【正文】 電流，能消除靜摩擦死區(qū)； 18 （ 4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通 ； （ 5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá) 20xx0 左右。 4 個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。 我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式 H 型變換器，它是由 4 個三極電力晶體管和 4 個續(xù)流二極管組成的橋式電路。對于二進(jìn)制輸出的數(shù)字量采用 D/A 變換器；對于頻率量輸出則可以采用 本設(shè)計調(diào)速采用 PWM 調(diào)速 [5]： 為順利實(shí)現(xiàn)電動小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設(shè)計采用了可逆 PWM 變換器。通常采用信號隔離﹑電源隔離和對功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)過零切換等方法進(jìn)行干擾防治。 （ 2） 干擾防治。 根據(jù)單片機(jī)輸出信號形態(tài)及控制對象要求，后向通道應(yīng)解決： （ 1） 功率驅(qū)動。 單片機(jī)在完成控制處理后，總是以數(shù)字信號通過 I/O 口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象。但后向通道是一個輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。 （ 3） 接近控制對象，環(huán)境惡劣。 （ 2） 是一個輸 出通道。 根據(jù)單片機(jī)的輸出和控制對象實(shí)現(xiàn)控制信號的要求，后向通道具有以下特點(diǎn)： （ 1） 小信號輸出、大功率控制。 圖 超聲波檢測電路 17 四 后向通道設(shè)計 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)總要對控制對象實(shí)現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。 本設(shè)計采用 T/R4012小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為 40Hz，由 80C51 發(fā)出的 40KHz 脈沖信號驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz 的脈沖超聲波，如電動車前方遇到有障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng) LM318 兩級放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片 LM567 解碼，當(dāng) LM567 的輸入信號大于 25mV 時，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?轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，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 [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，價格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標(biāo)，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標(biāo)進(jìn)行分類。 對水、灰塵、燈光敏感。 價格相合理，夜間不受影響 不受燈光、天氣影響。 測量范圍小，對天氣變化敏感。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達(dá) 100m遠(yuǎn)，但其更新頻率為 2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號的干擾，所以在 CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實(shí)際的。不過在 ITS 系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。該方法被廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人的研究上。 2﹑前向通道的設(shè)計 （ 1）傳感器的比較 [3] 識別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明（見表 ）。 并不是所有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運(yùn)行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機(jī)與現(xiàn)場測、控子站計算機(jī)之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個具有 TTL 電平的狀態(tài) 開關(guān)，如水銀溫度觸點(diǎn)、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關(guān)等。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路 ,故也可稱為傳感器接口通道。同時使這些測量信號能滿足計算機(jī)輸入接口的電平要求。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有 重要地位。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。在通道電路設(shè)計中還涉及到模擬電路諸多問題。因此，前向通道設(shè)計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。時鐘頻率選用 6MHZ 時， C取 22uF,Rs取 200Ω， RK取 1KΩ。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。時鐘頻率用 6MHZ時 C取 22uF,R 取 1KΩ。 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機(jī)器周期的 S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用 NPO 電容。所以本設(shè)計中，振蕩晶體選擇 6MHZ,電容選擇 65pF。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇。 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。 80C51 單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。其應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量 I/O 口線。用 80C51 單 片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖 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)上的一個突破，這也是 MCS51 單片機(jī)在設(shè)計的精美之處。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器，它實(shí)際上是一個完整的 1位微計算機(jī)，這個一位微計算機(jī)有自己的 CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。實(shí)際上是一些 13 控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 7 P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4 口 為 4 個并行 8位 I/O 口。 6 串行口 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 4 中斷系統(tǒng) 具有 5個中斷源， 2 級中斷 優(yōu)先權(quán)。 2 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為 128 個字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)，用來存儲程序在運(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)存儲器。但對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。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)存儲器、程序存儲器、并行 I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要 求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機(jī)﹑ A/D﹑ D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。 系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 四 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用 80C51 單片機(jī)進(jìn)行智能控制。將該信號傳輸?shù)?80C51 單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，根據(jù)預(yù)先實(shí)測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計算出電動機(jī)車的行車距離。 測距原理：將光柵安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，光柵也隨之轉(zhuǎn)動，同時安裝在光柵一側(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)出的紅外線信號。根據(jù)兩個脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個光電耦 11 合器的位置關(guān)系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進(jìn)或后退）。由此可見，測距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計數(shù)器或直接送入單片機(jī)中。 遮光盤有一缺口，盤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。測長輪的周長為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值（如本設(shè)計中采用 米），精度根據(jù)電動車控制的需要確定。 2．行車距離檢測 由于紅外檢測具有反應(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)信號的幅值增加到足夠大，它就從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。 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)頻繁動作或起停現(xiàn)象。如圖 電壓比較器電路所示： 圖 電壓比較器電路 在本設(shè)計中，光電傳感器只輸出一種高低電平信號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。 (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)。 減小比較器響應(yīng)時間的主要方法有： (1) 盡可能使輸入信號接近理想情況，使它在閾值附近的變化接近理想階躍 且幅度足夠大。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿毜臅r間稱為響 應(yīng)時間。 如果在比較器的輸入端加理想階躍信號，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，而且沒有延遲。由于比較器的輸入信號是模擬量，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)字電路之間的過渡電路。 ⑶ 開關(guān)特性。 ⑵ 非線性。放大、運(yùn)算電路為了實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足 A+d1d8823001 2A74L S 06 d280505001 2A74L S 06VCCD1 D2 9 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)放不但沒有引入負(fù)反饋，有時甚至還加正反饋。對它的要求是：鑒別要準(zhǔn)確，反應(yīng)要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強(qiáng)，還應(yīng)有一定的保護(hù)措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。而 Ui變化經(jīng)過 Ur 時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。 方案三：電壓比較器方案。這種情況下須采用差動放大電路，并應(yīng)設(shè)法減小溫漂。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，但有時仍不能滿足某些特殊要求。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。如圖 前行與倒車控制電路所示。系統(tǒng)通過電橋的 輸出端為轉(zhuǎn)向電機(jī)供電。 7 圖 電動車的方向檢測電路 (a) 圖 電動車的方向檢測電路 (b) 電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。前進(jìn)時，驅(qū)動輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn) ,進(jìn)入減速區(qū)時 ,由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速 ,通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。見圖 電動車的方向檢測電路 (a)。光線跟蹤，采用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。 1．行車起始、終點(diǎn)及光線檢測： 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點(diǎn)（ 2cm 寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應(yīng)起始的記數(shù)開始和終點(diǎn)的停車的需要 。我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式 H 型變換器，它 6 是由 4個三極電力晶體管和 4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。為順利實(shí)現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計采用了可逆 PWM 變換器。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱 PWM 變換器。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。 VM系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。 VM系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至 少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。簡稱 VM系統(tǒng)。 80C51 電機(jī)驅(qū)動模塊 小車 紅外 避障 信號1 障礙物 接近開關(guān)傳感器 計數(shù) 信號2 5 一 直流調(diào)速系統(tǒng) 方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。紅外避障模塊，探測有無障礙物，接近開關(guān)探測路面狀況 電路方框圖 根據(jù)題目的要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實(shí)現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的 各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。 80C51主控模塊，作為整個智能車的的“大腦”，紅外避障和接近開關(guān)傳感器的信號，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動直流電機(jī)完成對智能車的控制。在選定智能車系統(tǒng)采用 E18D80NK 紅外避障 傳感器 TCRT5000紅外反