中断源两个中断优先级128字节内置RAM独立的6

21、4K字节可寻址数据和代码区每个8051处理周期包括12个振荡周期，每12个振荡周期用来完成一项操作，如取指令和？。计算指令执行时间可把时钟频率除以12，取倒数，然后指令执行所须的周期数，因此，如果你的系统时钟是11.059MHz，除以12后就得到了每秒执行的指令个数，为921583条指令，取倒数将得到每条指令所须的时间（1.085ms）。2.存储区结构8051结构提供给用户3个不同的存储空间。每个存储空间包括从0到最大存储范围的连续的字节地址空间。通过利用特定地址的寻址指令，解决了地址重叠的问题。3位操作和布尔逻辑8051可分别对BDATA和SFRs中128个可寻址位，32个I/O口进行位逻辑

22、操作。可对这些位进行与，或，异或，求补，置位，清零等操作，并可像转移字节那样转移位。可寻址位也可作为条件转移的条件，一条很有用的指令就是JBC，通过判断可寻址位是否置位来决定是否进行转移，如果该位置位则转移，并清零该位。这条指令能够在两个处理周期中完成，比在两个代码段中分别使用跳转和清零指令要节省一到两个处理周期。利用JBC不但节省了代码长度，而且使程序更加简洁美观。4.寻址方式8051可对存储区直接或间接寻址。这些是典型的寻址方式。直接寻址是在指令中直接包含所须寻址的字节地址，直接寻址只能在DATA区和SFR进行。间接寻址要使用DPTR， PC， R0， R1 寄存器用来存放所要访问数据的地

23、址，指令使用指针寄存器，而不是直接使用地址。用间接寻址方式可访问CODE，IDATA, XDATA存储区。对DATA存储区也可进行间接寻址。只能用直接寻址方式对位地址进行寻址。在进行块移动时，用间接寻址十分方便，能用最少的代码完成操作。可以利用循环过程使指针递增。对CODE区进行寻址时，将基址存入DPTR或PC中，把变址存入累加器中，这种方法在查表时十分有用。5.处理器状态处理器的状态保存在状态寄存器PSW中，状态字中包括进位位，用于BCD码处理的辅助进位位，奇偶标志位，溢出标志位，还有前面提到的用于寄存器组选择的RS0和 RS1。0组从地址00H开始，1组从地址08H开始，2组从地址10H开

24、始，3组从地址18H开始。这些地址都可通过直接或间接方式进行寻址。PSW 的结构如下：CYACF0RS1RS0OVUSRPCY进位标志位AC辅助进位标志位F0通用标志位RS1寄存器组选择位高位 RS0寄存器组选择位低位 OV溢出标志位USR用户定义标志位P奇偶标志位6.电源控制8051的CHMOS版本可通过软件设置两种节电方式,空闲模式和低功耗模式。设置电源 控制寄存器PCON的相应位来进入节电方式。置位 IDLE进入空闲模式，空闲模式将停止程序执行，RAM中的数据仍然保持，晶振继续工作，但与CPU断开。定时器和串行口继续工作。发生中断将退出中断模式。执行完中断程序后，将从程序停止的地方继续指

25、令的执行。通过置位PDWN位来进入低功耗模式，低功耗模式中晶振将停止工作，因此，定时器和串行口都将停止工作。至少有两伏的电压加在芯片上，因此，RAM中的数据仍将保存。退出低功耗模式只有两种方式，上电或复位。SMOD位可控制串行通信的波特率，将使由定时器1的溢出率或晶振频率产生的波特率翻倍。置位SMOD可使工作于方式1，2，3定时器产生的波特率翻倍。当使用定时器 2 产生 波特率时SMOD将不影响波特率。7中断系统基本的8051支持6个中断源，两个外部中断，两个定时/计数器中断，一个串行口输入/输出中断。中断发生后，处理器转到将五个中断入口处之一执行中断处理程序。中断向量位于代码段的最低地址出（

26、串行口输入，输出中断共用一个中断向量）。中断服务程序必须在中断入口处或通过跳转，分支转移到别处。8051支持两个终端优先级，有标准的中断机制，低优先级的中断只能被高优先级的中断所中断，而高优先级的中断不能被中断。8051/8052的中断向量表如下表所示：中断源中断向量上电复位0000H外部中断 00003H定时器 0 溢出000BH外部中断 10013H定时器 1 溢出001BH串行口中断0023H定时器 2 溢出002BH8 内置定时/计数器标准的8051有两个定时/计数器，每个定时器有16位。定时/计数器既可用来作为定时器（对机器周期计数）也可用来对相应I/O口（T0,T1）上从高到低的跳

27、变脉冲计数。当用作计数器时，脉冲频率不应高于指令的执行频率的1/2，因为每周期检测一次引脚电平，而判断一次脉冲跳变需要两个指令周期。如果需要的话，当脉冲计数溢出时，可以产生一个中断。TCON寄存器（timer controller）用来控制定时器的工作起停和溢出标志位。通过改变定时器运行位TR0 和TR1来启动和停止定时器的工作。TCON中还包括了定时器T0和T1的溢出中断标志位。当定时器溢出时，相应的标志位被置位，当程序检测到标志位从0到1的跳变时，如果中断是使能的，将产生一个中断。注意，中断标志位可在任何时候置位和清除，因此，可通过软件产生和阻止定时器中断。定时器控制寄存器TCON可位寻址

28、TF1 TR1TF0TR0 IE1 IT1IE0IT0TF1定时器1溢出中断标志。响应中断后由处理器清零TR1定时器1控制位，置位时定时器1工作，复位时定时器1停止工作TF0定时器0溢出标志位。定时器0溢出时置位，处理器响应中断后清除该位TR0定时器0控制位，置位时定时器0工作，复位时定时器 0 停止工作IE1外部中断1触发标志位，当检测到P3.3有从高到低的跳变电平时置位，处 理器响应中断后由硬件清除该位IT1中断1触发方式控制位，置位时为跳变触发，复位时为低电平触发IE0外部中断1触发标志位，当检测到 P3.3 有从高到低的跳变电平时置位，处理器响应中断后，由硬件清除该位。IT0中断 1

29、触发方式控制位，置位时为跳变触发，复位时为低电平触发定时器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD通过改变TMOD，软件可控制两个定时器的工作方式和时钟源是I/0口的触发电平还是处理器的时钟脉冲TMOD的高四位控制定时器1，低四位控制定时器0。TMOD 的结构如下 定时器控制寄存器TMOD-不可位寻址GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定时器 1定时器 0GATE当GATE置位时，定时器仅当TR=1并且INT=1时才工作，如果GATE=0置位TR定时器就开始工作C/T定时器方式选择。如果C/T=1，定时器以计数方式工作，C/T=0时，以 定时方式工作M1模式选择位高位M0模式选择位低位可通过

30、C/T位的设置来选择定时器的时钟源。C/T=1，定时器以计数方式工作对I/0引脚脉冲计数C/T=0时，以定时方式工作对内部时钟脉冲计数当定时器用来对内部时钟脉冲计数时，可通过硬件或软件来控制。GATE=0为软件控制，置位TR定时器就开始工作，GATE=1为硬件控制，当TR=1并且INT=1时定时器才工作当INT脚给出低电平时，定时器将停止工作。这在测量INT脚的脉冲宽度时十分有用，当然，INT 脚不作为外部中断使用。9 内置 UART8051有一个可通过软件控制的内置全双工串行通讯接口。由寄存器SCON来进行设置，可选择通讯模式，允许接收，检查状态位。SCON 的结构如下：串行控制寄存器SCO

31、N-可位寻址SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0串行模式选择SM1串行模式选择SM2多机通讯允许位，当模式0时，此位应该为0。模式1时，当接收到停止位时该位将置位。模式2或模式3时，当接收的第9位数据为1时，将置位。REN 串行接收允许位TB8 在模式2和模式3中，将被发送数据的第9位RB8 在模式0中，该位不起作用，在模式1中，该位为接收数据的停止位。在模式2和模式3中，未接收数据的第9位TI 串行中断标志位，由软件清零RI 接收中断标志位，有软件清零UART有一个接收数据缓冲区，当上一个字节还没被处理，下一个数据仍然可以缓冲区接收进来，但如果接收完这个字节如果上个字节还没被处

32、理，上个字节将被覆盖。因此，软件必须在此之前处理数据。当连续发送字节时也是如此。8051支持10位和11位数据模式，11数据模式用来进行多机通讯。并支持高速8位移位寄存器模式。模式1和模式3中波特率可变。2.4MMA7260简介加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，加速力可以是常量，也可以是变量。加速度传感器基本的原理就是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。加速度计是常用的测量加速度的传感器。在智能车辆控制系统中系统中，加速度传感器完成数据采集任务，获得小车瞬时加速度值，以确定小车的运动状态；加速度传感

33、器也可以测出小车与障碍物发生碰撞的剧烈程度；加速度传感器还可以判断小车所处斜坡的坡度；另外，通过推算定位法还可以计算出智能小车当前位置相对于已知参考位置之间的偏移，从而得到小车的绝对位置。在短时间内，利用这种方法得到的定位精度相对较高；但是可以想象，由于时间的增加，误差积累效应会越来越大，严重影响导航的精度。因此，加速度传感器通常和GPS一起组合成为组合导航系统，以提高定位精度，增强系统性能。1. 功能介绍智能车辆控制系统选用的加速度传感器是MMA7260QT。一种低成本、低功耗、功能完善的3轴加速度传感器，其测量范围为2g。MMA7260QT既能测量动态加速度（如振动加速度），又能测量静态加

34、速度（如重力加速度）。敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。 MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择，分别为：1.5gn、2gn、4gn和6gn.MMA7260还具有很高的灵敏度，当选择1.5gn的测量范围时，灵敏度达到800 mV/gn。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。该产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。当传感元件以加速度a运动时，质

35、量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。它采用6 mm6 mm1.45 mm QFN的封装，体积超小，只需很小的板卡空间。而且，MMA7260提供休眠模式，是电池充电的手持设备产品的理想之选。它具有三轴向检测功能，使便携式设备能够智能地回应位置、方位和移动的变化。MMA7260三轴加速度传感器的主要特性如下： 可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g) 低功耗：5

36、00A 休眠模式：3A 低压运行：2.2V3.6V 6mmx6mmx1.45mm的无引线四方扁平(QFN)封装 高灵敏度(800mV/g 1.5g) 快速开启 低通滤波器具备内部信号调理 设计稳定、防震能力强 无铅焊接 环保封装 成本低由于MMA7260传感器可准确测量三轴低量级下降、倾斜、移动、定位、撞击和震动，因此在HDD保护、MP3播放器、游戏、便携式电子设备中得到了广泛的应用。本设计中则采用MMA7260来测量车辆行驶时三维的加速度信号。2结构与原理MMA7260的功能如图1所示。X、Y、Z三个相互垂直方向上的加速度由G-Cell传感单元感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿

37、后以电压信号输出。图1MMA7260功能框图G-Cell传感单元是由半导体材料经微机械加工艺生产的微机械结构，整个物理模型由一对挠性轴、其支撑的极板及中间极板上的检测质量块组成。G-Cell的极板构成了两个背对背的平板电容，如图2所示。当系统被给定一加速度时，检测质量块所附属的中间极板就会偏离无加速度时的位置，这样它到一边固定极板的距离就会增加，同时到另一固定极板的距离就会减小。因此电容值也随着极板间距离的改变而改变，这就是对加速度的度量。电容值经过容压变换器转换为电压值，进过增益放大器、滤波器和温度补偿以电压的形式作为输出信号。图2G-Cell单元的物理模型3. 引脚配置MMA7260的三个

38、相互垂直的传感方向如图3所示。MMA7260的引脚配置如图3和表1所示。引脚序号引脚名称描述1gn-Select1输入逻辑电平,选择灵敏度的级别2gn-Select2输入逻辑电平,选择灵敏度的级别3VDD电源输入4VSS电源地5-11N/C悬空12Sleep Mode休眠模式13ZOUTZ方向输出电压14YOUTY方向输出电压15XOUTX方向输出电压16N/C悬空表1MMA7260引脚功能图3MMA7260的传感方向2.5 CAN通讯接口SJA1000芯片2.5.1 CAN技术简介CAN（Control Area Networker）即控制器区域网，是主要用于各种设备检测及控制的一种网络。C

39、AN最初是由德国Bosch公司为汽车的检测、控制系统而设计的。由于CAN具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。由于CAN总线具有以上的一些特点，为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供了一种新的解决方案。其在国外工业控制领域已经有了广泛的应用，现国内的许多工业控制领域也开始基于CAN的现场控制总线。CAN总线已成为最有发展前途的现场总线之一。CAN的主要特性：多主依据优先权进行总线访问无破坏的基于优先权的仲裁借助接收滤波的多地址帧传送远程数据请求配置灵活性全系统数据兼容性错误检测和出错信令发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送暂时错误和永久性故障节点的

40、判判别以及故障节点的自动脱离2.5.2 SJA1000芯片介绍SJA1000是一种CAN的独立控制器,用于移动目标和一般工业环境中的局域网控制。它是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代产品,并且增加了一种新的工作模式PeliCAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议,因此功能更加强大。它具有如下特点。a.完全兼容PCA82C200及其工作模式,即BasicCAN模式。b.具有扩展的接收缓冲器为64字节,先进先出(FIFO)。c.与CAN2.0B协议兼容;支持11 bit和29 bit识别码。d.位速率可达1 Mbit/s;24 MHz的时钟频率。e.支持Pel

41、iCAN模式及其扩展功能。f.支持与不同微处理器的接口。g.可编程的CAN输出驱动器配置。h.增强了温度范围(-40125)。SJA1000的内部结构如图2.5,主要由接口管理逻辑、信息缓冲器、位流处理器、接收过滤器、位定时逻辑、错误管理逻辑、内部振荡器及复位电路组成。图1 SJA1000内部结构图2 SJA1000引脚图SJA1000的引脚图如图2.5所示,其引脚功能如下：AD7-AD0 多路地址/数据总线ALE/AS ALE输入信号(Intel模式),AS输入信号(Motorola模式) 片选输入低电平允许访问SJA1000/E 微控制器的信号(Intel模式)或E使能信号(Motorol

42、a模式) 微控制器的WR信号(Intel模式)或RD/信号(Motorola模式)CLKOUT SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号;时钟信号来源于内部振荡器且通过编程驱动;时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚VSS1 搭铁XTAL1 输入到振荡器放大电路;外部振荡信号由此输入XTAL2 振荡放大电路输出;使用外部振荡信号时左开电路输出MODE 模式选择输入,1=Intel模式,0=Motorola模式VDD3 输出驱动的5 V电压源TX0 从CAN输出驱动器0输出到物理线路上TX1 从CAN输出驱动器1输出到物理线路上VSS3 输出驱动器搭铁 中断输出,用于中断微控制器; 在内

43、部中断寄存器各位都被置位时低电平有效; 是开漏输出,且与系统中的其它是线连接的;此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活 复位输入,用于复位CAN接口(低电平有效);把引脚通过电容连到VSS,通过电阻连到VDD可自动上电复位(例如,C=1F;R=50 k)VDD 输入比较器的5 V电压源RX0,RX1 从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器;支配(控制)电平将会唤醒SJA1000的睡眠模式;如果RX1比RX0的电平高,就读支配(控制)电平,反之读弱势电平;如果时钟分频寄存器的CBP位被置位,就旁路CAN输入比较器以减少内部延时(此时连有外部收发电路);这种情况下只有RX0是激活的

44、;弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低VSS2 输入比较器的搭铁端VDD1 逻辑电路的5 V电压源3 智能车辆控制系统检测装置的原理与算法智能车辆控制系统检测装置具有速度、路况信息（比如倾角等）、加速度等车辆行驶状态检测功能，并且能够结合车辆本身的信息在汽车停放时作为防盗系统进行使用。该系统先要完成行驶状态的检测显示。为了让该系统能够真正的实用，该系统要通过总线与其他控制部分进行通信，在这个基础上可以更进一步实现汽车的智能化。通信总线暂时选定CAN/LIN总线，这是汽车电子工业常用的一种串行通信。3.1 智能车辆控制系统检测装置的工作原理智能车辆控制系统检测装置具有速度、路况信息（比如倾角等

45、）、加速度等车辆行驶状态检测功能，并且能够结合车辆本身的信息在汽车停放时作为防盗系统进行使用。该系统需要采用3轴加速传感器（即三维加速传感器）MMA7260完成XYZ三个方向的加速度、速度的检测和路况信息（比如倾角等）、加速度等车辆行驶状态的计算；同时需要采用模糊算法对信号进行进一步的处理和判断，为车辆的控制检测提供可靠及时的依据。该系统在汽车停放时可以作为防盗系统进行使用。其原理为在汽车停放时监控汽车的震动和倾角等信息来判断车辆的异常行为。3.2 车辆行驶状态的计算原理该系统的核心是3轴加速传感器MMA7260。首先使用三轴加速度传感器来感测车辆行使时产生的三维加速度信号，然后由A/D转换器

46、对模拟信号进行采样并转换为数字信号，送至微处理器作预处理。MMA7260自带了温度补偿和滤波，只需简单处理即可将其输出的三路（XYZ轴）加速度模拟量接入到80c51微处理器的片上A/D转换模块中。 3轴加速传感器MMA7260的三轴之间的关系如下图所示。通过X/Z轴测量倾角的原理如下图所示。倾角的计算原理如下图所示，计算公式为 。为加速度传感器的输出 ； 为加速度传感器在0g时的输出 为传感器的灵敏度；为倾角；1g为自由落体重力加速度倾角为 。车辆的速度用霍尔传感器来测量，利用霍尔效应（载流倒替放在磁场中，如果磁场方向与电流方向正交，则载与磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势。）不受灰尘的影

47、响，正好能够满足智能小车的特殊要求。智能小车选用南京新捷中旭微电子有限公司的CS3120系列霍尔传感器。霍尔开关电路测量速度的公式为：vND/12T。其中N为霍尔开关电路CS3120产生的脉冲个数，D为车轮直径，T为产生N个脉冲的时间。与编码器位置传感器相比，霍尔开关电路利用霍尔效应，不受尘土的影响，适合小车在各种道路条件下长期工作，但是其精度相对较低。距离采用最普遍的霍尔元件来测量。即通过安装在两个后车轮上的磁钢的旋转从而和霍尔元件产生霍尔效应，通过对产生的脉冲计数进行车速的测量。简单，而且安装方便。车辆的防盗报警可利用在汽车停放时监控汽车的震动和倾角等信息来判断车辆的异常行为来实现。为了提

48、高测量的精度和系统的校正以及系统安装的简便，该系统采用了两个3轴加速传感器MMA7260。因为系统在安装的过程中不能保证Z轴与地球的重力加速度的方向一致，采用两个3轴加速传感器MMA7260对安装方向进行校正；并且两个3轴加速传感器MMA7260可以工作在不同的量程可以减少不必要的量程切换带来附加处理。第4章 系统硬件和软件设计4.1 系统硬件设计该系统以80c51单片机为核心，采用3轴加速传感器（即三维加速传感器）MMA7260完成XYZ三个方向的加速度、速度的检测和路况信息（比如倾角等）、加速度等车辆行驶状态检测功能，并且能够结合车辆本身的信息在汽车停放时作为防盗系统进行使用。根据题目要求

49、，系统主要可以划分为控制部分和信号检测部分。其中控制部分主要模块有：电机驱动模块，显示模块，控制器模块；信号检测部分主要包括：路程测量模块，速度探测模块，加速度探测模块，倾角探测模块，防盗报警模块。系统总模块框图如下图4.1所示。中央单片机（80c51）处理系统电机驱动模块显示模块控制器模块路程测量模块速度探测模块加速度探测模块倾角探测模块防盗报警模块图4.1 小车的基本模块开关状态/RST L0/INT L4MC33989/33742TX/RX TX/RX（） 系统框图TxDRxDLIN Bus/RST80c51(主CPU)MC9S08QG8(主CPU)MC33661CAN BusSPI测速

50、电路其他外围辅助电路 RX/TXCAN控制器电源DC变换芯片其他电源芯片I2CMMA7260(1)80c51(从CPU)MMA7260(2)SPI其他外围辅助电路显示电路串行EEPROM按键图1 系统框图 该系统硬件上以80c51为核心，采用双CPU即两个80c51芯片为主；传感器主要采用两个加速度传感器芯片MMA7260，用来测量系统的倾角、加速度等状态信息。主CPU（80c51）辅以集成处理芯片MC33989(或者MC33742)来扩展系统的功能，主要用来扩展高速输入口、CAN收发器、复位电路、看门狗等功能；由于80c51不具备CAN控制器，该部分另外扩展SPI接口的CAN控制器以实现CA

51、N通信接口。该部分还扩展了测速电路，用来测量车辆的当前行驶速度。另外，该部分还可以通过扩展LIN接口芯片MC33661来增加系统的LIN通信接口。从CPU（80c51）主要采用两个加速度传感器芯片MMA7260，用来测量系统的倾角、坡度、角速度、加速度等状态信息。辅以串行EEPROM来存储系统的配置信息，采用SPI接口来扩展显示电路来进行信息显示和状态显示。该部分还采用SPI接口来扩展按键输入电路，以实现对系统的配置和显示电路显示内容的切换。主CPU和从CPU之间采用IIC电路进行信息交换。该系统主要采用模糊控制算法来实现系统的输入状态与输出状态之间的关系变换，使系统具有较高的智能性。该系统由

52、于涉及安全问题，故系统设计过程中要特别注意其抗干扰能力和系统运行的实时性问题。该系统为了降低不必要功耗，主供电回路采用了DC 变换芯片。图1为智能车辆制动和指挥系统的系统框图。在将来具体实现中，各部分的连接还可能发生变化。4.2 加速度传感器的硬件设计根据智能加速度传感器的使用要求，在硬件电路上主要考虑以下几方面的问题 ：尽量采用集成化程度高的芯片，以减小主机体积，满足便携使用要求；采用低功耗的元器件，满足仪器长时间工作要求；选用宽工作温度范围的元器件，满足仪器在户外工作条件。根据以上原则构建了智能传感器的硬件电路，其组成如图1所示。智能加速度传感器主要由敏感元件、信号调理电路、A/D转换器、

53、典型的单片机系统、键盘和电源等组成。智能加速度传感器的工作原理是 ：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。4.1.1 敏感元件当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。4.1.2 单片机系统的设计作为智能

54、传感器的核心，单片机的选用主要是考虑到智能传感器的测量速度、精度、分辨率和其本身的数据处理能力，并且还要考虑到其与计算机的网络通讯功能。文中选择具有高集成度、低功耗、低成本等特点的P89LPC932单片机作为其作智能传感器的微控制器。它采用高性能的处理器结构，指令执行时间只需24个时钟周期，6倍于标准80C51单片机，并且具有增强型UART，具有帧错误检测、自动地址检测和通用的中断功能，I2C和SPI通讯端口。并且P89LPC932还集成了许多系统级的功能，可大大减少元件的数目并降低了系统的成本。同时，考虑到智能加速度传感器在测试过程中需要记录大量数据，单片机系统专门配置了全集成化并且不需设计刷