www.sfmcu www.sf-edu.cn 盛方单片机整理 作者：不详 器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。 1﹑前向通道的含义
当将单片机用作测﹑控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。
对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件，这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量，如温度、压力、载荷、位移等，而计算机是一个数字电路系统。因此，在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。
对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。
因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。
在单片机应用系统中，对信号输入、传感、变换应作广义理解，例如开关量的检测及信号输入，在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关，如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。
并不是所有单片机应用系统都有前向通道，例如时序控制系统，只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态；分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、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 （1）传感器的比较[3]
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3.1 传感器性能比较
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www.sfmcu www.sf-edu.cn 盛方单片机整理 作者：不详 传感器类型 超声波 视觉 激光雷达 MMW雷达 优 点 缺 点 价格合理，夜间不受影响。 测量范围小，对天气变化敏感。 易于多目标测量和分类，分辨不能直接测量距离，算法复杂，处理率好。 不受灯光、天气影响。 速度慢。 价格贵 价格相合理，夜间不受影响 对水、灰尘、灯光敏感。 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[4]
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3.3超声波检测电路所示。
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www.sfmcu www.sf-edu.cn 盛方单片机整理 作者：不详 图 3.3 超声波检测电路
四 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：
（1） 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。 （2） 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。
（3） 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[5]：
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
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www.sfmcu www.sf-edu.cn 盛方单片机整理 作者：不详 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3.4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
VCCq31A2r110k74LS068550q18550D1D3r410K2A174LS06M1K1Kq41A2r210k74LS068050q28050D2D4r310K2A174LS06图3.4 双极式H型可逆PWM变换器电路原理图
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
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www.sfmcu www.sf-edu.cn 盛方单片机整理 作者：不详 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.
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
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。
五 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1.
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.
图3.5 EM78P458的管脚
20191875161514131211led2led1vss17vccd3d2d1d0dpEM78P458led3led4abgndcdefg12345678910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码管5461中的a﹑b﹑c﹑d﹑e﹑f﹑g﹑dp相连，分别控制各段码和小数点。
管脚d0﹑d1﹑d2﹑d3接单片机并行口，通过对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。
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