基于线性CCD传感器检测的智能车控制系统

前言

随着现代社会的高速发展，无论在生活应用还是在工业应用中，智能化的概念越来越多的出现在我们的身边。尤其是自上世纪80年代以来，汽车技术以突飞猛进的速度在发展，汽车从原来的纯机械结构构成的代步工具逐渐演变成一个集各种高科技技术为一体的智能化的新时代产物。因此，智能车的概念也就越来越凸显出来，智能汽车，顾名思义，就是在现代网络技术支撑下，利用电子信息通信技术，智能微控制器，环境监测控制技术，GPS导航技术等等组成的一个新意义的高新技术复合载体。它能够实现自动的环境监测，规划处理，自动行驶还有人工辅助驾驶等功能。现在汽车行业对智能汽车的研究主要在提高汽车的安全性和汽车的驾驶辅助上，在汽车自动驾驶方面的发展还没有质的飞跃，近年对于车辆自动驾驶，智能导航的研发正大力进行。智能车辆的研究成果现在已经体现着一个研究团体乃至整个国家科研实力水平。所以无论是中国还是国外很多国家已经把智能汽车确定为重点发展的项目。

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1 智能车控制系统概况

1.1 系统开发背景

智能化，是现今社会前进的一个目标。对于汽车来说智能化也会是未来发展的方向。对于国家来说，大学生质量的好坏是这个国家的发展动力的重要指标之一。大力发展国内大学生的科技实践能力一直是我国的一大政策。其中为促进大学生的科研创新能力，一直在举办着各种各样的科技竞赛。智能汽车方面，在中国的各种智能车机械车等的竞赛有很多，其中飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛在中国已经举办了九届。这项赛事主要探索的就是智能汽车，用智能汽车模型作为研究对象，让学生们充分发挥学校中所学习科学文化知识，对智能小车加以设计并改装，完成一个能自动识别比赛赛道路况并能够进行判断并进行相应控制的小车。最终完成大赛的比赛要求。这项大赛其中包括了智能控制、环境监测、传感器技术等主要学科知识，还涉及到电子、电气、计算机、机械等多个基础学科。赛事用比赛的方式，大大提高了大学生参与者的积极性，锻炼了大学生的实际操作能力。思维创新能力和团队合作能力，使参赛的大学生比同类大学生具有更高的基本技能，使其更能够适应未来社会的发展需求。

1.2系统总体设计

本设计是一个基于线性CCD传感器的智能小车的设计，最终成果是设计并制作出一个能够通过传感器识别两边带黑色边缘的道路信息，并能够根据道路信息识别直路弯路，十字路口等信息，进行判断，自动行进的智能小车。

本设计主要使用飞思卡尔大赛中使用的B型车模，使用飞思卡尔公司的K60微控制器，岱莫科技TSL1401CCD传感器作为检测器件，使用540电机驱动小车。通过硬件安装调整和软件设计，最终完成设计预期目标。

本设计的总系统框图如下：

图1-1 设计的总系统框图

Figure 1-1 total system block diagram

1.3 微控制器简介及现状

MCU叫做微型控制器，国内叫做单片机。上世纪70年代，电路集成技术的发展已经有了很大的成果，所以人们通常会把原来在微型计算机中零散分开的一部分部件如处理器、闪存、存储、定时器、计数器和各种端口集成在一个体积减少了很多的芯片上。也就成了现在我们所说的微型控制器。微控制器其实就是一个芯片级别的微型计算机。

MCU在近三十年的发展，现已经广泛应用在我们的现代生活中，比如经常使用的手机，收款机，扫码器，汽车内控制系统，MP3，MP4，数码相机等等。这些家用工具内都使用的了一个或者多个微控制器，让这些产品成为智能化的产物。

微控制器是近代影响最大的创新技术产品之一，根据微型控制器所发展起来的智能化产品在当今社会已经占据着非常大的比例，我们的生活已经离不开这些产品了。

1.4 Freescale微控制器概述

Freescale（飞思卡尔）公司是现在全世界范围内技术较为领先的生产半导体的公司之一，飞思卡尔半导体公司生产的嵌入式微控制器为全球的汽车、电子、工业、网络等领域提供了技术支持与保障。在2005年，飞思卡尔公司总收入达到了58亿美元，无论在8位、16位、还是32位单片机的领域都处在了技术领先的地位。

Freescale公司的微控制器主要以8位和16位为主，其中，9S08系列和HC9S12系列在全世界单片机市场占有率都在同类产品中都一直很高。本次设计使用的芯片是飞思卡尔公司的一款32位K60系列MK60N512VMD100单片机。

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图1-2 Kinetis k60系列微处理器内部功能示意图

Figure 1-2 Kinetis K60series microprocessor internal functions

1.5 线性CCD简介及选型

CCD，就是电荷耦合器件的英文简称。通常人们把它称为CCD图象传感器。CCD传感器的功能是能够把外界能感知到的光信号转变成微控制器等智能控制器多能分辨出的数字信号。CCD上每一个微小的感受光强的小物质就是一个像素点（Pixel）。在一个CCD 要想分辨率越高，就需要包含越多的像素点。所有像素点都在一排的CCD称为线性CCD，线性CCD在像素数量上虽然不高，但是因为其像素只有一条，检测时数据也比较简洁，在一些要求不高的信息处理方面具有十分重要的作用。CCD传感器中的光电二极管能够把外界的光信号转换为电信号，然后通过其外接的电压或电流放大电路和A/D电路转换成的数字图像信息，让控制器读取出并进行分析。

本设计选用的线性CCD传感器是TAOS公司的TSL1401 CCD传感器。这款产品具有体积小、重量轻、使用简单、比较容易固定、接口比较简单方便等优点。这款传感器经过了非常严格的赛道类环境的检验，它能够采集到的路面信息清晰稳定，能比较远距离的采集信息，而且在使用算法上，使用简单的算法就能轻易提取到道路中黑线的信息。

图1-3 TSL1401CCD传感器

Figure 1-3 TSL1401CCD sensor

1.6 本章小结

本章主要介绍了智能车控制系统的大体概况，从智能车控制系统的开发背景介绍开始，而后又从总体上介绍了本设计的系统设计，并介绍了微控制器及Freescale微控制器的概况和线性CCD的概况。这一章内容详细介绍出了本人设计所研究的智能车控制系统的开发依据以及证明是具有研究价值的。

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2 机械结构的设计安装与调整

本次设计的智能车使用的是飞思卡尔智能车竞赛指定的B型四轮车模。使用飞思卡尔公司的K60微控制器。传感器使用的是TAOS（岱莫）公司的TSL1401系列的线性CCD 传感器，采用RS-540SH直流电机，S-D5舵机。

为了使车能够稳定并且高速的运行，我们对智能车机械结构配置进行了详细系统的分析。该模型的精度不是很高，所以必须能够改变它的模型，提高模型的整体准确度。此外，在我后续的小车调试中发现，前轮约束和主销倾斜两者角度的大小对于智能车在高速状态下运行状况平稳性具有很大影响作用。智能车速度达到很好的速度的时候，舵机控制智能车方向的转变快慢也对智能车的快速回到预定轨道起到了具足轻重的作用。所以对于机械结构的设计和调整要考虑以上几个方面。

关于安装期间主要有安装舵机、安装线性CCD传感器、编码器的安装、最小系统板电路和电机驱动电路的安装位置预留等。智能车模的微小调整主要有前轮倾角的调整，对车模型的底部调整与地面的高度，和齿轮传动机构和后轮差速的调整。

2.1 舵机的安装方式与安装位置

将舵机转向器直接直立安装在车模的前部中间，即两前轮的中间。舵机传动杆适当延长，这样便提高了舵机转向的控制精度和灵敏度。

图2-1 舵机安装图

Figure 2-1 steering gear installation diagram

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2.2 线性CCD 传感器的安装

智能车CCD 传感器支架选用了更轻更结实的材料，并且为了节省材料，小车配备的备件用来固定线性CCD 传感器并且将传感器放置在智能小车的前轮后方，以便拉长智能车的视野，对智能车的控制十分有利。

图2-2 CCD 传感器安装方式

Figure 2-2 CCD sensor installation

2.3 测速编码器的安装

图2-3 测速安装方式

Figure 2-3 Speed measurement installation method

在速度的测量，为了能够满足我们的测试要求，并使速度测量装置具有较高的精度。设计采用了欧姆龙E6A2-CW3E型500线光电编码器的方法，并且将编码器固定在电机的转动轴上。这样，通过设计，在测速方面能够保证智能车有很高的测量精度和很高的灵敏度。

2.4 前轮倾角的调整

在调试过程中，发现：由于前轴和重力中心在高速转向车轮之间的巨大差距有很大的影响，将使高速转向时车辆转向角不足。为了减小舵机带动前车轮转向时的运动负荷的大小，是转弯时尽量能够更快更准确的达到预定的目的的，我对前轮定位进行了稍微改变。前轮定位确保了小车的稳定性，无论在直道还是在转向时都使得车轮转向的轻松、自动纠正方向和削减了车轮的接触磨损。前轮在智能车中是转向轮，它反映了前轮即转向轮、主销和前轴等三个主要因素在车架上的位置关系。

主销内倾角是智能车主销安装在车模前轴车轮略微向内倾斜的小角度，这个角度能够让智能车的前轮主动回到正前方的位置。当主销内倾角角度越大，前轮自动回正的作用越明显，但是同时对应的是转向舵机需要承担的负荷越大，车轮胎磨损非常大。因此，寻找一个中间点，是回正作用能够满足智能车的需求，又使智能车车轮磨损不会太大。

主销后倾就是小车两前轮支撑轮胎的立杆稍微偏离竖直方向倾斜的角度，大约在3°左右。这个角度的转弯的车辆造成的力矩，与车轮偏转方向发生原因的离心力，和车轮能

自动回到中间位置偏后。因此，主销后倾角增大能够使车速提高，前轮稳定性也会更好。

图2-4 主销后倾角调整图

Figure 2-4 Tilt angle adjustment chart after the main pin

主销内倾角和主销后倾角都有智能车转向自动回正，保持智能车直线行驶的作用。它们之间的区别是主销内倾角在小车行驶过程中所产生的正作用力和速度没有关系，主销后倾角在小车行驶中产生的正作用力和速度相关，所以在智能车高速行驶时，主销内倾角起到的是主要正作用力，在低速行驶时，主销后倾角起主要正作用。

前轮的外倾，也就是“外八字”对智能车的转弯性质有着直接的作用，前轮的外倾有提高前轮的转弯灵活性的作用，使智能车可以更轻便的转弯。这个角度大约在1度左右。

前轮前束的功能是增加了智能车的行驶过程中的耐磨性。因为小车前面的轮子在运动时，轮子自身旋转的惯性会自然而然的是自身向内侧偏斜，假如前束角度适当，轮子转动时的偏斜力就会对消，便不会出现前轮轮胎与地面的磨损。

2.5 地盘高度的调整

底盘做适当的降低，在保证能够通过上坡和下坡道的前提下，适当的降低一下底盘。这样使整个小车降低了重心，智能小车能够在各种路况下的直路或转弯时能够更加的稳定和快速。我将智能车前车轴的中心降低了1.5毫米。

2.6 齿轮传动机构及后轮差速的调整

智能小车选用540直流电机驱动。电机轴为18个齿轮，后轮轴传动轴为76个齿轮，这使得传动机构的传动比为9比38。如果齿轮传动部份是不合适的，也就是接触不恰当，则电机在后轮的负载损耗会增加。齿轮之间间隙过松容易造成齿轮不能很好的啮合，造成分离，两者较紧却会增加传输阻力，造成能量损失。因此电机装配的过程中尽可能使得传动轴保持接触平衡，传递动力部分顺畅，接触松紧程度适当。

后轮差速结构的使车模在转弯的时候，后轮与地面之间不产生滑动，两轮能够有一个速度的差。它也可以确保即使在后轮轮胎由于路况或机械故障下不动的情况下卡死而不损坏电机。在差速器的调整方面，通过后续调试中通过调节滚珠轮盘间的间隙，使它不能过

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松或者过紧，从而找到一个比较适当的程度。一个调整好的装置，在不给电机通电的前提下，使后轮旋转测试，右轮和左轮旋转过的角偏移相差极小，不会出现两轮的迟钝的感觉和轮胎摩擦地面的现象。

一个调整好的电机驱动后轮传动机构，当使电机驱动后轮空转时，等待后轮速度稳定，辨别装置运动发出的声音。如果发出的声音比较尖锐、声响，这表明齿轮间的接触间隙太大，传动过程中会有电机齿轮和后轮齿轮啮合不稳，会有脱齿现象；假如其发出的声音比较闷，声音也会比较之后，齿轮之间的接触间隙太少，或两齿轮轴线不平行。而调试稳定的齿轮传送装置所发出的声音很小，并且不会有滞后等现象，或者比较刺耳的声音。

2.7 本章小结

本章主要介绍了智能车控制系统的机械结构的设计安装与调整，根据各个部分的安装位置的调整，使其能够达到最佳的使用效果，主要有舵机安装，线性CCD传感器安装，编码器安装，最小系统板电路安装，电机驱动电路的安装。另外还有对车模的微小调整，如前轮倾角和、底盘高度与齿轮传动等机构的调整。通过机械调整与安装，使本设计的智能车控制系统能够更好的满足了该系统的适应性，是设计系能更加优越。

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3 控制系统硬件电路设计

智能车硬件电路设计是智能车的主体支撑，本设计硬件设计主要以微控制器K60为主的系统板为中心，另外还有路径检测传感器模块，多路电源转换模块，单电机驱动电路模块，舵机控制模块，蓝牙模块，测速模块等。本章详细叙述智能车总体硬件电路设计以及着重讲述最小系统板电路，路径检测传感器模块，单电机驱动模块和多路电源转换模块。

3.1 智能小车功能设计

随着当前的社会智能化的发展进步，在未来家庭汽车上将越来越智能化，汽车没有驾驶室将不再是一个梦。所以智能汽车系统的概念，总结要完成其需求，本设计作为智能汽车的微小雏形需要满足的设计要求如下：

1、根据光电原理，在本次设计中的白色路面两侧有两条宽度为2CM黑色边沿的道路上，能够自动分辨道路两侧的黑线相对于智能车的位置，并进行判断控制路径。

2、根据线性CCD传感器检测送回的路面信息并进行分析判断，能够对于是否是直道，十字路口，弯道，以及加速减速的判断。

3、根据小车的机构装置的外形性能，对于测试的路面有的在最小曲率半径为50CM 的弯路上小车能顺利通过。

4、根据小车各不同模块需要不同的电压等级来驱动。对于电池电压在7.2V时，通过电源变换系统能够做到为各不同模块供给稳定并合适的电压。

3.2 硬件电路总体设计

组装硬件电路之前，首先应该了解硬件电路总体设计，根据上节叙述的智能小车的功能需求，电路总体设计应该以微控制器K60位核心，周围分别连接检测模块，电源模块，舵机驱动模块，电机驱动模块，测速模块，显示模块等。硬件电路整体架构框图如下图所示：

图3-1硬件电路整体架构框图

Figure 3-1 Hardware circuit monolithic frame diagram

3.3 微控制器最小系统板电路设计

本设计使用的是飞思卡尔半导体公司的单片机K60系列的MK60N512VMD100单片机。设计最小系统板的目的是，通过为微控制器提供时钟电路，复位电路，外界I/O接口使其能够正常运行，外接搭配主要设置了连接外置其他几大主要模块的接口：线性CCD 传感器模块，测速模块，电机驱动模块，舵机模块，蓝牙模块，按键模块等。而最小系统板也是整个智能车硬件电路设计的中心，以最小系统板为中心，其他模块分别通过接口与之相连接，组成整个智能车的电路设计。最小系统版电路原理图与系统板接口图如下：

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Figure 3-2 Minimum system version of circuit diagram

Figure 3-3 System version of the interface circuit diagram

3.4 传感器系统

传感器，就是能够将被测量的量按照一定的物理或化学原理转换成一种规定的输出信号的装置或器件。

一般来说，传感器分为两个部分，敏感元件和转换元件。敏感元件与被测量的量的变化而引起的信号的容易被测量的变化，而转换元件将其产生的信号转化为电信号以便于传输所需的信号，具体输出的信号要看敏感元件的不同种类而会存在差异。因为转换元件转换出来的信号比较微弱为了让这些信号容易的传递、转变、显示和交互。一般情况后面还有转换电路和辅助电路等，这样才能够让交换元件输出的信号能够放大，易于传输。随着现代半导体工业的先进技术和高集成技术的发展，敏感元件、转换元件以及信号放大电路等往往都嵌入在一个器件上，使用这些传感器时只需要搭配不同辅助电路就了可以了。

3.4.1 线性CCD传感器

线性CCD传感器是使用敏感元件把光信号变化成电信号的装置。线性CCD传感器工作时，先将外界的光（可以是物体发出的光，也可以是物体反射的光）在敏感元件上变化成电量的相应不同，然后传感器中的转换元件把光的强弱不同转换成电量的不同，在辅助以转换辅助电路，使得把光的信息完全转变成控制器能够识别的电量的高低，这样就有利于对外界情况加以处理并进行相应动作。

线性CCD由光线检测线路及信号转换线路两部分组成，光线检测线路部分完成对环境被测光线的检测，信号转换线路部分把从光线检测部分检测到的光信号转变成能够被控制器读出的电信号。见下图

图3-4 ccd传感器环境监测示意图

Figure 3-4 CCD sensor environment monitoring schematic diagram 采用CCD传感器的形式取决于参数的测量灵敏度的要求、所要求的响应速度，以及测量环境和条件特征来源。

3.4.2 光电式传感器的选择

线性CCD传感器的选择主要取决于对所测光线的亮度，需要辨识光线的分辨率，响应时间，以及对于光线变化而引起的传感器采集信息的适应宽度等特性。

综合以上因素，本次设计我选择了TAOS（岱莫）公司的TSL1401，该传感器具有128个排列成一排的光电二极管阵列，放大器电路和一个像素数据内部保持功能部件，同时提供所有像素的储存的时间。同时为了简单的操作，内部处理程序下把信号处理完毕后，输

如输出端口只有一个串行输入端（SI）信号和时钟CLK。

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图3-5 TSL1401功能框图

Figure 3-5 TSL1401 function block diagram

对于这次检验智能车的两边黑色中间白色的道路识别，TSL 1401的精度和灵敏度足以满足要求，故线性CCD传感器选定。

对于以TSL1401为主体的线性CCD传感器模块的设计主要依据线性传感器的设计原

理设计的，具体设计电路原理图如下：

Figure 3-6 TSL1401 schematic diagram

3.5 电机驱动模块

在智能小车的制作中，由于对于电机的驱动电流要求过高，直接让电机和电源相连不能满足功能的需求，所以需要电机驱动电路。通过电机的功率决定了驱动电路芯片的选择决定，由从控制器输出的PWM信号的占空比决定电机的旋转速度。因此，电机的速度可以通过改变微控制器发出的PWM信号的占空比大小的不同来实现。

在智能车通过弯道时，为了达到稳定的效果，因为在直道有一个较高的车速，所以需要在即将过弯道时，有一个制动过程，是小车的车速降低下来。为此，需要设计一个全桥驱动电路。我选择了BTN7971B全桥驱动电路

1、BTN7971是一个应用在电机驱动上的大电流和集成度高的半桥控制芯片，BTN7971通常情况下的电阻典型值为16mΩ，驱动电流可以高至70A。该芯片具有过温过欠压过流和短路保护功能。

2、BTN7971芯片的out1和out2两个输出端连接电机的两根输入线，芯片的PWM1端口输入PWM波来控制out1电压U1的高低，芯片的PWM2端口输入PWM2波来控制out2电压U2的高低。U1，U2的大小通过PWM1，PWM2占空比乘电池电压7.2V决定。因此，U2和U1之间的差异决定了电机的速度。因为这样的驱动方式具有很好的加减速特性，所以采用这个驱动方式作为电机驱动电路。

电机驱动模块主要应用电路原理图设计如下：

图3-7单电机驱动电路原理图

Figure 3-7 Schematic diagram of single motor drive circuit

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3.6 供电模块

3.6.1 稳压芯片的选择

在智能车的系统的整个设计中，因为电池电压是7.2V，然而系统的各个部分所需要的电压等级是不同的：微控制器电路所需要的是3.3V电压、路况检测电路模块是5V电压以及舵机控制电路所使用的是6V电压，如何才能给予系统稳定并且不同等级的电压，是一个必须解决的问题。

在之前学习到的知识以及实践中使用的电压调节电路中最多的是例如78系列三个接线端的线性稳压器件。线性稳压器具有纹波小，电路结构简单，但效率很低，耗电量大，导致大量的能量损失，导致功率利用率不高，工作效率低。而对于智能车这样的以后智能化的产品来说，节能是最基本的要求，所以不选择这类稳压器件。与线性稳压器件相对比，开关电源调节器则是在以完全打开或关闭状态，有效地降低了“热损失”，也很好的保证了低功耗，保证供电的高利用率。开关电源调节器具有在高频电压范围具有通断的特性以及和它串联的有一个能够滤波的电容，所以在使用过程中来自电源中的高频率的干扰具有很强的抑制功能。同时正因为他的低功耗特点，使其在发热方面完全不用考虑是否会有安全问题，在设计PCB板的时候也可以把电路设计的紧凑一些，使其能够更小巧灵便，符合移动智能设备的便携性与安全性的要求。但是由于开关稳压的方法工作是的电压差值要求在1.0V以上，这样在一些随身携带设备上，电压等级一般很小，所以这种方案不适用与所有的随身设备。

因为线性的稳压电源与开关电源都不能工作在电压压降在1V一下，所以都不容易广泛应用于便携式设备中，所以我为智能小车选用了一个线性电源芯片lm1117。它和LM317具有相同的输出角。LM1117另有可以输出不同电压的版本，可以改变与其外接的电阻的阻值大小能有1.3～13.8V的输出。所以这是对于智能车电源调节完全满足条件。

3.6.2 LM1117系列概述

LM1117系列芯片具有限制输出和热保护的功能。电路中含有一个参考电压器件来保证输出的电压精度在±1%范围内。输出端需要外接一个电容保证稳定性。

LM1117特点：输出电压：1.25 ~ 13.8V；电流限制和热保护功能；输出电流最高能够到达800mA；线性调整率：0.2%（最大）；负载调整率：0.4%（最大）；温度范围：LM1117：0℃~125℃、LM1117I：-40℃~125℃

本设计对于多电源模块的设计为一下几个方面：

（1）使用稳压芯片LM1117加部分电阻电容稳压，输出3.3V 电压，分别对单片机供电。

（2）使用稳压芯片LM1117加部分电阻电容稳压，输出5V电压，对传感器和速度检测部分进行供电。

（3）使用稳压芯片LM1117稳压，输出6V 电压，对舵机供电。

（4）电源驱动模块直接使用电池供电

多电源模块电路原理图如下：

图3-8 基于LM1117多电源稳压电路

Figure 3-8 LM1117 based power regulator circuit

3.7 本章小结

本章主要介绍了智能车控制系统的硬件电路设计，主要是用微控制器K60为主的系统板为核心，另外还有路径检测传感器模块，多路电源转换模块，单电机驱动电路模块，舵机控制模块，蓝牙模块，测速模块等。硬件电路是智能车控制系统的支撑所在，所以本文对主要部件进行了详细的介绍，有使用器件介绍、电路原理图等。

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智能小车的路径识别问题

智能小车的路径识别问题 摘要：智能小车路径识别技术是系统进行控制的前提，介绍了路径识别技术的几种分类及相应的优缺点，通过分析得出面阵CCD摄像更适合作为采集信息的工具。 关键词：智能小车；路径识别；面阵CCD摄像器件 Abstract: Smart car’s path recognition technology is the premise of the control system, this paper introduces the path of several classification and recognition technology, through the analysis of the advantages and disadvantages of the corresponding to array CCD camera is more suitable for gathering information as the tool. Key words:smart car; Path recognition; Surface array CCD camera device 0 引言：为培养大学生的自主创新设计的能力，各大高校都设置了智能车比赛，智能小车 行驶在给定的白色路面，由中间的黑色轨迹线引导，实现自主循迹功能。实现该 功能的小车主要由电源模块、循迹模块、单片机模块、舵机模块、后轮电机驱动 模块组成。路径模块一般由ATD模块，外围芯片和电路，与路面信息获取模块 组成，要能够快速准确得进行路径识别检测及相关循迹算法研究，本文就这两个 方面进行相应的分析和介绍。 1 光电传感器 1.1 反射式红外发射接收器 半导体受到光照时会产生电子-空穴对，是导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应[1]，用于路径检测的反射式红外光电传感器基于此原理设计。该传感器一般由一个红外线发射二极管和一个光电二极管组成，可以发射并检测到反射目的光线。不同颜色的物体对光的反射率不同，当发射出的红外光对准黑色物体时，反射的红外线很少，光电二极管不能导通，反之，当对准白色物体时，光电二极管导通[2]。系统的单片机接收到光电二极管的信息根据相应的算法分析出小车此时的位置及位置偏离度，进而控制小车的方向和速度。 光电式传感器是通过对光的测量通过光电元件转化为电信号，并输出有效的输出量，由于外界光电因素的原因导致空间分辨率低是每个红外传感器存在的缺点，因此必须对原始传感器信息进行预处理，取相对值是一种有效解决外界干扰的方法，即将传感器未发射红外线时的A/D转换值进行提取，再与红外线时的转换值取相对值。文献[2]同时也提出了如何根据每个传感器的相对值与传感器位置推断出车模相对于黑色引导线的横向偏移位置。而文献[3]中所描述的方法与文献[2]有异曲同工之妙，文献[4][5]也对光电传感器的路径算法有详细科学的介绍。 1.2光敏电阻阵列传感器 假设光敏电阻阵列布置如图1所示，在智能小车的正前方布置n个光敏电阻( n=1,2,…, 11 ) ,在其质心位置依次紧密排列m个光敏电阻（m=1,2…7），首先测出路径黑色区域和白色区域的光敏电阻值，以通过d点的中心线的交点为原点建立坐标系,两排光敏之间的距离为K,光敏n和n+1且n>6或者(n和n-1且n<6)所测的值分别为黑色区域值和白色区域值，光敏6中心为智能小车的中心线通过点，而光敏d也为其通过点，连接这两点即为智能小车的中心线，则通过小车中心线并与黑色区域光敏值对应的光敏n与光敏m的连线即为所求路径信息。理论上讲，只要有两点就可以确定唯一的直线。

智能传感器的原理组成及应用

智能传感器的原理组成及应用 自动化领域所取得的一项最大进展就是智能传感器的发展与广泛使用。但究竟什么是“智能”传感器？下面，来自6个传感器厂家的专家对这一术语进行了定义。 据H oneywell工业测量与控制部产品经理Tom Gri ffiths的定义：“一个良好的…智能传感器?是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能，为监控系统和/或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。” 图1：智能传感器，像这种带有A S接口通信的感应式位置传感器，可减少系统中的传感器数量。内部诊断功能使传感器能提供故障的预指示。 图2：根据IEEE1451，传感器被分为两部分：带传感元件、适当的信号调理电路以及A/D转换器的智能传感器接口模块（STIM），和传感器电子数据表（TED S）

——一块标明传感器类型、组成与型号、校准参数及比例系数等内容的存储器芯片。STIM与具有联网能力的应用处理器（N CAP）相连，而NCA P为通信网络提供接口。 无故障通信：“智能传感器的优势，”GE Fanu c自动化公司控制器产品经理Bill Black说，“是能从过程中收集大量的信息以减少宕机时间及提高质量。”M TS 传感器公司Tem posoni cs（磁致伸缩位移传感器）产品经理DavidE deal对此补充说：“分布式智能的基本前提是，在适当位置和时间拥有有关系统、子系统或组件的状态的全部知识，以进行…最优的?过程控制决策。” Cognex公司Che cker机器视觉部产品营销经理J ohnKeating继续补充说，“对于一种真正的…智能?（机器视觉）传感器，它应该不需要使用者懂得机器视觉。” 智能传感器必须具备通信功能。“最起码，除了满足最基本应用的反馈信号，…智能?传感器必须能传输其它信息。”E deal表示。这可以是叠加在标准4-20mA 过程输出、总线系统或无线安排上的HART（可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议）信号。该领域正在增长的因素是IEEE1451——一系列旨在为不同厂家生产的传感器提供即插即用能力的智能传感器接口标准。 诊断与程序 智能传感器可对其运行的各个方面进行自监控，包括“摄像头的污浊，超容忍限或不能开关等，”GE Fanu c自动化公司的Bl ack说。Pe pperl+Fu ch s公司智能系统经理Hel geHorni s补充说，“（除此之外），还有线圈监控功能，目标超出范围或太近。”它也可以对工况的变化进行补偿。“…智能?传感器，”Omr on电子有限公司战略创意总监DanArmentr out表示，“必须首先能监视自身及周围的环境，然后再决定是否对变化进行自动补偿或对相关人员发出警告。”

传感器与自动检测技术课后习题答案余成波主编

读书破万卷下笔如有神 一、1.1什么是传感器？传感器特性在检测技术系统中起什么作用？ 答：（1）能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。（2）传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。 1.2画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。 答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息 其中转换元件、信号调理电路都需要再接辅助电源电路；（2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用电路。 1.3什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？ 答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。（3）灵敏度：s=&y/&x；非线性度=B/A*100%；回程误差=Hmax/A*100%；不重复性 Ex=+-&max/Yfs*100%；精度：A=&A/ Yfs*100%； 1.4什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？ 答：（1）指传感器在稳定工作情况下输出量变化&y对输入量变化&x的比值；（2）灵敏度越高，测量精度就越大，但灵敏度越高测量范围就越小，稳定性往往就越差。 1.5什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？ 答：(1)通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线，在实际工作中，为使仪器（仪表）具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。（2）方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 二、2.1什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：（1）由于测量过程的不完善或测量条件的不理想，从而使测量结果偏离其真值产生测量误差。（2）有绝对误差、相对误差、引用误差、分贝误差。（3）绝对误差用来评价相同被测量精度的高低；相对误差可用于评价不同被测量测量精度的高低；为了减少仪器表引用误差，一般应在满量程2/3范围以上进行测量。 2.2按测量手段分类有哪些测量方法？按测量方式分类有哪些测量方法？ 答：（1）按测量手段分类：a、绝对测量和相对测量；b、接触测量和非接触测量；c、单项测量和综合测量；d、自动测量和非自动测量；e、静态测量和动态测量；f、主动测量和被动测量。（2）按测量方式分类：直接测量、间接测量和组合测量。 2.3产生系统误差的常见原因有哪些？常见减少系统误差的方法有哪些？ 答:原因有：a、被检测物理模型的前提条件属于理想条件，与实际检测条件有出入；b、检测线路接头之间存在接触电动势或接触电阻；c、检测环境的影响；d、不同采样所得测量值的差异造成的误差；e、人为造成的误读等等。 2.4什么是准确度、精密度、精确度？并阐述其与系统误差和随机误差的关系？ 答：测量的准确度是指在一定的实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，以误差来表示；它表示系统误差的大小。精密度是指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致程度。反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度高。精确度是指被测量的测得值之间的一致程度以及与其真值的接近程度，即精密度与正确度的综合概念。从测量误差的

《传感器与检测技术》全套教案

!知识目标：掌握接近开关的基本工作原理，了解各种接近开关的环境特性及使用方法，掌握应用接近开 T丨关进行工业 技术检测的方法 教学■ 口h I能力目标：对不同接近开关进行敏感性检测，使用霍尔接近开关完成转动次数的测量。 目标！ i素质目标： ■ ■ ■ W ■?Fr??T??* 教学 重点 .■该学…t 难点i接近开关的基本工作原理 I ---一一 ^—--十一- ——一一-一-一一--- —一-- . - — - - _-一- --- 教学］理实一体千 輕丨实物讲解手段!小组讨论、协作 接近开关的应用 教学! 学时丨10 教学内容与教学过程设计 1理论学习〗 项目一开关量检测 任务一认识接近开关 一、霍尔效应型接近开关 1.霍尔效应 霍尔效应的产生是由于运动电荷在磁场作用下受到洛仑兹力作用的结果。把N型半导体薄片放在磁场中，通以固定方向的电流i图1-2霍尔效应 么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流方向相反的方向运动。 如图1-2所示，i || （从a点至b点），那\ I讲解霍尔效应基i本原 理，及霍尔电 I动势。 2.霍尔元件 霍尔元件的结构简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图1-3 所示。 图1-3 霍尔元件

—H ■ ——= H H H —H ■ ■ H H H H — H I 3.霍尔原件的性能参数 1）额定激励电流 2）灵敏度KH 3）输入电阻和输出电阻 4）不等位电动势和不等位电阻 5）寄生直流电动势 6）霍尔电动势温度系数 4.霍尔开关 霍尔开关是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。 图1-6霍尔开关 5.霍尔传感器的应用 1）霍尔式位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，有功功率及电能 参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。 1-7 霍尔式位移传感器的工作原理图 2）霍尔式转速传感器 图1-8所示的是几种不同结构的霍尔式转速传感器。 图1-8 几种霍尔式转速传感器的结构 3）霍尔计数装置 图1-9所示的是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通过霍尔开关传感器 时，传感器可输出峰值20 mV的脉冲电压，该电压经运算放大器（卩A741）放大后，驱动半导 蒞H尤 ｛牛 吐n惑坳强屢曲同的传黑 器 霜晦疋件 \ -Av 骷］罰腋的怖楞传想 器 雷耳朮件 At 畑铀构柑同的拉牌传感盟 1 了解霍尔传感器 I i的应用。 它不仅用于磁感应强度、 U) 2

CCD图像传感器详解汇总

CCD图像传感器 CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD 作图象探测元件。 一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。 一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理 CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。 当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

传感器与检测技术期末考试试卷及答案

传感器与自动检测技术 一、填空题（每题3分） 1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。 2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。 3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化。 5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。 7、固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。 8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用

智能传感器

汽车智能传感器 智能传感器 智能传感器（intelligent sensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。 汽车智能传感器 现代汽车正朝着智能化、自动化和信息化的机电一体化产品方向发展，以达到“人-汽车-环境”的完美协调。汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。目前，一般汽车装配有几十到近百个传感器，而高级豪华汽车更是有大约几百个传感器。 汽车传感器在汽车上主要用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统。它的应用大大提高了汽车电子化的程度，增加了汽车驾驶的安全系数。 发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心，种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息，供ECU对发动机工作状况进行精确控制，以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。 底盘控制用传感器是指用于变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、制动防抱死系统等底盘控制系统中的传感器。这些传感器尽管分布在不同的系统中，但工作原理与发动机中相应的传感器是相同的。而且，随着汽车电子控制系统集成化程度的提高和CAN

智能传感器概述

智能传感器概述 ——以智能温度传感器为例 摘要：智能传感器（Intelligent Sensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。本文以智能温度传感器为例，来说明智能传感器的发展历程、用途与发展前景。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：（1）传统的分立式温度传感器；（2）模拟集成温度传感器/控制器；（3）智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。 关键字: 智能温度传感器集成网络 正文： 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段;(1)传统的分立式温度传感器;(2)模拟集成温度传感器/控制器;(3)智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。 1．集成温度传感器的产品分类 1.1模拟集成温度传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。 1.2模拟集成温度控制器 模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。 1.3智能温度传感器 智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D

基于线性CCD图像识别智能小车的设计与开发

基于线性CCD图像识别智能小车的设计与开发 目前，具有自动驾驶功能的智能车越来越引起人们的重视。智能车装备了各种传感器来采集路况信息，通过计算机的控制可以实现自适应巡航，并且又快又稳、安全可靠。智能车不仅能在危险、有毒、有害的环境里工作，而且能通过计算机的控制实现安全驾驶，能大幅度降低车祸的发生率。智能车的设计关键是路况信息的采集，传统的方案多采用红外光电传感器，此方案不仅噪声较大，而且与主控CPU的连接电路复杂，传输速率慢。本文研究的智能小车系统选用了TSL1401CL线性CCD图像采集模块，该模块采用串行通信方式与主控CPU连接，不仅电路简单、性能稳定，而且采集速率快。通过实验测试，本文设计的智能车能根据采集到的图像分析前方路径及障碍而实现智能驾驶，具有极强的实用价值和市场前景。 1 系统设计思想 经过调研与分析，我们采用了MC9S12XS128单片机、TSL1401CL线性CCD图像采集模块、稳压芯片以及液晶OLED等外围器件设计与开发出这套智能小车系统。MC9S12XS128高速单片机为Freescale公司新推出的16位高性能高速单片机，其接口丰富、功耗低、信息处理能力强大，能对小车前方路径及障碍进行及时分析，处理迅速、性能稳定。为了提高路面图像采集的速度与质量，我们选用了TSL1401CL线性CCD图像传感器。TSL1401CL 具有功耗小、性能稳定、灵敏度高、响应速度快等优点，其工作过程是先将路况光学信号转换为模拟电流，模拟电流放大后再进行A/D转换变成数字信号，最后通过串口送至主控CPU。智能小车的CPU根据CCD采集到的信息进行分析和处理，从而实现系统的自动控制与障碍处理、路径探测。在软件设计中我们采用了先进的PID（比例、积分、微分）算法，其运算参数可以根据过程的动态特性及时整定。通过PID算法，模糊PID算法来实现智能车的转向、控速等精确自动控制，另外还有很好的避障功能，实现了全智能的安全控制。 2 系统硬件设计 本项目采用模块化设计与开发，主要有CCD采集模块、电源模块、电机驱动模块、车速

《传感器与自动检测技术》课后习题答案(余成波_主编)

一、1.1什么是传感器？传感器特性在检测技术系统中起什么作用？ 答：（1）能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。（2）传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。 1.2画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。 答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息 其中转换元件、信号调理电路都需要再接辅助电源电路； （2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用电路。 1.3什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。（3）灵敏度：s=&y/&x；非线性度=B/A*100%；回程误差=Hmax/A*100%；不重复性Ex=+-&max/Yfs*100%；精度：A=&A/ Yfs*100%； 1.4什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？ 答：（1）指传感器在稳定工作情况下输出量变化&y对输入量变化&x的比值；（2）灵敏度越高，测量精度就越大，但灵敏度越高测量范围就越小，稳定性往往就越差。 1.5什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？ 答：(1)通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线，在实际工作中，为使仪器（仪表）具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。（2）方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 二、2.1什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？各有什么用途？ 答：（1）由于测量过程的不完善或测量条件的不理想，从而使测量结果偏离其真值产生测量误差。（2）有绝对误差、相对误差、引用误差、分贝误差。（3）绝对误差用来评价相同被测量精度的高低；相对误差可用于评价不同被测量测量精度的高低；为了减少仪器表引用误差，一般应在满量程2/3范围以上进行测量。 2.2按测量手段分类有哪些测量方法？按测量方式分类有哪些测量方法？ 答：（1）按测量手段分类：a、绝对测量和相对测量；b、接触测量和非接触测量；c、单项测量和综合测量；d、自动测量和非自动测量；e、静态测量和动态测量；f、主动测量和被动测量。（2）按测量方式分类：直接测量、间接测量和组合测量。 2.3产生系统误差的常见原因有哪些？常见减少系统误差的方法有哪些？ 答:原因有：a、被检测物理模型的前提条件属于理想条件，与实际检测条件有出入；b、检测线路接头之间存在接触电动势或接触电阻；c、检测环境的影响；d、不同采样所得测量值的差异造成的误差；e、人为造成的误读等等。 2.4什么是准确度、精密度、精确度？并阐述其与系统误差和随机误差的关系？ 答：测量的准确度是指在一定的实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，以误差来表示；它表示系统误差的大小。精密度是指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致程度。反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度高。精确度是指被测量的测得值之间的一致程度以及与其真值的接近程度，即精密度与正确度的综合概念。从测量误差的角度来说，精确度（准确度）是测得值的随机误差和系统误差的综合反映。正确度是指被测量的测得值与其真值的接近程度。反映的是测得的系统误差。

传感器与检测技术课程教学大纲

《传感器与检测技术》课程教学大纲 一、课程的性质、课程设置的目的及开课对象 本课程是机械设计制造及其自动化专业（机械电子工程方向）学生的重要专业课程。本课程设置的目的是通过对传感器的一般特性与分析方法，传感器的工作原理、特性及应用，检测系统的基本概念的学习，通过本课程的学习，使学生掌握检测系统的设计和分析方法，能够根据工程需要选用合适的传感器，并能够对检测系统的性能进行分析、对测得的数据进行处理。 开课对象：机械设计制造及其自动化专业（机械电子工程方向）本科生。 二、先修课程：高等数学、工程数学、电子技术、数字电子技术等。 三、教学方法与考核方式 1.教学方法：理论教学与实验教学相结合。 2.考核方式：闭卷考试。 四、学时分配 总学时48学时。其中：理论38学时，实验10学时 五、课程教学内容与学时 （一）传感器与检测技术概念 传感器的组成、分类及发展动向，技术的定义及应用。 重点：传感器与检测技术的目的和意义。 教学方法：课堂教学和现场认识教学相结合。 （二）传感器的特性 1.传感器的静态特性 2.传感器的动态特性及其响； 重点：传感器的静态特性与动态特性的性质。 难点：工艺计算与平面布置；微机联网控制系统。 广度：本章主要讲述传感器特性的基础知识。 深度：主要讲述传感器的特性，不涉及复杂的内容。 教学方法、手段：课堂教学、多媒体教学，强化实际操作。 （三）电阻式传感器 1.电位器式传感器的主要特性及其应用 2.应变片的工作原理 3.应变片式电阻传感器的主要特性及应用 重点：理解电位器式传感器、应变片式传感器的工作原理，掌握它们的性能特点，了解其常用结构形式及应用。 难点：线性与非线性电位器的测量原理，应变片式传感器的测量原理、温度误差及其补偿。

单目视觉智能车路径识别及控制策略

单目视觉智能车路径识别及控制策略研究＊ 陈启迅　薛　静 （西北工业大学自动化学院　西安７１００７２ ）摘　要　研究了基于ＣＭＯＳ摄像头的图像采集方法，以及智能车赛道路径识别。提出了自适应差分边缘检测算法，采用取点求面积的方法提取指引线的相关参数。自适应差分边缘检测算法是在一般的边缘检测算法的基础上提出的，它能根据提取的左右边缘存在情况调整搜索范围、阈值，以及差值的求取方法。使用海伦公式求指引线上所取的三角形的面积， 据此提出了１种基于三角形面积的智能车速度控制方法，此方法以指引线上的三角形面积反映赛道的弯曲程度，并以此作为智能车速度控制的控制变量。 关键词　自适应差分边缘检测；智能车；图像采集；海伦公式 中图分类号：ＴＰ３０１．６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ ．ｉｓｓｎ　１６７４－４８６１．２０１２．０５．００６收稿日期：２０１２－０７－０４ 修回日期：２０１２－０９－ ０７　＊西北工业大学研究生创业种子基金项目（ 批准号：Ｚ２０１１０４７）资助第一作者简介：陈启迅（１９８４），硕士生．研究方向：控制工程、系统工程．Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｑ ｘ０６２０１４＠１２６．ｃｏｍ０　引　言 智能车辆系统是１个拥有感知环境能力，具备规划决策能力以实现自动行驶，并且可以实现多等 级辅助驾驶等功能于一体的综合系统［ １ ］。与很多学科有着密切关系，如计算机、控制、通信、图像处 理、人工智能、信号处理等，同时也是多种传感器融 合的载体。因为它一般集中了摄像机、ＧＰＳ、超声波雷达、激光雷达等多种传感器来感知周围环境， 并根据多传感器融合所获得的道路、车辆状态和障碍物信息进行控制车辆的转向和速度，从而使得车辆安全、可靠、稳定地在道路上行驶，因此智能车辆 是多学科综合于一体的高度智能化的产物［ ２－ ３］。文献［４］ 中介绍了一般差分边缘检测算法。文献［５ ］中描述了基于序列图像运动分割的车辆边界轮廓提取算法。文献［６］中提到了道路裂纹线检测中的脊波域图像增强算法。选用功耗低、前瞻性好的ＣＭＯＳ摄像头作为路径识别视觉传感器，采用自适应差分边缘检测算法有效地提取道路指引线，此算法具有很高的灵活性和适应能 力， 能够有效地降低干扰。进一步使用取点求面积的方法获取指引线参数。 １　视觉图像采集 １．１　硬件实现 ＣＭＯＳ视觉传感器图像采集电路［７］ 见图１ ，ＬＭ１８８１可以实现视频同步信号的分离。２脚为视 频信号输入端；３脚和５脚分别为场同步、行同步信号输出端；７脚为奇偶场同步信号输出端，在此不使用。视频信号同时接入微处理器ＡＤ转换口 。 图１　视频同步信号分离电路 Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｙ ｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｓｉｇ ｎａｌ　ｏｆ　ｖｉｄｅｏ１．２　软件实现 视频信号采集流程［８］ ：首先等待场信号的到 来；然后延时，跳过场消隐，约１．４４ｍｓ；等待行同步信号；判断采集行数是否满足要求，满足则采集完成，否则延时，跳过行同步信号和消隐信号；对１行视频信号进行连续采集； 延时，跳过若干行视频信号，再跳回到等待行同步信号，直至完成，就能采集到１幅有效而完整的视频图像了。 ２　自适应差分边缘检测算法 阈值分割法［９－ １０］在结构化道路上是提取指引 ４ ２交通信息与安全　２０１２年５期　第３０卷　总１７１期

基于单片机_温度传感器的温度智能控制系统的设计概要

- - /2011.09/ 基于单片机、温度传感器的温度智能 控制系统的设计 西安工程大学电信学院刘晓春 【摘要】在温度检测系统中,感应温度部分的元件是一般是金属热电阻、热电偶或者PN结,但这些测温元件所要配的测量电路较为复杂。感应出来的信号是模拟量,需要经采样保持电路后再进行A/D转换。才能送入单片机进行处理,但是由于这样的电路硬件复杂、精度不高、易受外界干扰。本文采用DS18B20温度传感器,它是一种可编程的温度传感器,内部集成了A/D转换电路,可与单片机直接连接,使单片机外围电路简单,比传统的温度测量精度高,应用场合广。 【关键词】单片机(89C51;自动控制;温度传感器(DS18B20;信号 引言 水温测量模块用于测量器皿中水的温度。系统需要利用测温传感器检测出水的实时温度,是控制模块做出正确的反应, 控制水的温度,对于测温传感器本文选择DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换,大大简化了电路的复杂度。控制器部分本文采用51系列的 89C51作为系统的控制器。单片机算术运算功能强,软件编程灵活,自由度大, 可用软件编程实现各种算法,并且具有功耗低,体积小,技术成熟,成本低廉等有点,使其在各个领域应用广泛。 1.系统的总体结构

系统总体结构分为:DS18B20模块, 显示模块,继电器模块,键盘输入模块, DS18B20可以被编程,所以箭头是双向的,89C51首先写入命令给DS18B20,然后 DS18B20开始转换数据,转换后通过89C51来处理数据。数据处理后的结果就显示到 数码管上,模块如图1所示。 本系统的执行方法是循环查询执行的,键盘扫描也是用循环查询的办法,由于本系统对实时性要求不是很高,所以没有用到中断方式来处理,系统模块如图2所示。 2.温度处理模块 2.1 温度传感器DS18B20 DS18B20与单片机的连接电路简单, 如图5,与单片机的数据通信采用串行通信已完成其对温度信息的采集与转换。 DSl8B20的外观及引脚如图4,有3个引脚。VDD接电源,电压范围为 3.0v~5.5V, 它的供电方式有2种,一个是通过数据线供电,一个是加外电源。GND为接地线。 DQ为数据线,通过小电阻与单片机连接, 进行数据通讯。数据可输入亦可输出。 2.2 温度转换算法及分析 因为DS18B20的温度存储单元中的代码不是实际的摄氏温度值,所以读出的数据要进行转换处理,因为精度是0.0625, 所以我们只需要将其转换成十进制再乘 0.0625便可得到温度值。由于它可以测负温度,所以再进行换算时首先要判断是正温度还是负温度,存储单元的高五位的值决定了温度的正负,若全为1则是负温度反之则为正温度。低4位存放的是温度的小数部分,本设计采用精度为0.1℃,所以处理时将低四位乘0.0625后进行小数舍入保

CCD视频传感器的智能车路径识别控制系统

第二届全国大学生智能汽车竞赛技术报告 基于CCD视频传感器的智能车路径识别控制系统（下） 4.2电源管理模块设计 电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、驱动电机模块、转动电机模块以及其它的外围辅助模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 全部硬件电路的电源由7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。本系统主要用到了以下几个不同的电压，如表4.1所示。 电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成。在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。 5V电源的实现是通过电源管理芯片TPS7350来实现的。TPS7350是一款低压稳压芯片，能提供5V的固定电压输出。TPS7350低压差稳压芯片克服了早期稳压芯片的缺点，而且还增加了如节电待机模式和供电管理等功能。与其它的稳压芯片一样，TPS7350需要外接一个输出电容来保持输出的稳定性。出于稳定性考虑，需要在稳压输出端和地之间接一个10uF低等效电阻的电容器。除非该等效电阻小于1.2欧姆，否则引入的陶瓷电容或薄膜电容器会使输出的电压不稳定。在很小或根本就没有旁路电容的情况下，输出电容可以减少到4.7uF，所提

传感器与自动检测技术实验指导书.

传感器与自动检测技术验 指导书 张毅李学勤编著 重庆邮电学院自动化学院 2004年9月

目录 C S Y-2000型传感器系统实验仪介绍 (1) 实验一金属箔式应变片测力实验（单臂单桥） (3) 实验二金属箔式应变片测力实验（交流全桥） (6) 实验三差动式电容传感器实验 (9) 实验四热敏电阻测温实验 (12) 实验五差动变压器性能测试 (14) 实验六霍尔传感器的特性研究 (17) 实验七光纤位移传感器实验 (21)

CSY-2000型传感器系统实验仪介绍 本仪器是专为《传感器与自动检测技术》课程的实验而设计的，系统包括差动变压器、电涡流位移传感器、霍尔式传感器、热电偶、电容式传感器、热敏电阻、光纤传感器、压阻式压力传感器、压电加速度计、压变式传感器、PN结温度传感器、磁电式传感器等传感器件，以及低频振荡器、音频震荡器、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、涡流变换器等信号和变换器件，可根据需要自行组织大量的相关实验。 为了更好地使用本仪器，必须对实验中使用涉及到的传感器、处理电路、激励源有一定了解，并对仪器本身结构、功能有明确认识，做到心中有数。 在仪器使用过程中有以下注意事项： 1、必须在确保接线正确无误后才能开启电源。 2、迭插式插头使用中应注意避免拉扯，防止插头折断。 3、对从各电源、振荡器引出的线应特别注意，防止它们通过机壳造成短路，并 禁止将这些引出线到处乱插，否则很可能引起一起损坏。 4、使用激振器时注意低频振荡器的激励信号不要开得太大，尤其是在梁的自振 频率附近，以免梁振幅过大或发生共振，引起损坏。 5、尽管各电路单元都有保护措施，但也应避免长时间的短路。 6、仪器使用完毕后，应将双平行梁用附件支撑好，并将实验台上不用的附件撤 去。 7、本仪器如作为稳压电源使用时，±15V和0~±10V两组电源的输出电流之和 不能超过1.5A，否则内部保护电路将起作用，电源将不再稳定。 8、音频振荡器接小于100Ω的低阻负载时，应从LV插口输出，不能从另外两个 电压输出插口输出。

传感器与智能检测技术课后习题答案.doc

西安理工研究生考试 传 感 器 与 智 能 检 测 技 术 课 后 习 题

1、对于实际的测量数据，应该如何选取判别准则去除粗大误差？ 答：首先，粗大误差是指明显超出规定条件下的预期值的误差。去除粗大误差的准则主要有拉依达准则、格拉布准则、t检验准则三种方法。准则选取的判别主要看测量数据的多少。 对于拉依达准则，测量次数n尽可能多时，常选用此准则。当n过小时，会把正常值当成异常值，这是此准则的缺陷。 格拉布准则，观测次数在30—50时常选取此准则。 t检验准则，适用于观察次数较少的情况下。 2、系统误差有哪些类型？如何判别和修正？ 答：系统误差是在相同的条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差按照一定规律出现的误革。 系统误差可分为：定值系统误差和变值系统误差。 变值系统误差乂可以分为：线性系统误差、周期性系统误差、复杂规律变化的系统误差。判定与修正： 对于系统误差的判定方法主要有： 1、对于定值系统误差一?般用实验对比检验法。改变产生系统误差的条件，在不同条件下进行测量，对结果进行比较找出恒定系统误差。 2、对于变值系统误差：a、观察法：通过观察测量数据的各个残差大小和符号的变化规律来判断有无变值系统误差。这些判断准则实质上是检验误差的分布是否偏离正态分布。 b、残差统计法：常用的有马利科夫准则（和检验），阿贝-赫梅特准则（序差检验法）等。 c、组间数据检验正态检验法 修正方法： 1.消除系统误差产生的根源 2.引入更正值法 3.采用特殊测量方法消除系统误差。主要的测量方法有：1）标准量替代法2）交换法3）对称测量法4）半周期偶数测量法 4.实时反馈修正 5.在测量结果中进行修正 3、从理论上讲随机误差是永远存在的，当测量次数越多时，测量值的算术平均值越接近真值。因此，我们在设计自动检测系统时，计算机可以尽可能大量采集数据，例如每次采样数万个数据计算其平均值，这样做的结果合理否？ 答：这种做法不合理。随机误差的数字特征符合正态分布。当次数n增大时，测量精度相应提高。但测量次数达到一定数Id后，算术平均值的标准差下降很慢。对于提高精度基本可忽略影响了。因此要提高测量结果的精度，不能单靠无限的增加测量次数，而需要采用适当的测量方法、选择仪器的精度及确定适当的次数等几方面共同考虑来使测量结果尽可能的接近真值。 4、以热电阻温度传感器为例，分析传感器时间常数对动态误差的影响。并说明热电阻传感器的哪些参数对有影响？ 答：1、对于热电阻温度传感器来说，传感器常数对于温度动态影响如式子t2=t x-T （dtJdt）所示，7■决定了动态误差的波动幅度。了的大小决定了随着时间变化

2018电大本科《传感器与测试技术》形考1-4

2018电大本科《传感器与测试技术》形考1-4 形考作业一 一、判断题（Y对/N错） 1．测试技术在自动控制系统中也是一个十分重要的环节。Y 2．金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数小。Y 3．热敏电阻传感器的应用范围很广，但是不能应用于宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温使用。N 4．电容式传感器的结构简单，分辨率高，但是工作可靠性差。N 5．电容式传感器可进行非接触测量，并能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。Y 6．电容式传感器不能用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位的测量。Y 7．电感传感器的基本原理不是电磁感应原理。N 8．电感式传感器可以将被测非电量转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。Y 9．互感传感器本身是变压器，有一次绕组圈和二次绕组。Y 10．差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。Y 11．传感器通常由敏感器件、转换器件和基本转换电路三部分组成。Y 12．电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。Y 13．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。Y 14．线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。Y 15．测量误差越小，传感器的精度越高。Y

16．传感器的灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比。N 17．传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力，当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。Y 18．测量转换电路首先要具有高精度，这是进行精确控制的基础。N 19．电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换成电压或者电流输出的一种测量电路。Y 20．电桥有两种类型：直流电桥和交流电桥。Y 二、简答题 1．传感器的输出信号通常可以分为哪两类？并举例说明。 答： 1模拟式：传感器输出的是模拟电压量； 2数字式：传感器输出的是数字量，如编码器式传感器。 2．传感器电路中常用的滤波器有哪些分类方法？ 答： 模拟滤波器的选频作用，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器； 根据构成滤波器的元件类型，可分为RC、LC或晶体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，可分为模拟滤波器和数字滤波器。 3．电阻应变片的工作原理是什么？ 答：被测的物理量（温度、压力等）的变化会引起电阻式传感器中传感元件电阻值的相应变