【正文】 流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱PWM。與VM系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。二 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，即利用各種傳感器對(duì)電動(dòng)車的避障、位置、行車狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。利用超聲波傳感器檢測(cè)障礙。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管，分別放置在電動(dòng)車車頭的左、右兩個(gè)方向，用來控制電動(dòng)車的行走方向，當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右兩側(cè)光電管都受到光照時(shí)，單片機(jī)控制直行。行車方向檢測(cè)電路（ 電動(dòng)車的方向檢測(cè)電路(b)）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。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)。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，輸出高電平信號(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，傳感器輸出低電平信號(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)。最后經(jīng)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車。電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)，一組常閉，另一組常開。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。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。檢測(cè)放大器方案：方案一：使用普通單級(jí)比例放大電路。但是也存在著許多不足。方案二：采用差動(dòng)放大電路。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。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。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。比較器有各種不同的類型。比較器的特點(diǎn)：⑴ 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。因此比較器的性能分析方法與放大、運(yùn)算電路是不同的。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。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。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)。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。(2) 選用集成電壓比較器。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。簡(jiǎn)單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說如果輸入信號(hào)因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會(huì)反復(fù)的從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平。這種情況，通常是不允許的。滯回比較器有兩個(gè)數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)因受干擾或其他原因發(fā)生變化時(shí)，只要變化量不超過兩個(gè)閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會(huì)來回變化。但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無法消除的。綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，最后我們決定采用數(shù)字器件——施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng)。 行車距離檢測(cè)電路所示： 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。測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。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。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。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)。三 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。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。 系統(tǒng)原理圖第三章 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?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。一 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]。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。1 微處理器該單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。3 程序存儲(chǔ)器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。5 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。可用來進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。8 特殊功能寄存器共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。由上可見，80C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。1位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。二 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單﹑可靠。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。(2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí)鐘電路80C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。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。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)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(hào)。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘頻率用6MHZ時(shí)C取22uF,R取1KΩ。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。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。 80C51復(fù)位電路三 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。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。1﹑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。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)。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。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。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。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。這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有被測(cè)對(duì)象，故不需要前向通道。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。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。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)。 傳感器性能比較傳感器類型優(yōu) 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。價(jià)格相合理，夜間不受影響不受燈光、天氣影響。不能直接測(cè)量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。價(jià)格貴視覺傳感器在CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。但是算法復(fù)雜，處理速度慢。主要優(yōu)點(diǎn)是可以魯棒地探測(cè)到障礙而不受天氣或燈光條件限制。但是仍存在性價(jià)比的問題。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開關(guān)、測(cè)距及材料探傷、測(cè)厚等。圖 超聲波檢測(cè)電路四 后向通道設(shè)計(jì) 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)總要對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。根據(jù)單片機(jī)的輸出和控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的要求，后向通道具有以下特點(diǎn)：（1） 小信號(hào)輸出、大功率控制。（2） 是一個(gè)輸出通道。（3） 接近控制對(duì)象，環(huán)境惡劣。但后向通道是一個(gè)輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。單片機(jī)在完成控制處理后，總是以數(shù)字信號(hào)通過I/O口或數(shù)據(jù)總線送給控制對(duì)象。 根據(jù)單片機(jī)輸出信號(hào)形態(tài)及控制對(duì)象要求，后向通道應(yīng)解決：（1） 功率驅(qū)動(dòng)。（2） 干擾防治。通常采用信號(hào)隔離﹑電源隔離和對(duì)功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)過零切換等方法進(jìn)行干擾防治。對(duì)于二進(jìn)制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器；對(duì)于頻率量輸出則可以采用本設(shè)計(jì)調(diào)速采用PWM調(diào)速[5]：為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3= Ub1。脈寬調(diào)制原理：脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號(hào)組成的電壓比較器。加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)輸入信號(hào)。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM變換器輸出平均電壓的極性,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的.邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)：在可逆PWM變換器中,總稱關(guān)斷時(shí)間,則將造成上下兩管之通,設(shè)置了由RC電路構(gòu)成的延時(shí)環(huán)節(jié).電源的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的電源為車載電源。五 顯示電路設(shè)計(jì)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,. 當(dāng)小車行駛時(shí),分別顯示時(shí)間和行駛距離原理圖如圖1. 本設(shè)計(jì)中采用新型芯片EM78P458作為顯示驅(qū)動(dòng)器, EM78P458管腳介紹所示,用單片機(jī)的并行口控制,一個(gè)數(shù)碼顯示電路用4個(gè)口線,用專用驅(qū)動(dòng)芯片控制可以減少對(duì)CPU的利用時(shí)間,單片機(jī)將有更多的時(shí)間去完成其他功能. EM78P458的管腳該芯片共有20個(gè)管腳，管腳 LED1﹑LED2﹑LED3﹑LED4分別接10k電阻和三極管后與4位八段數(shù)碼管5461中的a1﹑a2﹑a3﹑a4四個(gè)數(shù)位選擇端相連，這四個(gè)數(shù)位選擇端用來產(chǎn)生LED選通信號(hào)。管腳d0﹑d1﹑d2﹑d3接單片機(jī)并行口，通過對(duì)單片機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行控制。 EM78P458集成顯示電路所示顯示驅(qū)動(dòng)器支持動(dòng)態(tài)顯示，00001001顯示從09數(shù)字，1010是未進(jìn)位時(shí)是小數(shù)點(diǎn)清位，1011是進(jìn)位后加小數(shù)點(diǎn)，11001111是八段共陰數(shù)碼管的位選。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序顯示