【正文】 獲得很寬的 3 頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀 態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了 H 型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng) PWM 變換器。 脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車(chē)的前行與倒車(chē)，本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM 變換器。可逆 PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H 型、 T型等類(lèi)型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H型變換器，它是由 4 個(gè)三極電力晶體管和 4 個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。 二 檢測(cè)系統(tǒng) 檢 測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車(chē)的避障、位置、行車(chē)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。 1．行車(chē)起始、終點(diǎn)及光線(xiàn)檢測(cè)： 本系統(tǒng)采用反射式紅外線(xiàn)光電傳感器用于檢測(cè)路面的起始、終點(diǎn)（ 2cm 寬的黑線(xiàn)），玩具車(chē)底盤(pán)上沿黑線(xiàn)放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開(kāi)始和終點(diǎn)的停車(chē)的需要。利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙。光線(xiàn)跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線(xiàn)，當(dāng)感受到光線(xiàn)照射時(shí)，其 ce 間的阻值下降，檢測(cè)電路輸出高電平，經(jīng) LM393 電壓比較器和 74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制。 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在電動(dòng)車(chē)車(chē)頭的左 、右兩個(gè)方向，用來(lái)控制電動(dòng)車(chē)的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)，單片機(jī)控制直行。見(jiàn)圖 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 (a)。 行車(chē)方向檢測(cè)電路（見(jiàn)圖 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 (b)）采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線(xiàn)發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線(xiàn)照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來(lái)的紅外線(xiàn)后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。 此套紅外光電傳感器固定在底盤(pán)前沿，貼近地面。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線(xiàn)經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號(hào)；電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)黑線(xiàn)時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線(xiàn)被黑線(xiàn)吸收，接收端接收不到反射光線(xiàn)，傳感器輸出低電平信號(hào)后送 80C51 單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來(lái)控制玩具車(chē)的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn) ,進(jìn)入減速區(qū)時(shí) ,由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速 ,通過(guò)軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車(chē)。前行與倒車(chē)控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設(shè)置有兩組開(kāi)關(guān)，一組常 閉，另一組常開(kāi)。 4 圖 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 (a) 圖 電動(dòng)車(chē)的方向檢測(cè)電路 (b) 電橋一端接電源，另一端接了一個(gè)三極管。三極管導(dǎo)通時(shí)，電橋通過(guò)三極管接地，電機(jī)電樞中有電流通過(guò)；三極管截止時(shí)，電橋浮空，電機(jī)電樞中沒(méi)有電流通過(guò)。系統(tǒng)通過(guò)電橋的輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電。通過(guò)對(duì)繼電器開(kāi)閉的控制即可控制電機(jī)的開(kāi)斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車(chē)前行與倒車(chē)的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能。如圖 前行與倒車(chē)控制電路所示。 5 圖 檢測(cè)放大器方案： 方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、價(jià)格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。 方案二：采用差動(dòng)放大電路。選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路，雖然可以達(dá)到一定的精度，但有時(shí)仍不能滿(mǎn)足某些特殊要求。例如，在測(cè)量本設(shè)計(jì)中的光電檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要把檢測(cè)過(guò)來(lái)的電平信號(hào)放大并濾除干擾，而且要求對(duì)共模干擾信號(hào)具有相當(dāng)強(qiáng)的抑制能力。這種情況下須采用差動(dòng)放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。但在實(shí)際操作中，往往滿(mǎn)足了高共模抑制比的要求，卻使運(yùn)算放大器輸出飽和；為獲得單片機(jī)能識(shí)別的TTL 電平卻又無(wú)法抑制共模干擾。 方案三：電壓比較 器方案。電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小，例如將一個(gè)信號(hào)電壓 Ui和一個(gè)參考電壓 Ur 進(jìn)行比較，在 UiUr 和 UiUr 兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個(gè)不同的電平，即高電平和低電平。而 Ui變化經(jīng)過(guò) Ur 時(shí)，比較器的輸出將從一個(gè)電壓跳變到另一個(gè)電平。 比較器有各種不同的類(lèi)型。對(duì)它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動(dòng)作要迅速，抗干擾能力要強(qiáng)，還應(yīng)有一定的保護(hù)措施，以防止因過(guò)電壓或過(guò)電流而造成器件損壞。 比較器的特點(diǎn)： ⑴ 工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)。放大、運(yùn)算電路為了實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿(mǎn) 足 A+d1d8823001 2A74L S 06 d280505001 2A74L S 06VCCD1 D2 6 一定的精度要求，這些電路中的運(yùn)放均引入了深度負(fù)反饋；而為了提高比較器的反應(yīng)速度和靈敏度，它所采用的運(yùn)放不但沒(méi)有引入負(fù)反饋，有時(shí)甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同的。 ⑵ 非線(xiàn)性。由于比較器中運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過(guò)最大輸出電壓，使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線(xiàn)性關(guān)系，即在放大、運(yùn)算等電路中常用的計(jì)算方法對(duì)于比較器不再適用。 ⑶ 開(kāi)關(guān)特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此它相當(dāng)與一個(gè)受輸入信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過(guò)閾值時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。由于比較器的輸入信號(hào)是模擬量，而它的輸出電平是離散的，因此電壓比較器可作為模擬電路與數(shù)字電路之間的過(guò)渡電路。 由于比較器的上述特點(diǎn)，在分析時(shí)既不能象對(duì)待放大電路那樣去計(jì)算放大倍數(shù)，也不能象分析運(yùn)算電路那樣去求解輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系，而應(yīng)當(dāng)著重抓住比較器的輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平的臨界條件所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值（閾值）來(lái)分析輸入量與輸出 量之間的關(guān)系。 如果在比較器的輸入端加理想階躍信號(hào)，那么在理想情況下比較器的輸出也應(yīng)當(dāng)是理想的階躍電壓，而且沒(méi)有延遲。但實(shí)際集成運(yùn)放的最大轉(zhuǎn)換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號(hào)。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r(shí)間稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。 減小比較器響應(yīng)時(shí)間的主要方法有： (1) 盡可能使輸入信號(hào)接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍 且幅度足夠大。 (2) 選用集成電壓比較器。 (3) 如果選用集成運(yùn)放構(gòu)成比較器，為了提高響應(yīng)速度可以加限幅措 施，以避免集成運(yùn)放內(nèi)部的管子進(jìn)入深飽和區(qū)。具體措施多為在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并聯(lián)二極管。如圖 電壓比較器電路所示： 圖 電壓比較器電路 在本設(shè)計(jì)中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號(hào)且伴有外界雜波干擾，所以我們嘗試采用了一種滯回比較器。簡(jiǎn)單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說(shuō)如果輸入信號(hào)因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會(huì)反 7 復(fù)的從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機(jī)或繼電器，將出現(xiàn)頻繁動(dòng)作或起?，F(xiàn)象。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決了這個(gè)問(wèn) 題。滯回比較器有兩個(gè)數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)因受干擾或其他原因發(fā)生變化時(shí)，只要變化量不超過(guò)兩個(gè)閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會(huì)來(lái)回變化。所以抗干擾能力強(qiáng)。 但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無(wú)法消除的。 方案四：施密特觸發(fā)器。 綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，最后我們決定采用數(shù)字器件 —— 施密特觸發(fā)器。 施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號(hào)的幅值增加到足夠大，它就從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類(lèi)似的滯回特性，但施 密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng)。 2．行車(chē)距離檢測(cè) 由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以及可見(jiàn)光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤(pán)測(cè)速方案。具體電路同圖 行車(chē)距離檢測(cè)電路所示： 圖 行車(chē)距離檢測(cè)電路 紅外測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤(pán)，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測(cè)長(zhǎng)輪的周長(zhǎng)為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值（如本設(shè)計(jì)中采用 米），精度根據(jù)電動(dòng)車(chē)控制的需要確定。測(cè)距輪安裝在車(chē)輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。 遮光盤(pán)有一缺口，盤(pán)下方的凹形物為槽型光電 耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤(pán)在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線(xiàn)可以通過(guò)，缺口離開(kāi)凹槽紅外線(xiàn)被阻擋。由此可見(jiàn)，測(cè)距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)整形器后送入計(jì)數(shù)器或直接送入單片機(jī)中。 為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們?cè)跍y(cè)距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤(pán)先后通過(guò)凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生的先后順序與兩個(gè)光電耦合器的位置關(guān)系，即可計(jì)算出玩具車(chē)的行駛方向（前進(jìn)或后退）。 遮光盤(pán)及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線(xiàn)的干 擾，使電路不能正常工作。 8 測(cè)距原理：將光柵安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮，在光柵的另一側(cè)設(shè)有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線(xiàn)信號(hào)。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線(xiàn)三極管接收到的就是一系列脈沖信號(hào)。將該信號(hào)傳輸?shù)?80C51 單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)預(yù)先實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)車(chē)的行車(chē)距離。 三 顯示電路 本設(shè)計(jì)中用兩片 4位八段數(shù)碼管 gem4561ae作顯示器 ,并具有雙重功能 ,在小車(chē)不行駛時(shí)其中一片顯示年﹑月 ,另一片顯示時(shí)﹑分； 當(dāng) 小車(chē)行駛時(shí) ,分別顯示時(shí)間和行駛距離。 四 系統(tǒng)原理圖 簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)采用 80C51 單片機(jī)進(jìn)行智能控制。開(kāi)始由手動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)，并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過(guò)規(guī)定的起始黑線(xiàn)，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)控制小車(chē)開(kāi)始記數(shù)顯示并避障、調(diào)速；系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能通過(guò)超聲波傳感器正前方檢測(cè)和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；在電動(dòng)車(chē)進(jìn)駛過(guò)程中，采用雙極式H 型 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能；采用動(dòng)態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程。 系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)原理圖 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D108 0 C 5 1調(diào)速時(shí)間、里程顯示起停、避障、位移、檢測(cè)看門(mén)狗電路時(shí)鐘電路復(fù)位電路 9 第三章 硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O 口﹑定時(shí) /記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等能量不能滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)顯示器﹑打印機(jī)﹑ A/D﹑ D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 一 80C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 80C51 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上 [2]。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成 ，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行 I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線(xiàn)連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè) 8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為 128 個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 3 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。 4 中斷系統(tǒng) 具有 5個(gè)中斷源， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 5 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。 6 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕?lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行 I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 7 P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4口