【文章內(nèi)容簡介】 跡電路 圖17 系統(tǒng)原理圖一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如RAM﹑ROM﹑I/O口﹑定時/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)的功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器﹑打印機(jī)﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，設(shè)計出合適的外圍接口電路。 循跡電路設(shè)計 公交小車從起始到終點(diǎn)的循跡光電檢測 單片機(jī)用測控系統(tǒng)時，循跡檢測電路被視作系統(tǒng)設(shè)計的前向通道，對被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境進(jìn)行檢測與控制，在前向通道設(shè)計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、信號調(diào)節(jié)、抗干擾設(shè)計、通道結(jié)構(gòu)、電源配置等一系列諸多問題，甚至還可能涉及到模擬信號的處理與設(shè)計。 傳感器的比較障礙的識別主要依靠傳感器的選擇，在要求的“道路”上行駛需要選擇不同的傳感器件，比如檢測金屬需要金屬探測傳感器、檢測溫度需用溫度傳感器等。本設(shè)計是傳感循跡，所以需要選擇循跡類的傳感器。傳感器類型優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)超聲波價格合理，夜間不受影響。測量范圍較小，對天氣變化敏感。視覺易于多目標(biāo)測量與分類，分辨率高。不能直接測量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢，價格較高。激光雷達(dá)價格相對合理，夜間不受影響對水、灰塵、燈光敏感，不易實現(xiàn)。MMW雷達(dá)不受燈光、天氣影響。價格較貴紅外傳感價格便宜，易實現(xiàn)，效果較好傳感距離一般較短，不適合特殊場合。 圖21 傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較所以，通過比較，我們選擇了紅外傳感器作為設(shè)計所需的傳感器件，并且選擇了紅外傳感器中的TCRT5000傳感器作為本次設(shè)計的傳感器件。 工作原理智能小車在白色紙上貼有黑色膠布的“道路”上行駛，由于黑色和白色的反射系數(shù)不同的原理，可根據(jù)反射的強(qiáng)弱來判斷循跡，所以本設(shè)計應(yīng)用該方案——紅外線探測法。本系統(tǒng)采用反射式光電傳感器（TCRT5000）用于檢測路面的黑線（），小車底盤沿黑線放置一排傳感器，用以檢測起始的數(shù)據(jù)和到達(dá)站點(diǎn)的停車與報警的需要。光線跟蹤，采用tcrt5000上的接收光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線，當(dāng)感受到光線照射時，其ce間的阻值下降，檢測電路輸出低電平，經(jīng)LM324電壓比較器比較信號后以信號的方式傳送給單片機(jī)控制。 其工作原理如下圖所示。 圖22 TCRT5000檢測電路圖如上圖檢測電路所示，當(dāng)傳感器檢測到黑線時，3號引腳對應(yīng)電平為低電平（低于5v），此時對比2號引腳的輸入電平低，比較器輸出2號引腳的信號，為邏輯低電平，將信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過檢測的信號控制小車的循跡方案；當(dāng)沒有檢測到黑線時，此時3號引腳為高電平（5v），比2號引腳的電壓高，比較器輸出3號引腳的信號，為邏輯高電平，單片機(jī)控制小車的另一循跡方案。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R3來控制2號引腳的信號強(qiáng)弱，用以調(diào)節(jié)傳感器的傳感精度。 圖23 LM324管腳圖圖22中R1的作用是限制二極管的發(fā)射電流，發(fā)射管通過的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流50mA的影響，用R1=150歐（實際作品采用300歐的電阻）的電阻作為限流電阻,Vcc=5V作為電源電壓，測試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測需要；可變電阻R2是限制接收電路的電流，一方面保護(hù)接收紅外管，另一方面可調(diào)節(jié)檢測電路的靈敏度。因為傳感器輸出端得到的是模擬電壓信號，所以在輸出端增加了比較器，（2引腳輸入信號）進(jìn)行比較后，再送給單片機(jī)處理和控制[1]。 圖24 LM324管腳連接圖（其中的TTT3分別傳感器輸出管腳） 圖25 LM324信號輸出檢測到白紙有接收到反射光LM324，2腳比較器反向端T1=0V，3腳比較器同向端=3V，同向端大于反向端則OUT1輸出1；檢測到黑線沒接收到反射光時LM324，2腳比較器反向端T1=5V，3腳比較器同向端=3V，反向端大于同向端則OUT1輸出0v。本設(shè)計共采用5個TCRT5000作為循跡信號的采集，放置于小車地盤前，當(dāng)最中間的傳感器采集到黑線時說明小車正在筆直行走，當(dāng)左一傳感器檢測到黑線時說明小車該右轉(zhuǎn)，此時單片機(jī)控制信號給右輪電機(jī)驅(qū)動信號控制停止，給左輪信號工作，用以修正循跡；同理右一傳感器檢測到信號時，單片機(jī)控制左輪停止轉(zhuǎn)動（即停止供電），控制右輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)。左二與右二傳感器作為后備檢測以防止小車速度過快時左一與右一無法檢測，實現(xiàn)精確傳感。 TCRT5000傳感器價格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了TCRT5000反射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件，TCRT5000采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測方式。其檢測距離較小，通過對其檢測發(fā)現(xiàn)，檢測效果最好。循跡電路小車工作圖：注：紅外傳感為0表示循跡檢測到“黑線”，1表示檢測到“白紙”。 （左輪電機(jī)），（右輪電機(jī)）。其中1表示單片機(jī)輸出高電平，0表示低電平，通過L298n實現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)。紅外傳感器探頭電機(jī)驅(qū)動引腳小車工作狀態(tài)000000000小車停車110111010前進(jìn)101110010左轉(zhuǎn)111011000右轉(zhuǎn)100000000小車到站 圖26 循跡模塊工作時序圖 直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計在工業(yè)控制中，單片機(jī)總要對控制對象實現(xiàn)操作才具有控制意義，因此，對于這樣的系統(tǒng)，總要有工作對象，即后向通道。后向通道是計算機(jī)實現(xiàn)控制運(yùn)算并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對控制對象進(jìn)行輸出信號的通道接口。根據(jù)單片機(jī)對信號的輸出與對控制對象的控要求，后向通道有如下特點(diǎn)： 小信號輸出，大功率控制。單片機(jī)自身帶負(fù)載能力并不強(qiáng)，所以設(shè)計時必須合理設(shè)計，不能超過其負(fù)載，否則無法正常工作，如果需要對大功率電路進(jìn)行控制時，需要對控制電路進(jìn)行額外供電。 是一個通道。輸出控制信號，作為狀態(tài)反饋信號通過前向通道回到單片機(jī)。 接近控制系統(tǒng)，工作環(huán)境復(fù)雜多變，環(huán)境比較惡劣。單片機(jī)對大功率電路進(jìn)行控制時，總是無法避免回遭受到一定的信號干擾，在情況較為惡劣時，甚至無法正常工作！所以在設(shè)計時適當(dāng)考慮信號隔離（光電隔離）是很重要的。所以根據(jù)對后向通道的了解，單片機(jī)進(jìn)行控制時，后向通道必須解決如下問題： 功率驅(qū)動。在單片機(jī)無法驅(qū)動負(fù)載時必須為負(fù)載電路設(shè)計驅(qū)動電路以保證其正常工作。 干擾防治。基本的做法是采用光電隔離、信號隔離、功率開關(guān)實現(xiàn)零切換等措施。 數(shù)模轉(zhuǎn)換。在一些特殊條件下還必須考慮數(shù)模切換等問題，用以保證系統(tǒng)的正常工作。單片機(jī)驅(qū)動信號很弱，在無其他負(fù)載的情況下也無法驅(qū)動電機(jī)，所以必須給其加裝電機(jī)驅(qū)動單元，因此我們在平時使用時都必須加裝驅(qū)動單元，用以提供更大的功率，從而控制與驅(qū)動直流電機(jī)工作。本設(shè)計采用驅(qū)動功率較大的L298N來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計。其電路圖如下所示。 圖27 基于l298n的直流電機(jī)驅(qū)動由圖可知，L298N可以帶負(fù)載驅(qū)動兩個直流電機(jī)，當(dāng)其使能端接高電平即可工作，也可使用單片機(jī)進(jìn)行控制，極大的滿足了復(fù)雜電路的設(shè)計需要。并且，L298N的驅(qū)動功率較大，能根據(jù)輸入電壓的大小而變化輸出電壓的大小，極大的滿足了電機(jī)驅(qū)動，避免了驅(qū)動能力不夠的問題。連接直流電機(jī)和單片機(jī)的連接不僅需要供電驅(qū)動模塊，而且為了避免信號的干擾問題，我們選擇了光電隔離器作為緩沖。 圖28 帶光電隔離的L298N電機(jī)驅(qū)動電路 pwm脈沖寬度調(diào)制本設(shè)計調(diào)速采用PWM脈沖寬度調(diào)速。為實現(xiàn)智能公交小汽的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)，本設(shè)計采用了可逆型PWM調(diào)速器?？赡嫘蚉WM調(diào)速器的主電路的結(jié)構(gòu)類型有T型、H型等。我們在設(shè)計中采用了常用型雙極式H型調(diào)速，它是由4個三極管（電力晶體管）與4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。下圖即雙極式H型可逆PWM調(diào)速器的電路原理圖。圖29 雙極式H型可逆PWM調(diào)速器電路原理圖4個三極管（電力型）的基極驅(qū)動電壓分為兩組，其中