【正文】 圖 繼電器式電機驅動電路 方案二：采用三極管組成的開關 PWM電路。對于電機驅動電路有下面的幾種方案。同時為提高傳感器的方向性，在二極管感應平面的前端固定一根 2cm長的塑料筒， 光源檢測實物示意圖 如圖 。光源探測模塊的功能主要是引導小車朝光源行駛，使小車具有追蹤光源的功能。表 ，從表中可以看出，中間的傳感器起到預判的作用，在小車輕微偏離時，可以調整車輪小幅度偏轉，一旦小車速度過快，嚴重偏離軌道時，調整小車大幅度偏轉，小車的穩(wěn)定度和速度得到了保證。且這些紅外光子的能量的大?。醇t外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求，才能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。 熱探測器是利用所接收到的紅外輻射后，會引起溫度的變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例，當紅外線被黑線吸 收是、時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機可以根據電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。 （ 5）路 面軌跡檢 測模塊 路面檢測模塊實現(xiàn)小車跟隨黑色軌道行駛，在行駛的途中不能超出軌道。受鼠標的工作原理啟發(fā)，采用透射式光電傳感器。 在本設計中，采用 高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、耐高、低溫度、耐濕度、耐沖擊、發(fā)射頻率為 40kHz的超聲波 傳感器判斷障礙物的距離。 應用單片機發(fā)射和接收超聲波傳感器信號的方框圖 如圖 。即超聲波射線從一種物質表面反射時，入射角等于反射角 。如圖 ，單片機控制信號在延時后控制激光發(fā)射器發(fā)射激光束，同時開始計時，當接收器將接收的信號反饋給單片機時停止計時。對于測距傳感器的選擇有以下幾種方案。當被測物體與線圈的接近時，導體產生的感應磁場使線圈的 電感變化 L，從而引起 LC回路失諧 ，振幅下降，輸出電壓 u變小。 40 調幅法：調幅電路如圖。它是將線圈的電感 L隨外作用變化轉化為電壓或電流變化。電渦流傳感器的探測部分是由空心線圈構成的，當線圈有振蕩電流通過時，空心線圈產生 一個交變的磁場 H1，當有金屬導體進入線圈的磁場范圍時，金屬導體內部便產生感應電流，即，渦流 I2，該渦流又產生一個新的感應磁場 H2， H2和 H1的方向相反，它會削弱原磁場 H1，從而使線圈的阻抗、 Q值和 L的值發(fā)生改變。 圖 單片機控制的方框圖 （ 2） 金屬探測模塊 金屬探測模塊主要用于跑道中金屬塊的探測?；谝陨戏治鰯M定方案二，小車 單片機控制的方框圖 如圖 。 FPGA采用并行的輸入輸出方式 ，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。 38 圖 小車的基本模塊方框圖 各模塊方案選擇和論證 根據題目要求，控制器主要用于各個傳感器信號的接收和辨認、控制小車的電機的動作、控制顯示車速與運行的時間以及小車在停車時發(fā)出的聲光信號等。 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 設計要求 （注：設計要求與第 1章 ，本書為節(jié)省篇幅，略） 系統(tǒng)基本方案 根據題目要求，系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號檢測部分。 電機 控制核心采用 AT89C2051單片機，控制系統(tǒng)與電路用光 電耦合器 完全隔離以避免干擾。 在功能方面，系統(tǒng)還實現(xiàn)了立體聲編碼、自制音源設計并可利用液晶顯示器顯示設定頻率、實測頻率、電壓峰 峰值、自制音源曲目信息和時間，使方案更加完善。 輸出功率 ≥ 20mW。 測試結果表明，在軟硬件的結合下，壓控振蕩器能達到性能指標。 電壓峰 峰值的測試 用示波器來測量振蕩頻率以 1MHz為步進變化時的輸出電壓峰 峰值并計算其精度。式 。 4. 系統(tǒng)測試 測試使用的儀器 測試使用的儀器設備如表 。 tone 模塊產生獲得音階的分頻預置值。分為四個模塊：分頻 (pulse)、 樂曲自動演奏（ automusic）、音調發(fā)生（ tone）和數(shù)控分頻 (speaker)。 data=00111100。lcdda=39。控制進程是利用狀態(tài)機來完成的。 30 圖 FPGA 內部電路原理圖 FPGA 內部電路的工作流程是 :首先數(shù)據的預置 ,然后被預置的數(shù)據通過液晶顯示器譯碼模塊（ lcd_decoder）譯成液晶顯示器中所對應的二進制代碼，送入液晶顯示器驅動模塊（ lcd_driver），由 lcd_driver模塊的輸出信號直接控制液晶顯示器，輸出對應的字符。液晶顯示器譯碼模塊（ lcd_decoder）是把輸入的時間譯成與之對應的液晶顯示器的專用二進制代碼。 HD44780有 8 條指令，指令格式非常簡單，利用 FPGA 驅動字符型液晶顯示模塊主要是對這 8條指令進行控制。 D7～ D0 為數(shù)據總線，接收來自外部的數(shù)據。分為控制部分和驅動部分，控制部分產生其內部工作時鐘，控制著各個功能電路的工作，管理著字符發(fā)生器 CGRAM和 CGROM，顯示存儲器 DDRAM。利用液晶顯示屏來顯示設定頻率、實測頻率、電壓峰 峰值、時間和自制音源中存儲的 曲目。一共分為 6個狀態(tài)。當模擬量送至某一輸入端時（如 IN1 或 IN2等），由 3位地址信號選擇，而地址信號由 ALE 鎖存； EOC當啟動轉換約 100μ s后， EOC產生一個負脈沖，以示轉換結束；在 EOC的上升沿，若使輸出使能信號 OE 為高電平，則控制打開三態(tài)緩沖器，把轉換好的 8位數(shù)據結構輸至數(shù)據總線。 圖 頻率測量原理框圖 ADC0809 的控制程序設計 相關軟件用 VHDL硬件描述語言編寫。該控制器產生三個控制信號： t_en。利用計數(shù)器對被測頻率脈沖計數(shù)，當時鐘周期為1S時測得的脈沖個數(shù)即為所測頻率。相關軟件利用 VHDL 語言來編寫。在程序設計中，不需要將每個變化都存入 FPGA，而是使用一個變量 fa，其值分別對應不同的步進取值為 20或 36，選擇檔位不同， fa就取相應的值即可。圖32 為參數(shù)計算的流程圖。分為三個檔，若選擇的檔位不同， A、 N值的計算可由前述的公式來完成，但是在編程過程中并不是將該算法存入程序，而是尋找到 A、 N 的變化規(guī)律，找到簡單的計算方法。 圖 為軟件設計流程圖。 R，即確定調頻步進； ② 設定分頻系數(shù) A、 N的值，以得到需要的輸出頻率； ③ 測量輸出頻率并顯示； ④ 顯示時間； ⑤ 控制 ADC0809的工作； ⑥ 產生自制音源； ⑦ 驅動液晶顯示器； MC145152的控制和顯示部分的程 序設計 相關軟件采用 VHDL硬件描述語言編寫。由此可得，N=15,A= 64=40。 現(xiàn)舉例計算確定 A、 N 的值，使輸出頻率為 fc=5MHz，步長 fr’ = 5KHz (前面已經給出計算過程 )。 由 fr 確定的 N值和 A值的范圍應該在 MC145152范圍內（ A的范圍 0～ 63， N的范圍 0～1023），并 且必須滿足 N＞ A。對其進行247。首先應確定參考頻率 fr, ， fr為步長（頻率間隔）的整數(shù)倍。 左右聲道各通過一個時間系數(shù)為 50μs 的預加重電路把音頻信號輸入到BA1404內部。然后將輸出電壓經 AD 轉換后送入 FPGA 就可以直接測得電壓峰 峰值。輸入電壓加到該電路中，正半周時二極管導通，對電容充電，對應一個電壓值；負半周時二極管截止，電容放電。，需要增加一個自動增益負反饋電路（ AGC）。為了防止失真過大，輸出端采用并聯(lián)諧振回路。后一級電路可以進一步提高放大器的工作效率。 ％＝ 100?EoutPP? () 其中 Pout為輸出功率， PE為電源消耗的功率。 C 2 310uFC 2 90 . 1 u FC 2 70 . 0 1 u FU6L M 7 8 1 2123VIGNDVOC 2 80 . 1 u FC 1 4220uFC 3 00 . 0 1 u FC 1 20 . 0 1 u F＋ 15 － 20VC 2 1470uFC 2 60 . 1 u FU7L M 7 8 0 5123VIGNDVOC 3 10 . 0 1 u F0圖 電源電路圖 21 各單元電路分別做在五塊 PCB板上，制版時，元器件排放盡可能靠近集成電路的管腳，特別是振蕩回路走線盡可能短，電路板空白處大面積接地，以減小分布參數(shù)對電路的影響，其中低通濾波器，壓控振蕩器和功率放大器做在一塊板子上，并用金屬盒屏蔽，以隔離數(shù)字電路部分產生的諧波，能有 效防止諧波頻率干擾，提高輸出信噪比。 20 圖 濾波電路圖 ???????????????????????????023513022212455145532111fUUCjRUURUUUCjRRRCjRRUII????? （ ） 其中， U3為運放同相輸入端電壓， U2為反響輸入端電壓， UI1和 UI2為來之鑒相器的誤差信號， U0為運放輸出電壓。 振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化時緩慢的， 鎖相環(huán)路只對 VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內）起作用，使其中心頻率鎖定在設定的頻率上。 (a)P/P+1 前置分頻器方框圖 (b)吞咽脈沖計數(shù)示意圖 圖 吞咽式脈沖計數(shù)原理圖 低通濾波器 低通濾波器由運放 LM358和 RC電路組成，其電路圖如圖 。 N計數(shù)器減到零時輸出一脈沖到 FD/PD并同時將預置的 N和 A 重新置入247。 MC145152內的247。圖，其中 (a)是 P/P+1前置分頻器方框圖， (b)是吞咽脈沖計數(shù)的示意圖。低通濾波器將其中的高頻分量濾掉。 R計數(shù)分頻器用于將晶振頻率降低作為參考頻率，可以控制輸出頻率間隔。頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的，兩個相鄰頻率之間的最小間隔就是頻率間隔。 A計數(shù)器、模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成吞脈沖程序分頻器，吞脈沖程序分頻器的總分頻比為： D=PN+A。 N 計數(shù)器、 6 位可編程的 6bit247。 MC145152 是 18 MOTOROLA公司生產的大規(guī)模集成電路，它是一塊采用并行碼輸入方式設置、由 14根并行輸入數(shù)據編程的雙模 CMOS－ LSI 鎖相環(huán)頻率合成器。它是應用數(shù)字邏輯電路將 VCO頻率一次或多次降低至鑒相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中進行比較，通過低通濾波器取出誤差信號來控制 VCO的頻率，使之鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。在本設計中通過該 方法使輸出頻率的范圍擴展到 14～ 45MHZ。 (b)為其壓容特性和 17 壓控振蕩器的壓控特性示意圖。另外在輸出部分增加了變壓器耦合，使得輸出電壓進一步穩(wěn)定。 。 LCfc ?2 1? () 其中72111 CCCCDD ???。圖 MC1648的內部電路圖。MC1648 需要外接一個由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 系統(tǒng)組成 經過方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖 。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運作。 綜上所述，選擇 方案 二采用 LCD 實時顯示輸入頻率、實測頻率、電壓峰 峰值、自制音源曲目和時間。 10．顯示方式 選擇 方案一： 采用 LED數(shù)碼管顯示。 14 9．自制音源的產生 利用 FPGA來產生自制音源信號。利用該方法實現(xiàn)比較簡單，但外圍電路復雜，調試麻煩，而且可靠性不高。當負載為容性時，采用串聯(lián)諧振回路。三極管用 3DA5109。適用于小信號功率放大；乙類功率放大器的導通角為 180176。 。但引入交流負反饋，因環(huán)境溫度變化、電源電壓波動等原因引起的放大倍數(shù)的變化都將減小，是以犧牲放大倍數(shù)為代價的。 綜上所述，選擇 方案二利用二極管和運放 LM324 實現(xiàn)輸出電壓峰 峰值的檢測。雖然利用該方法實現(xiàn)容易， 13 但對于小信號的部分，輸入電壓峰峰值和輸入電壓不成線性關系，測量的數(shù)據不準確。 圖 采用 FPGA 實現(xiàn)的頻率計組成框圖 綜上所述，選擇 方案三，采用 FPGA構成頻率計實現(xiàn)輸出頻率的測量。 圖 數(shù)字集成頻率計組成框圖 方案三： 采用 FPGA 來實現(xiàn)測頻功能。 方案二： 采 用中小規(guī)模的數(shù)字集成電路構成 一個頻率計，用來測量輸出頻率。系統(tǒng)的多個部件如頻率測量電路，鍵盤控制電路，顯示控制等都可以集成到一塊芯片上，大大減小了系統(tǒng)的體積，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。 3．控制模塊的設計方案論證與選擇 方案一：利用單片機控制集成芯片 MC145152 的分頻系數(shù) A 和 N，以改變輸出頻率的大小?？梢院芎玫倪x擇所需頻率信號，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，采用大規(guī)模的集成芯片，和前兩種方案相比可以簡化頻率合成部分的設計，有利于集成化和小型化。 方案三：采