【正文】 聲波，如電動(dòng)車前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng) LM318 兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 頻解碼芯片 LM567 解碼，當(dāng) LM567 的輸入信號(hào)大于 25mV 時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?80C51 單片機(jī)處理。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。利用超聲波 的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。 （ 2）超聲波障礙檢測(cè) [4] 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過 20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。近十年來隨著尺寸及價(jià)格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用。雷達(dá)傳感器在軍事和航空領(lǐng)域已經(jīng)使用了幾十年。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，價(jià)格合理，在 一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測(cè)量定多個(gè)目標(biāo)，并且可以利用測(cè)量的圖像根據(jù)外形和大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類。 對(duì)水、灰塵、燈光敏感。 測(cè)量范圍小，對(duì)天氣變化敏感。 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 表 31 傳感器性能比較 傳感器類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 超聲波 視覺 激光雷達(dá) MMW 雷達(dá) 價(jià)格合理，夜間不受影響。首先因其只能在 10m 以內(nèi)有效使用，所以并不適合 ITS 系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用，且在 10m 以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。這些應(yīng)用系統(tǒng)沒 有被測(cè)對(duì)象，故不需要前向通道。故只要反映外界狀態(tài)的信號(hào)輸入通道都可稱為前向通道。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測(cè)及信號(hào)輸入，在單片機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測(cè)對(duì)象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號(hào)輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。 對(duì)被測(cè)對(duì)象的信號(hào)的拾取其主要任務(wù)就是最忠實(shí)地反映被測(cè)對(duì)象的真實(shí)狀態(tài)，它包括實(shí)時(shí)性與測(cè)量精度。 對(duì)被測(cè)對(duì)象 狀態(tài)的測(cè)試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計(jì)算機(jī)是一個(gè)數(shù)字電路系統(tǒng)。 前向通道的含義 當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)﹑控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中總要有被測(cè)信號(hào)輸入通道，有計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。在前向通道設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計(jì)等。 圖 32 80C51 復(fù)位電路 前向通道設(shè)計(jì) 單 片機(jī)用與測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，總要有與被測(cè)對(duì)象相聯(lián)系的前向通道。按鍵手動(dòng)復(fù)位電路見圖 32。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種 方式。 復(fù)位電路 80C51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響， CX CX2 可在 20pF 到 100pF之間 取值，但在 60pF 到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 80C51 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 其應(yīng)用特點(diǎn)： 1，有可供用戶使用的大量 I/O 口線； 2，內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限； 3，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。用 80C51 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖 31 80C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。 MCS51 單片機(jī)中 8 位機(jī)和 1 位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的 一個(gè)突破，這也是 MCS51 單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的 1 位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口為 4 個(gè)并行 8 位 I/O 口。 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 (6) 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 (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，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它們都是通過片內(nèi) 單一總線連接而成，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。 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]。 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 26 系統(tǒng)原理圖 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 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O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。開始由手動(dòng)啟 動(dòng)小車，并復(fù)位，當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測(cè)，通過單片機(jī)控制小車開始記數(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)車進(jìn)駛過程中，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。 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)小車行駛時(shí) ,分別顯示時(shí)間和行駛距離。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號(hào)。遮光盤及槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA0D a t e : 1 9 J u n 2 0 1 2 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 新建文件夾 ( 5 ) \ M y D e s i gn 4 . d d bD r a w n B y :2174 LM1 4+5沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)。遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過，缺口離開 凹槽紅外線被阻擋。測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。 圖 25 行車距離檢測(cè)電路 紅外測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。 行車距離檢測(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 光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測(cè)速方案。 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)。 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 方案四：施密特觸發(fā)器。所以抗干擾能力強(qiáng)。而滯回比較器則解決了這個(gè)問題。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)作或起停現(xiàn)象。 圖 24 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。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。 (2) 選用集成電壓比較器。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。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)。 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)著重沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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）來分析輸入量與輸出量之間的關(guān)系。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)控制的開關(guān)，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過 閾值時(shí)開關(guān)動(dòng)作，使輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平。由于比較器中運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓，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。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同的。 比較器的特點(diǎn)： (1)工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。 比較器有各種不同的類型。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。但在實(shí)際操作中，往往滿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 電平卻又無法抑制共模干擾。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)過來的電平信號(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。 方案二：采用差動(dòng)放大電路。但是也存在著許多不足。 圖 23 前行與倒車控制電路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA0D a t e : 1 9 J u n 2 0 1 2 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 新建文件夾 ( 5 ) \ M y D e s i gn 4 . d d bD r a w n B y :74 LS0 674 LS0 6D1D230 0 50 0V C Cd1d8 82d280 50A+1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA0D a t e : 2 2 J u n 2 0 1 2 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t r a t or \ D e s k t o p \ 新建文件夾 ( 5 ) \ M y D e s i gn 4 . d d bD r a w n B y :32184ALM 393V C C50 0 5K10 K10 K10 K沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 檢測(cè)放大器方案： 方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。通過對(duì)繼電器開閉的控制即可控制電機(jī)的開斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車前行與倒車的目的，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的糾偏功能。三極管導(dǎo)通時(shí)，電橋通過三極管接地，電機(jī)電樞中有電流通過；三極管截止時(shí)，電橋浮空，電機(jī)電樞中沒有電流通過。電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)，一組常閉，另一組常開。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車。正常行駛時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出低平信號(hào)；電動(dòng)車經(jīng)過黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出高電平信號(hào)后送 80C51 單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。 行車方向檢測(cè)電路（見圖 22 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路）采用反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，