第二章 方案設計與論證根據題目的要求，確定如下方案：在現有玩具電動車的基礎上，加裝光電檢測器，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的智能控制。
這種方案能實現對電動車的運動狀態進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統的各項要求。
一 直流調速系統方案一：串電阻調速系統。
方案二：靜止可控整流器。簡稱V-M系統。
方案三：脈寬調速系統。
旋轉變流系統由交流發電機拖動直流電動機實現變流，由發電機給需要調速的直流電動機供電，調節發電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調節電動機的轉速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉向都隨著改變，所以G-M系統的可逆運行是很容易實現的。該系統需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機，還要一臺勵磁發電機，設備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術落后，因此擱置不用。
V-M系統是當今直流調速系統的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型，可實現平滑調速。V-M系統的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當系統處于低速運行時，系統的功率因數很低，并產生較大的諧波電流危害附近的用電設備。
采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關狀態。當晶閘管被觸發導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經二極管續流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調速。
與V-M系統相比，PWM調速系統有下列優點：
（1）由于PWM調速系統的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續，系統的低速運行平穩，調速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發熱都比較小。
（2）同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態抗擾能力強。
（3）由于電力電子器件只工作在開關狀態，主電路損耗較小，裝置效率較高。
根據以上綜合比較，以及本設計中受控電機的容量和直流電機調速的發展方向，本設計采用了H型單極型可逆PWM變換器進行調速。
脈寬調速系統的主電路采用脈寬調制式變換器，簡稱PWM變換器。
脈寬調速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現，但是驅動能力有限。為順利實現電動小汽車的前行與倒車，本設計采用了可逆PWM變換器�？赡鍼WM變換器主電路的結構式有H型、T型等類型。我們在設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個續流二極管組成的橋式電路。
二 檢測系統檢測系統主要實現光電檢測，即利用各種傳感器對電動車的避障、位置、行車狀態進行測量。
1．行車起始、終點及光線檢測：
本系統采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始、終點（2cm寬的黑線），玩具車底盤上沿黑線放置一套，以適應起始的記數開始和終點的停車的需要。利用超聲波傳感器檢測障礙。光線跟蹤，采用光敏三極管接收燈泡發出的光線，當感受到光線照射時，其c-e間的阻值下降，檢測電路輸出高電平，經LM393電壓比較器和74LS14施密特觸發器整形后送單片機控制。
本系統共設計兩個光電三極管，分別放置在電動車車頭的左、右兩個方向，用來控制電動車的行走方向，當左側光電管受到光照時，單片機控制轉向電機向左轉；當右側光電管受到光照時，單片機控制轉向電機向右轉；當左、右兩側光電管都受到光照時，單片機控制直行。見圖2.1 電動車的方向檢測電路(a)。
行車方向檢測電路（見圖2.2 電動車的方向檢測電路(b)）采用反射接收原理配置了一對紅外線發射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。紅外發光二極管發射一定強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通，發出一個電平跳變信號。
此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發射管發射紅外光照射地面，光線經白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經過黑線時，發射端發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后送80C51單片機處理，判斷執行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態。前進時，驅動輪直流電機正轉,進入減速區時,由單片機控制進行PWM變頻調速,通過軟件改變脈沖調寬波形的占空比,實現調速。最后經反接制動實現停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設置有兩組開關，一組常閉，另一組常開。
圖2.1 電動車的方向檢測電路(a)
圖2.2 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。三極管導通時，電橋通過三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電機電樞中沒有電流通過。系統通過電橋的輸出端為轉向電機供電。通過對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉速方向進而達到控制玩具車前行與倒車的目的，實現隨動控制系統的糾偏功能。如圖2.3 前行與倒車控制電路所示。
圖2.3前行與倒車控制電路
檢測放大器方案：
方案一：使用普通單級比例放大電路。其特點是結構簡單、調試方便、價格低廉。但是也存在著許多不足。如抗干擾能力差、共模抑制比低等。
方案二：采用差動放大電路。選擇優質元件構成比例放大電路，雖然可以達到一定的精度，但有時仍不能滿足某些特殊要求。例如，在測量本設計中的光電檢測信號時需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾，而且要求對共模干擾信號具有相當強的抑制能力。這種情況下須采用差動放大電路，并應設法減小溫漂。但在實際操作中，往往滿足了高共模抑制比的要求，卻使運算放大器輸出飽和；為獲得單片機能識別的TTL電平卻又無法抑制共模干擾。
方案三：電壓比較器方案。電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓Ui和一個參考電壓Ur進行比較，在Ui>Ur和Ui<Ur兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個不同的電平，即高電平和低電平。而Ui變化經過Ur時，比較器的輸出將從一個電壓跳變到另一個電平。
比較器有各種不同的類型。對它的要求是：鑒別要準確，反應要靈敏，動作要迅速，抗干擾能力要強，還應有一定的保護措施，以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞。
比較器的特點：
⑴ 工作在開環或正反饋狀態。放大、運算電路為了實現性能穩定并滿足
一定的精度要求，這些電路中的運放均引入了深度負反饋；而為了提高比較器的反應速度和靈敏度，它所采用的運放不但沒有引入負反饋，有時甚至還加正反饋。因此比較器的性能分析方法與放大、運算電路是不同的。
⑵ 非線性。由于比較器中運放處于開環或正反饋狀態，它的兩個輸入端之間的電位差與開環電壓放大倍數的乘積通常超過最大輸出電壓，使其內部某些管子進入飽和區或截止區，因此在絕大多數情況下輸出與輸入不成線性關系，即在放大、運算等電路中常用的計算方法對于比較器不再適用。
⑶ 開關特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩定狀態，因此它相當與一個受輸入信號控制的開關，當輸入電壓經過閾值時開關動作，使輸出從一個電平跳變到另一個電平。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字電路之間的過渡電路。
由于比較器的上述特點，在分析時既不能象對待放大電路那樣去計算放大倍數，也不能象分析運算電路那樣去求解輸出與輸入的函數關系，而應當著重抓住比較器的輸出從一個電平跳變到另一個電平的臨界條件所對應的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量與輸出量之間的關系。
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當是理想的階躍電壓，而且沒有延遲。但實際集成運放的最大轉換速率總是有限的，因此比較器輸出電壓的跳變不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變為高電平所須的時間稱為響應時間。響應時間越短，響應速度越快。
減小比較器響應時間的主要方法有：
(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。
(2) 選用集成電壓比較器。
(3) 如果選用集成運放構成比較器，為了提高響應速度可以加限幅措施，以避免集成運放內部的管子進入深飽和區。具體措施多為在集成運放的兩個輸入端并聯二極管。如圖2.4 電壓比較器電路所示：圖2.4 電壓比較器電路
在本設計中，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。簡單電壓比較器結構簡單，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因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會反復的從一個電平跳到另一個電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機或繼電器，將出現頻繁動作或起停現象。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決了這個問題。滯回比較器有兩個數值不同的閾值，當輸入信號因受干擾或其他原因發生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會來回變化。所以抗干擾能力強。
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。
方案四：施密特觸發器。
綜合考慮系統的各項性能，最后我們決定采用數字器件——施密特觸發器。
施密特觸發器是雙穩態觸發器的變形，它有兩個穩定狀態，觸發方式為電平觸發，只要外加觸發信號的幅值增加到足夠大，它就從一個穩定狀態翻轉到另一個穩定狀態。施密特觸發器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發器的抗干擾能力比滯回比較器更強。
2．行車距離檢測
由于紅外檢測具有反應速度快、定位精度高，可靠性強以及可見光傳感器所不能比擬的優點，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路同圖2.5 行車距離檢測電路所示：
圖2.5 行車距離檢測電路
紅外測距儀由測距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測長輪的周長為記數的單位，最好取有效值為單一的數值（如本設計中采用0.1米），精度根據電動車控制的需要確定。測距輪安裝在車輪上，這樣能使記數值準確一些。
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射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉動時，缺口進入凹槽時，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉一周，紅外光接收管均能接收到一個脈沖信號經過整形器后送入計數器或直接送入單片機中。
為實現可逆記數功能，我們在測距儀中并列放置了兩個槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產生兩個脈沖信號。根據兩個脈沖信號發生的先后順序與兩個光電耦合器的位置關系，即可計算出玩具車的行駛方向（前進或后退）。
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。
測距原理：將光柵安裝在電機軸上，當電機轉動時，光柵也隨之轉動，同時安裝在光柵一側的紅外發光二極管點亮，在光柵的另一側設有紅外三極管，用于接收紅外發光二極管發出的紅外線信號。由于光柵隨電機高速轉動，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸到80C51單片機的內部計數器計數，根據預先實測的數據換算關系即可計算出電動機車的行車距離。
三 顯示電路本設計中用兩片4位八段數碼管gem4561ae作顯示器,并具有雙重功能,在小車不行駛時其中一片顯示年﹑月,另一片顯示時﹑分； 當小車行駛時,分別顯示時間和行駛距離。
四 系統原理圖 簡易智能電動車采用80C51單片機進行智能控制。開始由手動啟動小車，并復位，當經過規定的起始黑線，由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測，通過單片機控制小車開始記數顯示并避障、調速；系統的自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側檢測，由單片機控制實現；在電動車進駛過程中，采用雙極式H型PWM脈寬調制技術，以提高系統的靜動態性能；采用動態共陰顯示行駛時間和里程。
系統原理圖如圖2.6所示。
圖2.6 系統原理圖
第三章 硬件設計一個單片機應用系統的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時/記數器﹑中斷系統等能量不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路。二是系統配置，既按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器﹑打印機﹑A/D﹑D/A轉換器等，要設計合適的接口電路。
一 80C51單片機硬件結構80C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上[2]。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數據存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數器、中斷系統及特殊功能寄存器。它們都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統結構模式。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。
1 微處理器
該單片機中有一個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，不僅可處理數據，還可以進行位變量的處理。
2 數據存儲器
片內為128個字節，片外最多可外擴至64k字節，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數據暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數據存儲器。
3 程序存儲器
由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節。
4 中斷系統
具有5個中斷源，2級中斷優先權。
5 定時器/計數器
片內有2個16位的定時器/計數器， 具有四種工作方式。
6 串行口
1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統，從而使單片機的功能更強且應用更廣。
7 P1口、P2口、P3口、P4口
為4個并行8位I/O口。
8 特殊功能寄存器
共有21個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區。
由上可見，80C51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微計算機，這個一位微計算機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機在數據采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術上的一個突破，這也是MCS-51單片機在設計的精美之處。
二 最小應用系統設計80C51是片內有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統簡單﹑可靠。用80C51單片機構成最小應用系統時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖3.1 80C51單片機最小系統所示。由于集成度的限制，最小應用系統只能用作一些小型的控制單元。其應用特點：
- 有可供用戶使用的大量I/O口線。
- 內部存儲器容量有限。
- 應用系統開發具有特殊性。
圖3.1 80C51單片機最小系統
1、時鐘電路
80C51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產生方法有兩種。內部時鐘方式和外部時鐘方式。
本設計采用內部時鐘方式，利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小、振蕩電路起振速度
有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時振蕩器有較高的頻率穩定性。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇65pF。
在設計印刷電路板時，晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩定和可靠地工作。為了提高溫度穩定性，應采用NPO電容。
2、復位電路
80C51的復位是由外部的復位電路來實現的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。
復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。
最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1KΩ。
除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經電阻與電源Vcc接通而實現的。按鍵手動復位電路見圖3.2。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。
圖3.2 80C51復位電路
三 前向通道設計單片機用與測控系統時，總要有與被測對象相聯系的前向通道。因此，前向通道設計與被測對象的狀態、特征、所處環境密切相關。在前向通道設計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結構、信號調節、電源配置、抗干擾設計等。在通道電路設計中還涉及到模擬電路諸多問題。
1﹑前向通道的含義
當將單片機用作測﹑控系統時，系統中總要有被測信號輸入通道，有計算機拾取必要的輸入信息。作為測試系統，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統的核心任務，對控制系統來說，對被控對象狀態的測試以及對控制條件的監測也是不可缺少的環節。
對被測對象狀態的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象的狀態參數常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機是一個數字電路系統。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關電路占有重要地位。
對被測對象的信號的拾取其主要任務就是最忠實地反映被測對象的真實狀態，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機輸入接口的電平要求。
因此，單片機應用系統中的前向通道體現了被測對象與系統相互聯系的信號輸入通道，原始參數輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關的信號調節、變換電路,故也可稱為傳感器接口通道。
在單片機應用系統中，對信號輸入、傳感、變換應作廣義理解，例如開關量的檢測及信號輸入，在單片機的各種應用系統中有著廣泛的應用。最簡單的開關量輸入通道就是一個具有TTL電平的狀態開關，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關等。故只要反映外界狀態的信號輸入通道都可稱為前向通道。
并不是所有單片機應用系統都有前向通道，例如時序控制系統，只根據系統內部的時間序列來控制外部的運行狀態；分布式測控系統中的智能控制總站完成上級主計算機與現場測、控子站計算機之間的指令、數據傳送。這些應用系統沒有被測對象，故不需要前向通道。
2﹑前向通道的設計
（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缺點進行說明（見表3.1）。探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優點是價格便宜，易于使用，且在10m以內能給出精確的測量。不過在ITS系統中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10m以內有效使用，所以并不適合ITS系統。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達100m遠，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系統中使用是不實際的。
表3.1 傳感器性能比較
傳感器類型 | 優 點 | 缺 點 |
超聲波
視覺
激光雷達
MMW雷達 | 價格合理，夜間不受影響。
易于多目標測量和分類，分辨率好。
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。
不能直接測量距離，算法復雜，處理速度慢。
對水、灰塵、燈光敏感。
價格貴 |
第五章 測試數據、測試結果分析及結論
word文件.7z
(307.41 KB, 下載次數: 9)