【文章內(nèi)容簡介】 0us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說 PWM 的占空比就是 1： 5。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 15 頁 共 38 頁 4 系統(tǒng) 的 硬件電路 根據(jù)設計題目要求，系統(tǒng)可以初步劃分為單片機部分，顯示電路部分，報警電路部分，抗干擾電路部分，控制電路部分，電源電路部分和傳感器部分。其各部分之間的關(guān)系如圖所示，其中采用了 89C52 型單片機組成基本硬件電路，再配合其它元器件搭建起系統(tǒng)硬件電路。整體框圖如圖 41 所示。 STC 89 C 52單片機電源電路驅(qū)動電路報警電路顯示電路傳感器電路抗干擾電路 圖 41 控制系統(tǒng)整體框圖 超聲波發(fā)送接收電路 超聲波發(fā)射電路的設計 超聲波換能器兩端的震蕩脈沖是由單片機 口產(chǎn)生的 40kHz 方波提供的。為了增加超聲波的探測距離，就需要增加超聲波換能器的功率。為此設計中采用了 CD4069六非門反相器來增強超聲波的發(fā)射功率，由于非門實質(zhì)上是放大倍數(shù)很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進入線性放大區(qū)，圖 42所示為本設計中非門放大原理的示意圖。單片機 口產(chǎn)生的 40KHz 方波信號一路經(jīng)反向器反相后 傳 送到超聲波換能器的 其中 一個電極 中 ，另一路經(jīng)兩級反 相器反向后送入超聲波換能器的另一個電極。將方波信號加到超聲波換能器兩端 的 這種推挽形式可以提高超聲波的發(fā)射強度。采用兩個反向器并聯(lián) 的 輸出端 可 以提高驅(qū)動能力。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 16 頁 共 38 頁 圖 42 超聲波發(fā)射電路非門發(fā)射原理示意圖 其電路原理圖如圖 43 所示。上拉電阻 R23,R24 一方面可以提高反相器的高電平驅(qū)動能力，另一方面可以增強超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。 Q7 的作用是提高單片機 I/O 口的輸出電壓，目的也是提高超聲波 發(fā)射的功率。 圖 43 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波接收電路的設計 集成芯片 CX20216A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機遙控器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與本設計中超聲波頻率 40KHz 較為接近，所以利用它來制作超聲波檢測接收電路。實驗證明 CX20216A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。如圖 44 所示為 CX20216A 內(nèi) 部結(jié)構(gòu)及電路連接圖。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 17 頁 共 38 頁 圖 44 CX20216A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 使用 CX20216A 集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是 CX20216A的引腳注釋 ∶ 1 腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R1 或減小 C1,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C1 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，典型參數(shù) R1=， C1=1μF[14]。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，經(jīng)試驗測試取 。 5 腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率 F0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ 時， F0≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率 F0≈38kHz。 6 腳： 該腳與地之間接一個積分電容， 標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。 4， 8 腳：電源正極， ～ 5V。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 18 頁 共 38 頁 電機驅(qū)動電路 的設計 由于單片機 I/O 口驅(qū)動能力弱，不能直接連接直流電機，故需要驅(qū)動芯片進行驅(qū)動。該設計采用的是基于 L293D 的電路連接方式， L293D 內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。其 是一種四相和二相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器， 接收標準 TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的電機 [15]。其電路如圖 45 所示。 圖 45 電機驅(qū)動電路連接圖 1 腳和 15 腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。本電路未用到采樣所以將其接地。 L293D 可以驅(qū)動 2 個直流電機， OUT OUT2 和 OUT OUT4 之間分別接 1 個電動機。 5 腳、 7 腳、 10 腳、 12 腳接輸入控制信號，控制電機的正反轉(zhuǎn)， ENA，ENB 為電機控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。本電路中分別與單片機 89C52 的 、 相連， L293D 的邏輯功能如表 41 所示 。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 19 頁 共 38 頁 表 41 L293D 邏輯功能表 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H H H 快速停止 H L L 快速停止 L 任意 任意 停止 由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，所以在電機的驅(qū)動信號輸入端并聯(lián)電容C34，用以濾除噪聲干擾。 4. 3 顯示電路的設計 數(shù)碼管有一位、雙位、四位等幾種，而不管將幾位數(shù)碼管連在一起，數(shù)碼管的顯示原理都是一樣的，都是靠點亮內(nèi)部的發(fā)光二極管來發(fā)光的，數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 46所示，從圖 46（ a）可看出，一位數(shù)碼管的引腳是 10 個，顯示一個 8 字要 7 個小段，另外還有一個小數(shù)點，所以內(nèi)部共有 8 個小的發(fā)光二極管，最后還有一個公共端，生產(chǎn)商為了封裝統(tǒng)一，單位數(shù)碼管都封裝 10 個引腳，而他們的公共端分為共陽極和共陰極， 如圖 46（ b）所示。 （ a ) ( b ) 圖 46 數(shù)碼管顯示原理圖 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 20 頁 共 38 頁 本小車用的開發(fā)板是 4 位共陽極數(shù)碼管，所謂 “共陽 ”就是指其內(nèi)部的 8 個發(fā)光二極管的陽極全部連在一起，而他們的陰極是獨立的 [16]，通常在 設計電路時一般把陽極接VCC，當我們給數(shù)碼管的任一個陰極加低電平時，對應的那個發(fā)光二極管就點亮了。 當使用多位一體數(shù)碼管時，它內(nèi)部的公共端是獨立的，而負責顯示什么數(shù)字的段線全部都是連在一起的，獨立的公共端可以控制多位數(shù)碼管中哪一位點亮，通常我們把公共端叫做 “位選線 ”，連在一起的段線叫做 “段選線 ”[17]。 本設計所用開發(fā)板的數(shù)碼管共陰端與 P0 口連接，共陽端經(jīng)過一個反相器與 P2 口相連，其硬件連接圖如圖 47 所示。 圖 47 數(shù)碼管連接圖 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 21 頁 共 38 頁 4. 4 聲光警示電路的設計 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 J a n 2 0 07 S he e t o f F i l e : E : \畢業(yè)設計 \ S C H \ l o v e L L .D D B D r a w n B y:D8L E DD4L E DQ 1 0P N PV C CGNDR 2 51KR 2 61KR 2 41KP 2. 4 （ a) 閃光報警電路 (b)蜂鳴器報警電路 圖 48 聲光警示電路原理圖 由于單片機 I/O 口不能直接驅(qū)動高亮 LED，所以要通過一個驅(qū)動電路來驅(qū)動，其電路如圖 48 所示， Q10 為驅(qū)動三極管， R24 為限流電阻通過單片機的 口控制 Q10的通斷 ，當 被置低電平時三極管導通，發(fā)光管 D D8 點亮；當為高電平時是三極管截至，發(fā)光管熄滅 [18]。同樣原理可以控制蜂鳴器發(fā)聲 。 4. 5 電源模塊設計 智能小車的供電設施是一塊鎳氫充電電池，它有低成本， 循環(huán)壽命長，無污染，安全性能好，溫度使用范圍廣等特點。它的容量為 2A，最高輸出電壓 ,有很強的續(xù)航能力。電機啟動時產(chǎn)生的電壓波動會嚴重影響單片機的正常工作，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩組電源供電如圖 49， 410 所示 ∶ 圖 49 9V 供電電路 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 22 頁 共 38 頁 圖 410 5V 供電電路 第 二 組電源通過三端穩(wěn)壓器 7805 穩(wěn)壓后給單片機和其它電路供電，另外一組電源經(jīng) 7809 穩(wěn)壓后給電機驅(qū)動芯片 L293D 供電，考慮到模塊間的相互干擾問題，兩個電源之間還添加了隔離措施，這樣有效的解決了后向通道會對單片機最小系統(tǒng)以及前向通道產(chǎn)生干擾的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源電路連接圖見圖 49， 410。電路中的濾波電容 C16 可以改善輸出的電壓紋波。 C18 是當負載電流突變時，為改善電源的動態(tài)特性而設 定 的， 其 取值約為 100～ 470uF[19]。在結(jié)構(gòu)上，它們是由兩個電容極板 的 中間加絕緣介質(zhì)卷繞而成的。因 此，對電源中的高頻分量，電解電容均含有電感，而集成穩(wěn)壓器內(nèi)部帶有負反饋，在高頻下，通過 C1 C18 的耦合，可能會使穩(wěn)壓器的輸出端產(chǎn)生有害振蕩。 C1 C19 正是為抑制這種振蕩或消除電網(wǎng)串入的高頻干擾而設置的，通常 C1 C19 取值為 ～ 。 D1 為電源指示燈。由于直流電機在工作時會產(chǎn)生電磁干擾，和噪聲，本電路還添加了由 C1 C1 L1 組成濾波網(wǎng)絡，目的是濾除電機啟動時所產(chǎn)生的尖峰脈沖。 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 23 頁 共 38 頁 5 系統(tǒng)的軟件設計及工作流程 5. 1 測距子程序流程圖 開始顯示距離比較障礙計算距離等待反射超聲波發(fā)射超聲波脈沖 圖 51 測距子程序流程圖 主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化之后，超聲波測距程序設置定時器 T0 為 16 位定時器，開中斷允許位 EA，清零顯示端口 P0 和 P2。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序 ，發(fā)送 出一個超聲波脈沖，為了避免信號 的 直接耦合干擾需要 將信號發(fā)出后 延時 在開外部中斷接收返回的超聲波信號（這也就是超聲波測距會有一個最小可測距離的原因）。由于系統(tǒng)采用的是 12M 晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是一微秒，當主程序檢測到接收成功標志位后 ，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)按公式 51 計算 本 科 畢 業(yè) 設 計 第 24 頁 共 38 頁 d=(c*t)/2=172*T0/10000 （ 51） 在室溫下測試聲速為 340m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測距離 L 的 2倍如圖 52 所示， L 便是被測物體和超聲波傳感器之間的距離，式中 T0 為計數(shù)器 T0 中的計數(shù)值。 圖 52 超聲波測距原理示意圖 測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示，與此同時送入累加器 A 與安全距離進行比較，若判定前 方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復測量過程。 本設計中智能小車的回轉(zhuǎn)半徑為 40cm， 設定的安全距離為 20cm，由于程序設計小車每次都向 左 側(cè)避障，所以小車能夠完成避障操作的條件是測試環(huán)境障礙物的間距大于20cm，這樣小車才可以正常工作。