洛阳理工学院毕业设计（论文） 算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象，故不需要前向通道。
2﹑前向通道的设计 （！）传感器的比较
识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明（见表3.1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能在10m以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，而且还有可能在传输中受到它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。
表2-1传感器性能比较表
传感器类型 超声波 视觉 激光雷达 MMW雷达 优 点 价格合理，夜间不受影响。 易于多目标测量和分类，分辨率好。 价格相合理，夜间不受影响 不受灯光、天气影响。
缺 点 测量范围小，对天气变化敏感。 不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。 对水、灰尘、灯光敏感。 价格贵 视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。
（2）超声波障碍检测
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。
作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。
本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心频率为40Hz，由80C51发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如电动车前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C51单片机处理。超声波检测如图2-2超声波检测电路所示。
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图2-2超声波检测电路
2.4后向通道设计
在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。
根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求，后向通道具有以下特点： （1） 小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。
（2） 是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。
（3） 接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。
单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数／模转换成模拟量控制信号。
根据单片机输出信号形态及控制对象要求，后向通道应解决：
功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。 干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道﹑电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离﹑电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。
数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A变换器；对于频率量输出则可以采用。
本设计调速采用PWM调速：
为顺利实现电动小汽车的左转和右转，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型
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洛阳理工学院毕业设计（论文） 变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。图2-3为双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图。
4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电路中Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3= -Ub1。
双极式PWM变换器的优点如下： （1）电流一定连续；
（2）可使电动机在四象限中运行；
（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通； （5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。 1、脉宽调制原理：
脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的.
（扩充）
当转。当
为高电平，为低电平，
为低电平时，为高电平时，
、、
管导通，管截止，
、、
管截止，电动机正管导通，电动机反
转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流，通过四个保护二极管 D1 、 D2 、 D3 、 D4 接入回路，防止电子开关被反向击穿。
采用 PWM 方法调整马达的速度，首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大影响，脉冲频率高马达运行的连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之。经试验发现，脉冲频率在 50Hz 以上，电机转动平稳，但智能车行驶时，由于摩擦力使电机转速降低，甚至停转。当脉冲频率在 10Hz 以下时，电机转动有明显的跳动现象，经反复试验，本车在脉冲频率为 15 ～ 20Hz 时控制效果最佳。为方便测量及控制，在实际中我们采用了 20Hz 的脉冲。
脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率，其表达式为：
为电机全速运转的功率； K 为脉宽。
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式中 P 为电机两端的平均功率；
洛阳理工学院毕业设计（论文） 当 K=\时，相当于加入直流电压，这时电机全速运转，相当于电机两端不加电压，电机靠惯性运转。
当电机稳定开动后，有
(f 为摩擦力 )
；当 K=\时，
则
所以，
由上式可知智能车的速度与脉宽成正比。 由上述分析，
、
这对控制电压采用了 20Hz 的周期信号控制，通过对其占
、
的切换来控制电动机的正转
空比的调整，对车速进行调节。同时，可以通过与反转。
图2-3 双极式H型可逆PWM变换器电路原理图
2、逻辑延时环节：
在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作.由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断.如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路.为避免发生这种情况,设置了由RC电路构成的延时环节.
3、电源的设计：
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洛阳理工学院毕业设计（论文） 本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池；而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。
2.5显示电路设计
本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器,并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年月,另一片显示时.分. 当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离原理图如图2-4
20191875161514131211led2led1vss17vccd3d2d1d0dpEM78P458led3led4abgndcdefg12345678910
图2-4EM78P458的管脚
本设计中采用新型芯片EM78P458作为显示驱动器,它的管脚如图3.5 EM78P458管脚介绍所示,用单片机的并行口控制,一个数码显示电路用4个口线,用专用驱动芯片控制可以减少对CPU的利用时间,单片机将有更多的时间去完成其他功能。
该芯片共有20个管脚，管脚 LED1﹑LED2﹑LED3﹑LED4分别接10k电阻和三极管后与4位八段数码管5461中的a1﹑a2﹑a3﹑a4四个数位选择端相连，这四个数位选择端用来产生LED选通信号。
管脚a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp分别接680欧电阻后与四位八段数本设计中用两片4位八段数码管gem4561ae作显示器,并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年月,另一片显示时.分. 当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离。
管脚d0﹑d1﹑d2﹑d3接单片机并行口，通过单片机对芯片进行控制。管脚vss串上10k电阻后与vcc管脚相接后再接+5v电源，管脚gnd接地。
该芯片所驱动的显示电路如图2-5 EM78P458集成显示电路所示：
显示驱动器支持动态显示，其显示功能如表2-2真值表所示，0000-1001显示从0-9数字，1010是未进位时是小数点清位，1011是进位后加小数点，1100-1111是八段共阴数码管的位选。
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