單片機(jī)汽車防追尾系統(tǒng)論文

1、論文原創(chuàng)性聲明我以誠(chéng)信聲明： 本人所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得武漢紡織大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同學(xué)習(xí)的同學(xué)對(duì)本次寫(xiě)論文做的貢獻(xiàn)均會(huì)在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者（簽字）： 簽字日期：2010年 12 月15 日版權(quán)使用授權(quán)書(shū)武漢紡織大學(xué)有權(quán)保存學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公開(kāi)本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，允許論文被查閱，可以向有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。對(duì)于保密

2、論文，按保密的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行法律處理。作者（簽字）： 簽字日期： 年 月 日指導(dǎo)老師（簽字）：簽字日期： 年 月 日目 錄摘要.II一 引 言1（一） 社會(huì)背景及意義1（二） 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1（三） 設(shè)計(jì)思路1（四） 論文組織結(jié)構(gòu)3二 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析3（一） 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)31. 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）32. ADC工作原理43. ADC采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間5（二） 尋跡導(dǎo)航技術(shù)8（三） 紅外檢測(cè)技術(shù)9（四） 脈寬調(diào)制技術(shù)10三 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)11（一） 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11（二） 各模塊功能分析12四 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)14（一）穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)14（二） 模擬光電傳感器電路設(shè)計(jì)15（三） 紅外避障

3、傳感器控制電路設(shè)計(jì)17（四） 聲光指示電路設(shè)計(jì)19（五） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)19五 系統(tǒng)測(cè)試21（一）系統(tǒng)測(cè)試工具21（二） 測(cè)試結(jié)果與分析23結(jié)束語(yǔ)25參考文獻(xiàn)27致謝29摘要隨著人們生活水平的日益提高，汽車數(shù)量也與日俱增，因此汽車的行駛安全就顯得尤為重要。介紹一種基于單片機(jī)Fusion FPGA AFS600芯片的汽車防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)，他是自動(dòng)檢測(cè)行進(jìn)中汽車前后方障礙物的距離，當(dāng)達(dá)到安全極限距離時(shí)，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的操作。給出該報(bào)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明該系統(tǒng)有效且準(zhǔn)確。為提高汽車運(yùn)行的安全性和降低碰撞發(fā)生的可能,本文講述一種主動(dòng)型汽車防追尾碰撞報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝置將

4、單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理功能，與毫米波雷達(dá)的測(cè)距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，可檢測(cè)汽車運(yùn)行中前方、后方障礙物與汽車的距離及汽車車速，通過(guò)數(shù)顯裝置顯示距離，并由發(fā)聲電路根據(jù)距離遠(yuǎn)近情況發(fā)出警告聲。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；碰撞；報(bào)警；檢測(cè)AbstractWith rising of living stangard,the number of cars increased every day,so cars driving safety is particularly important. The system of automobile anti-collision alarming system bas

5、ed on single Fusion FPGA AFS600-chip is introduced,it can auto detect distance frontage an rear fraise,when reach critical security distance,alarming of sound an light are given,the system hardware composition anf software project are showed,Experiment results prove validity and veracity.In order to

6、 enhance the safety of cars and reduce the possibility of a collision, the paper about a pro-active anti-vehicle collision warning system. The system will be installed real-time control of the microcontroller and data processing functions, and millimeter-wave radar ranging technology, sensor technol

7、ogy, could be detected in the vehicle running in front, the rear vehicle barriers and the distance and vehicle speed, through the significant number of Device shows that distance by distance voice circuits based on the situation issued a warning sound.Keywords:single chip computer; collision; alarmi

8、ng;detection一 引 言（一） 社會(huì)背景及意義為有效降低小汽車碰撞事故的高發(fā)率，近年來(lái)廣大電子愛(ài)好者始終都在試圖通過(guò)制作模型的方式，努力探尋解決該問(wèn)題的可行方案，而模型制作所需的硬件基礎(chǔ)尤其成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。第二屆“Actel”杯中國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽的舉辦，為這一問(wèn)題的解決提供了契機(jī)，主辦方提供的Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板上AFS600芯片獨(dú)特的資源設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的執(zhí)行能力，為高速公路汽車防追尾系統(tǒng)模型的研究與實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。這一系統(tǒng)研究的成功將為汽車安全駕駛提供一個(gè)具有價(jià)值的參考，在一定程度上可減少或消除追尾事故的發(fā)生，防止行車過(guò)程中對(duì)行人造成安全隱患，從

9、而達(dá)到安全行駛的目的。（二） 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀通過(guò)資料的收集和網(wǎng)上相關(guān)的查閱，得知汽車防追尾的話題在國(guó)內(nèi)外一直很受關(guān)注。國(guó)內(nèi)近年來(lái)也出現(xiàn)了輪胎氣壓檢測(cè)、汽車防追尾儀和防追尾指示燈等汽車防追尾裝置的研發(fā)與投產(chǎn)，但這類裝置有些只為解決由于汽車硬件故障造成防追尾事故而設(shè)計(jì)，有些裝置雖然以發(fā)出警示信息等方式，為駕駛者在突發(fā)狀況下采取應(yīng)急措施提供條件，但都在很大程度上忽略了人為因素對(duì)追尾事故的影響，此外這類裝置較高的成本也阻礙其投產(chǎn)與推廣?；贔usion StartKit FPGA的高速公路汽車防追尾系統(tǒng)模型的研究將對(duì)以后這類產(chǎn)品的研究提供一個(gè)更好的構(gòu)想。本課題將以人為本作為核心出發(fā)點(diǎn)，彌補(bǔ)駕駛者因主觀

10、失誤造成事故而設(shè)計(jì)。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)可附加在成品汽車上，在整車設(shè)計(jì)中可把其作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子配件。隨著時(shí)間和技術(shù)的推移，市場(chǎng)中將會(huì)出現(xiàn)更多汽車安全類的產(chǎn)品，但由于市場(chǎng)接受需要一個(gè)過(guò)程，截止目前，還沒(méi)有一個(gè)類似的安全產(chǎn)品在成品汽車上應(yīng)用。（三） 設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)模型采用兩輛智能小車進(jìn)行汽車防追尾的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3。智能小車有兩個(gè)電機(jī)，后輪為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，前輪為轉(zhuǎn)向電機(jī)，可通過(guò)PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。黑色路徑為智能小車的識(shí)別標(biāo)志，模擬高速公路中的實(shí)際道路。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩條黑色路徑，一條為慢車道，另一條為快速車道，也就是超車道。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在路徑識(shí)別和智能避障上，首先要實(shí)現(xiàn)智能小車在指定的路線上行駛，之后

11、實(shí)現(xiàn)智能小車的避障功能?？紤]到實(shí)際道路中不同的情況，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中放置了固定障礙物和移動(dòng)中的障礙物（車速較慢的智能小車2，以下簡(jiǎn)稱車2），為了能夠更好的體現(xiàn)路況，著重對(duì)直道、普通彎道和S形彎道等3種走向的黑色路徑做了設(shè)計(jì)。黑色路徑識(shí)別是通過(guò)模擬光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)光敏電阻的阻值隨光強(qiáng)度變化而變化的原理，在檢測(cè)中取其一端電壓為輸出信號(hào)，當(dāng)模擬光電傳感器在跑道上不同位置時(shí)，通過(guò)輸出信號(hào)電壓的變化來(lái)判斷和識(shí)別智能小車的位置；障礙物檢測(cè)是通過(guò)紅外避障傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在3-80cm范圍內(nèi)可調(diào)，可根據(jù)不同的情況調(diào)整其檢測(cè)的距離。根據(jù)動(dòng)量守恒原理，速度越快慣性越大，所以在應(yīng)用中，調(diào)車2的檢測(cè)距離為20cm

12、，調(diào)車1（速度較快的智能小車，以下簡(jiǎn)稱車1）的檢測(cè)距離為50cm。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了智能小車高性能的仿真平臺(tái)，對(duì)模擬光電傳感器的前瞻性能進(jìn)行了深入研究。由于轉(zhuǎn)向電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車身都是高階慣性延遲環(huán)節(jié)，從輸入到輸出需要一定的時(shí)間，越早知道前方道路的信息，就越能減小從輸入到輸出的滯后。為了使智能小車達(dá)到一定速度，模擬光電傳感器在安裝時(shí)，采用了一定的前瞻性。前瞻能檢測(cè)車前方一定距離的賽道，在一定的前瞻范圍內(nèi)，前瞻越遠(yuǎn)的傳感器方案，其極限速度就會(huì)越高，其高速行駛過(guò)程中對(duì)引導(dǎo)線的跟隨精度也相對(duì)較高，系統(tǒng)的整體響應(yīng)性能較好。因此路徑識(shí)別模塊將模擬光電傳感器置于車身的前方，以利于更好地調(diào)整車輛的姿態(tài)。 除了車1速

13、度上的優(yōu)勢(shì)和車2的倒車功能外，兩車幾乎具有完成相同的功能。在行駛中，將兩車同時(shí)放在慢車道上，車1在前車2在后，因?yàn)檐?的速度較快，所以在行駛過(guò)程中車1必然會(huì)追上車2，這樣就模擬了高速公路上防追尾和超車的功能，有效的解決了在同一車道上，因?yàn)閮绍囁俣鹊牟煌l(fā)生的追尾事故。因?yàn)樵谘赝局羞€放置有固定障礙物，模擬車壞在路上或前方道路維修等情況，所以車2也追加了避障功能，這樣使整個(gè)模型顯得更具有說(shuō)服力。硬件設(shè)計(jì)以Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板為核心，結(jié)合自制的電源電路、數(shù)據(jù)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、聲光指示電路和車距檢測(cè)電路共同實(shí)現(xiàn)要求的功能。智能小車通過(guò)模擬光電傳感器采集路徑信息，并將所

14、檢測(cè)到信號(hào)送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)判斷后選擇相應(yīng)的執(zhí)行程序，控制智能小車將要執(zhí)行的狀態(tài)。利用紅外避障傳感器檢測(cè)前方路面的情況，當(dāng)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，小車將減速或駛向快速車道，在快速車道上能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加速超車功能，并返回慢速車道。車2還額外的增加了倒車功能，當(dāng)前端的模擬光電傳感器檢測(cè)到倒車標(biāo)志時(shí)，小車會(huì)自動(dòng)停車，并開(kāi)啟后端模擬光電傳感器，檢測(cè)車后路況信息，執(zhí)行倒車功能；當(dāng)后端模擬光電傳感器檢測(cè)到停車標(biāo)志時(shí)，小車停止，尾燈電亮，電機(jī)關(guān)閉，以示倒車完成。智能小車車速與轉(zhuǎn)向功能是通過(guò)PWM調(diào)節(jié)來(lái)控制的，控制中心根據(jù)外界路況信息調(diào)節(jié)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)小車的智能控制。（四）論文組織結(jié)構(gòu) 論文分五部分介紹整

15、個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程：第一部分主要介紹課題來(lái)源的背景和課題研究的社會(huì)意義；分析國(guó)內(nèi)外類似課題的研究狀況；對(duì)課題的設(shè)計(jì)思路和整個(gè)系統(tǒng)模型的創(chuàng)新性做了介紹；概述論文的整體結(jié)構(gòu)和各章節(jié)內(nèi)容要點(diǎn)。第二部分對(duì)系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)做了分析，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、尋跡導(dǎo)航技術(shù)、紅外檢測(cè)技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)。第三部分結(jié)合系統(tǒng)功能框圖整體描述了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊功能進(jìn)行了分析。第四部分介紹了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)中各模塊的應(yīng)用電路做了較為詳細(xì)的分析。第五部分首先介紹了系統(tǒng)所需的測(cè)試工具及其性能指標(biāo)，之后對(duì)系統(tǒng)硬件電路各個(gè)模塊進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。二 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析（一） 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)Fu

16、sion StartKit 是基于Actel 公司的Fusion 混合信號(hào)FPGA 而設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，核心芯片采用Actel 公司Fusion 系列60 萬(wàn)門(mén)的AFS600，該系列是世界上首個(gè)混合信號(hào)FPGA，將模擬的AD、RC 振蕩器、模擬I/O、RTC等融入到數(shù)字的FPGA 中，為實(shí)現(xiàn)真正的SOC 提供特有的解決方案1。1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）系統(tǒng)在應(yīng)用中并不需要外加ADC轉(zhuǎn)換器，結(jié)合Fusion內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集和處理。Fusion模擬系統(tǒng)的核心是一個(gè)可編程的逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)將其配置為8位、10位和12位的操作模式，利用片內(nèi)一個(gè)32：

17、1的多路選擇器實(shí)現(xiàn)32個(gè)采樣通道輸入。在8位操作模式下，ADC單個(gè)通道的采樣率最高可達(dá)600ksps，多個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，則所有通道分時(shí)采樣，平分采樣速率。ADC與模擬多路選擇器如圖1所示。圖中顯示了模擬Quad、模擬輸入多路選擇器MUX和ADC的系統(tǒng)框圖，ADC提供多個(gè)自監(jiān)測(cè)的模式（例如：監(jiān)測(cè)內(nèi)核電壓、內(nèi)部的溫度等）以保證在上電和運(yùn)行期間的穩(wěn)定性和高可靠性。這些模擬模塊、多路選擇器和ADC都是通過(guò)實(shí)實(shí)在在的硬件連線連接在一起。圖1 ADC與模擬多路選擇器2. ADC工作原理Actel Fusion 器件中的ADC是一個(gè)12位逐次逼近型（SAR）ADC，它內(nèi)部主要由采樣保持電路、比較器、逐次逼

18、近寄存器和DAC等模塊組成，采樣保持電路主要是對(duì)外部模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并保持采樣得到的模擬信號(hào)，它將和DAC的輸出結(jié)果通過(guò)比較器來(lái)比較，比較器的輸出結(jié)果來(lái)控制逐次逼近寄存器中的移位寄存器是否繼續(xù)移位，寄存器輸出的結(jié)果送給DAC實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量轉(zhuǎn)換，最終又回到原先的比較器輸入端，構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)，直到輸入電壓與DAC輸出的電壓相等時(shí)，移位寄存器停止工作，此時(shí)逐次逼近寄存器輸出的值即為最后轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果8。ADC結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2 ADC結(jié)構(gòu)圖3 ADC采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間在ADC的參數(shù)中，采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是使用者非常關(guān)心的一個(gè)參數(shù)，它決定了外部輸入信號(hào)的帶寬。在Fusion的ADC中，采樣

19、時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間是不同的，采樣時(shí)間定義為轉(zhuǎn)換時(shí)間加上ADC控制器操作的時(shí)間，在Fusion中ADC控制器為ASSC（ADC采樣序列控制器），這個(gè)模塊在生成模擬模塊的時(shí)候可以自動(dòng)生成9。采樣和轉(zhuǎn)換的時(shí)間示意圖如圖3所示，ADC采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間描述如表1所示。圖3 采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間示意圖表1 ADC采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間描述名稱含義Tsample采樣保持電路采樣模擬信號(hào)的時(shí)間，儲(chǔ)存在輸入電容中，它的時(shí)間（2+STC）× ADCCLKTprescaler_setting或Tstrobe當(dāng)使用電壓檢測(cè)時(shí)并使用Prescaler,則為T(mén)precaler_settingPrecaler的設(shè)置時(shí)間，沒(méi)有使用時(shí)這

20、個(gè)時(shí)間是不存在的當(dāng)使用電流或溫度檢測(cè)時(shí)，則為T(mén)storbe選通時(shí)間，一定存在Tacquisition_hold獲取和保持時(shí)間，包括Tsample和Tprescaler_setting或Tstrobe前兩者的時(shí)間，在電壓監(jiān)控中如果使用Prescaler，最小值為10us，不使用則只有Tsample,在電流和溫度監(jiān)控中最小值為5usTconversion轉(zhuǎn)換時(shí)間，包括Tacquisition_hold和ADC內(nèi)部處理時(shí)間TturnaroundADC控制處理時(shí)間，從讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果到下次開(kāi)采樣的時(shí)間，根據(jù)控制器的不同時(shí)間也不同，F(xiàn)usion自帶的ADC控制器IP為ASSC，由SmartGen軟件生成，該

21、時(shí)間與通道數(shù)目、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)個(gè)數(shù)都有關(guān)系Tsample_fusionFusion的ADC兩次采樣的時(shí)間間隔，從模擬信號(hào)輸入到轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出并啟動(dòng)下次采樣（1）單通道轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算公式：T_conversion=t_sync_read+t_acquisition_hold+t_distrib+t_post_cal+t_sync_write T_conversion=SYSCLK+(2+STC)×ADCCLK+(Tprescaler_setting或Tstrobe)+(8/10/12)×ADCCLK+2×ADCCLK+SYSCLKADCCLK=SYSCLK÷4

22、15;(1+TVC) 其中：t_sync_read= SYSCLK， 模擬軟IP鎖存ADC結(jié)果的時(shí)間t_acquisition_hold=Tsample+( Tprescaler_setting或Tstrobe)=(2+STC)×ADCCLK+(Tprescaler_setting或Tstrobe)， 獲取和保持時(shí)間t_distrib=(8/10/12) ×ADCCLK， ADC內(nèi)部轉(zhuǎn)換一次的時(shí)間t_post_cal=2×ADCCLK， 后期校準(zhǔn)的時(shí)間t_sync_write= SYSCLK， 模擬軟IP將ADC結(jié)果鎖定輸出的時(shí)間【7】（2）單通道采樣時(shí)間和采樣率

23、計(jì)算公式： 單通道采樣時(shí)間 Tsample_fusion= T_conversion+ Tturnaround 單通道采樣率 Fsample_fusion=1/ Tsample_fusion 其中：Tturnaround為ASSC的控制時(shí)間（3）多通道采樣時(shí)間和采樣率關(guān)系： 假如ADC有多個(gè)通道同時(shí)使用，則總的采樣率為每個(gè)通道的采樣率的和，可以根據(jù)如下關(guān)系計(jì)算： 總采樣率=總通道數(shù)目/（每個(gè)通道的Tsample_fusion的總和）每個(gè)通道的采樣率=各通道的Tsample_fusion/各通道Tsample_fusion的總和×總采樣率11（4）舉個(gè)例子：例1：系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK=

24、40MHz，分頻后ADC的時(shí)鐘ADCCLK=10MHz，采樣10位ADC模式，使用電壓監(jiān)控，不使用Prescaler，無(wú)標(biāo)志信號(hào)，ASSC的處理時(shí)間Tturnaround=0.25us，則：T_conversion=t_sync_read+t_acquisition_hold+t_distrib+t_post_cal+t_sync_write =25ns+(2+0) ×100ns+10×100ns+2×100ns+25ns =1.45usTsample_fusion=1.45us+0.25us=1.7usFsample_fusion=1÷1.7us=58

25、8.23ksps例2：假如有3個(gè)采樣通道，每個(gè)通道的Tsample_fusion都為10us，則總的采樣率為=3÷(3×10)=300ksps每個(gè)通道的采樣率=(10/30)×300ksps=100ksps表2 采樣保持時(shí)間寄存器(STC)STC7:0采樣時(shí)間= (STC+2) ×ADCCLK時(shí)鐘周期0000000002個(gè)ADC時(shí)鐘周期1000000013個(gè)ADC時(shí)鐘周期25411111110256個(gè)ADC時(shí)鐘周期25511111111257個(gè)ADC時(shí)鐘周期要實(shí)現(xiàn)最高600ksps的采樣率必須滿足一定的條件，首先，ADCCLK必須達(dá)到最高10MHz，選擇

26、8位ADC模式；其次，不能使用Prescaler以及內(nèi)部的數(shù)字濾波功能，也就限制了外部的輸入電壓不能超過(guò)電壓基準(zhǔn)源的范圍；第三，沒(méi)有設(shè)定閥值變化信號(hào)；第四，只能對(duì)電壓監(jiān)控的條件下才能達(dá)到，在電流和溫度監(jiān)控下都無(wú)法實(shí)現(xiàn)最高600ksps的采樣率。(二). 尋跡導(dǎo)航技術(shù)路徑識(shí)別是體現(xiàn)智能小車智能水平的一個(gè)重要標(biāo)志，而傳感器是智能小車進(jìn)行路徑識(shí)別的關(guān)鍵檢測(cè)元件。針對(duì)智能小車在特殊路勁條件下的路徑識(shí)別，提出了基于模擬光電傳感器的路徑識(shí)別方案與基于數(shù)字光電傳感器的路徑識(shí)別方案，并對(duì)兩種方案的應(yīng)用性能進(jìn)行了比較。具體分析如下：1. 數(shù)字式光電傳感器數(shù)字式光電傳感器的輸出信號(hào)類型為開(kāi)關(guān)量，所以也叫開(kāi)關(guān)式光電

27、傳感器，對(duì)應(yīng)于光電信號(hào)“有”、“無(wú)”受到光照兩種狀態(tài)，即輸出特性是斷續(xù)變化的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在應(yīng)用中這類傳感器要求光電元件靈敏度高，而對(duì)元件的光照特性要求不高。采用數(shù)字式光電傳感器均勻分布于車模前端，但受車模寬度限制，分布后對(duì)道路的探測(cè)精度只能達(dá)到17mm左右，這樣賽車在前進(jìn)過(guò)程中很難達(dá)到很高的控制精度和響應(yīng)速度。從本質(zhì)上講，數(shù)字式光電傳感器的劣勢(shì)就在于它丟掉了路徑探測(cè)中的大量信息。 2. 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器的輸出量為連續(xù)變化的光電流，因此在應(yīng)用中要求光電器件的光照特性呈單值線性，光源的光照要求保持均勻穩(wěn)定2。模擬式光電傳感器的發(fā)射和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離

28、黑色路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越高，離黑線越遠(yuǎn)，則電壓越低（具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系與發(fā)光二極管型號(hào)以及離地高度有關(guān)），從理論上可以大大提高路徑探測(cè)精度。因此，只要掌握了傳感器電壓和偏移距離特性關(guān)系，就可以根據(jù)傳感器電壓大小確定各傳感器與黑色標(biāo)記線的距離（而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線上），進(jìn)而獲得車身縱軸線相對(duì)路徑標(biāo)記線的位置，得到連續(xù)分布的路徑信息。根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)，可以將路徑探測(cè)的精度提高到 1mm。這樣傳感器采集的信息就能保證Fusion FPGA AFS600可以獲得精確的賽道信息，從而為提高賽車的精確控制提供了保證。模擬式光電傳感器尋跡的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、信號(hào)處理速度快。

29、在不受外部因素影響的前提下，模擬式光電傳感器檢測(cè)前方距離越遠(yuǎn)，行駛效率越高，即小車的前瞻性能越好。模擬式光電傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖如圖4所示3?；谏鲜隼碚摲治觯罱K選擇模擬式光電傳感器。圖4 模擬式光電傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖（三）紅外檢測(cè)技術(shù)車距檢測(cè)為系統(tǒng)重要的組成部分之一，為了能實(shí)現(xiàn)快速、可靠和穩(wěn)定的智能避障效果，針對(duì)紅外避障傳感器的測(cè)距方案與超聲波傳感器的測(cè)距方案的應(yīng)用性能做了比較。具體分析如下：1.超聲波傳感器超聲波發(fā)生器總體上可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。超

30、聲波測(cè)距原理是由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一束超聲波，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為T(mén)0，則在T0時(shí)間內(nèi)從物體反射回的超聲波是無(wú)法捕捉的；另外，超聲波傳感器具有一定的慣性，發(fā)射結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振同樣能產(chǎn)生電壓信號(hào)，影響系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)。因此，在余振未消失以

31、前，是不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收。根據(jù)上述兩個(gè)原因可知，慣性和余振是影響超聲波傳感器測(cè)距的重要因素，而且超聲波傳感器電路比較復(fù)雜，信號(hào)處理也具有一定難度。此外，超聲波傳感器也容易受到外界環(huán)境的干擾。 2.紅外避障傳感器紅外避障傳感器是集發(fā)射與接收于一體，主要用于障礙物的檢測(cè)。對(duì)障礙物的感應(yīng)距離可以根據(jù)要求通過(guò)后部的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。傳感器正常工作電壓為5VDC，輸出電流為100mA，可監(jiān)測(cè)380cm范圍內(nèi)的障礙物。在所調(diào)節(jié)范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，信號(hào)管腳將輸出低電平。應(yīng)用中并不需要

32、將其輸出信號(hào)進(jìn)行處理，可直接輸入主控芯片?；谏鲜隼碚摲治?，最終選擇紅外避障傳感器。（四） 脈寬調(diào)制技術(shù)1.采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的，但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。2.采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。3.采用L298N集成電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298N采用由達(dá)林頓管組成的H型脈寬調(diào)制（PWM）電路。PWM電路由四個(gè)

33、大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)調(diào)整輸入控脈沖的占空比，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。H型電路使實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制的簡(jiǎn)單化，且電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)整技術(shù)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，可直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。通過(guò)比較分析，使用L298N芯片可充分發(fā)揮速度調(diào)制的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，且價(jià)格不高。使用L298N時(shí)

34、，可以直接由主控芯片輸出時(shí)序信號(hào)，控制電機(jī)的加速、減速、停止和剎停，在一定程度上節(jié)省了主控芯片 IO口的使用，控制也不復(fù)雜，故選用L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)5。三 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（一） 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能小車系統(tǒng)主要由電源管理模塊、路徑檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車距檢測(cè)模塊、聲光指示模塊和ACTEL公司的Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板組合而成，以黑色路徑為引導(dǎo)，尋跡導(dǎo)航行駛。智能小車能按指定路線行駛，在行駛過(guò)程中能自動(dòng)進(jìn)行加速、減速、避障、自動(dòng)倒車以及相應(yīng)聲光指示。系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了高速公路汽車放追尾的功能，兩輛智能小車車1和車2，分別仿真超車和被超車，兩車硬件略有不同，車1前端裝有4個(gè)

35、模擬光電傳感器和一個(gè)紅外避障傳感器，主要完成尋跡避障功能；車2前端和后端均安裝有4個(gè)模擬光電傳感器，可完成尋跡避障和倒車功能，兩車的不同點(diǎn)體現(xiàn)的前后端有無(wú)模擬光電傳感器上，但車1在速度上是大于車2的。在安全距離內(nèi)車1檢測(cè)到前方有障礙物（行進(jìn)中的車2或固定障礙物）時(shí)，智能小車紅外指示燈將點(diǎn)亮，小車將自動(dòng)減速或駛向快速車道，在快速車道上能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加速超車功能，并返回慢速車道，與此同時(shí)，蜂鳴器的報(bào)警聲和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向指示燈會(huì)間歇性的閃爍16。車2除了能尋跡避障外，還額外增加了自動(dòng)倒車功能。當(dāng)前端的模擬光電傳感器檢測(cè)到倒車標(biāo)志時(shí)，小車會(huì)自動(dòng)停車，并開(kāi)啟后端模擬光電傳感器，檢測(cè)車后路況信息，執(zhí)行倒車功能；當(dāng)

36、后端模擬光電傳感器檢測(cè)到車庫(kù)停車標(biāo)志時(shí)，小車停止，尾燈電亮，電機(jī)關(guān)閉，以示倒車完成。倒車過(guò)程中右側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈與蜂鳴器及其指示燈將同頻率間歇性進(jìn)行聲光指示，直至控制倒車過(guò)程結(jié)束。系統(tǒng)基于Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板而設(shè)計(jì)，主要利用其獨(dú)特的模擬部分和flash架構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)成核心控制模塊，并結(jié)合紅外測(cè)距、路徑檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制、電源管理、聲光指示等6個(gè)模塊共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前述的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。圖5 系統(tǒng)功能框圖（二） 各模塊功能分析1.路徑檢測(cè)路徑檢測(cè)通過(guò)模擬光電傳感器對(duì)外界路況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)15。模擬光電傳感器由高亮發(fā)光二極管和光敏電阻組成，由于高亮發(fā)

37、光二極管發(fā)射的光線在黑色路徑和白色跑道上反射光強(qiáng)度的不同，引起了光敏電阻接收光線強(qiáng)度的變化，通過(guò)變化來(lái)確定小車當(dāng)前的位置和應(yīng)執(zhí)行的狀態(tài)。光敏電阻的兩端阻值是隨接收光照強(qiáng)度大小而變化的，光照強(qiáng)度越小，兩端的電阻值越大，電路中反饋信號(hào)的電壓值越大。當(dāng)模擬光電傳感器的高亮發(fā)光二極管照射在黑色路徑時(shí)，反射光的強(qiáng)度最小，得到的反饋信號(hào)電壓值最大。在同一跑道上，光線的強(qiáng)弱與電壓信號(hào)值的大小是成反比的。模擬光電傳感器檢測(cè)到的電壓值經(jīng)片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換，程序判斷后，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。2.紅外測(cè)距紅外測(cè)距模塊為系統(tǒng)重要的一個(gè)組成部分，通過(guò)紅外避障傳感器可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的障礙物檢測(cè)。它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳

38、感器，檢測(cè)距離在3cm-80cm范圍內(nèi)可調(diào)。系統(tǒng)中兩輛智能小車前端均安裝有一個(gè)紅外避障傳感器，二者可檢測(cè)的距離不同，車1紅外避障傳感器檢測(cè)距離設(shè)置為50cm，車2檢測(cè)距離設(shè)置為20cm。在設(shè)定的范圍內(nèi)，當(dāng)智能小車前端的紅外避障傳感器檢測(cè)到前方有障礙物（固定或移動(dòng)障礙物）時(shí)，經(jīng)其內(nèi)部處理后將信號(hào)反饋至Fusion FPGA AFS600。紅外避障傳感器反饋的信號(hào)類型為開(kāi)關(guān)信號(hào)，檢測(cè)到障礙物時(shí)，輸出信號(hào)為低電平，否則為高電平。此外，紅外避障傳感器的工作狀態(tài)由Fusion FPGA AFS600來(lái)控制，控制信號(hào)為低電平時(shí)，紅外避障傳感器開(kāi)始工作，否則不工作。3.驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊主要由Fu

39、sion FPGA AFS600主控芯片和L298N驅(qū)動(dòng)芯片組成。L298N的輸入端接Fusion FPGA AFS600的信號(hào)輸出端，由Fusion FPGA AFS600來(lái)控制L298N的輸出狀態(tài)，從而達(dá)到控制電機(jī)的作用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制主要體現(xiàn)在程序的設(shè)計(jì)上，通過(guò)改變占空比，實(shí)現(xiàn)智能小車的加速、減速、前進(jìn)與后退。在系統(tǒng)中專門(mén)設(shè)計(jì)了個(gè)占空比調(diào)制模塊，可以隨時(shí)調(diào)整高低電平的占空比，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的速度控制，這里規(guī)定“10”為前行，“01”為倒車，“00”為停車。4.轉(zhuǎn)向電機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊與上述的速度控制模塊相似，控制功能主要由程序?qū)崿F(xiàn)，可較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)智能小車在行進(jìn)過(guò)程中前輪轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控

40、制。通過(guò)占空比調(diào)制模塊，由Fusion FPGA AFS600輸出信號(hào)控制L298N的輸出狀態(tài)，從而控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向及其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小。轉(zhuǎn)向電機(jī)占空比變量越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越大；相反，轉(zhuǎn)向電機(jī)占空比變量越小，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越小。5.聲光指示聲光指示模塊主要由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，在避障和自動(dòng)倒車過(guò)程中都會(huì)伴有相應(yīng)的聲光指示。聲光指示電路比較簡(jiǎn)單，難點(diǎn)在控制邏輯上，可通過(guò)Fusion FPGA AFS600控制相應(yīng)的聲光指示。當(dāng)紅外避障傳感器在安全距離內(nèi)檢測(cè)到障礙物時(shí)，用于指示障礙物存在的發(fā)光二極管將點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器及其指示燈將同頻率進(jìn)行間歇性鳴響與閃爍以示報(bào)警。智能小車遇到障礙物時(shí)，將會(huì)

41、自動(dòng)左轉(zhuǎn)，其左側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈將進(jìn)行間歇性閃爍，頻率與蜂鳴器相同。智能小車在快速車道上完成加速超車后，自動(dòng)返回慢速車道，返回過(guò)程中其右側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈與蜂鳴器將以同頻率進(jìn)行聲光指示，直至智能小車進(jìn)入慢速車道。智能小車遇到停車標(biāo)志時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)倒車動(dòng)作，同時(shí)車身兩側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈將同時(shí)點(diǎn)亮并保持，直至計(jì)時(shí)結(jié)束。在控制倒車的過(guò)程中，智能小車右側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈與蜂鳴器也將以同頻率間歇性進(jìn)行聲光指示，直至遇到車庫(kù)停車標(biāo)志。6.電源管理智能小車系統(tǒng)根據(jù)各部件正常工作的需要，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車模用7.2V 2200mAh Ni-MH電池組進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，路徑檢測(cè)的模擬光電傳感器、紅外避障傳感器和聲光指示電路需要5V電壓，為了電路

42、更加簡(jiǎn)化，在這將電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N工作電壓也設(shè)定為5V，F(xiàn)usion FPGA AFS600工作電壓為3.3V【5】。因?yàn)殚_(kāi)發(fā)板在獲得5V電壓供電后，根據(jù)其自身的硬件設(shè)計(jì)，本身就能輸出+3.3V、+2.56V、+1.5V等不同數(shù)值的電壓，所以Fusion FPGA AFS600 3.3V的工作電壓就不用多加設(shè)計(jì)。最常見(jiàn)的電源管理芯片是 7805和7806?？紤]到由驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的電壓瞬間下降的現(xiàn)象，低壓降的電壓調(diào)節(jié)器如LM2940、LM2575等也被廣泛地采用，在本系統(tǒng)中只用了7805電源管理芯片。綜上所述，智能小車系統(tǒng)工作電壓是由 +3.3V、+5V、7.2V三個(gè)系統(tǒng)混合組成。四 系統(tǒng)硬件

43、電路設(shè)計(jì)（一）穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)正常工作電壓為5V，主要由電池組與電源模塊電路兩部分共同提供。其中電池組供電電壓為7.2V，供電電流為2200mA，屬鎳氫系列電池。鎳氫電池組如圖6所示。圖6 鎳氫電池組電源模塊電路主要由濾波、穩(wěn)壓、指示等三部分組成，其中濾波部分由C1、C2、C3三個(gè)電容分別完成穩(wěn)壓前濾波及穩(wěn)壓后濾波；穩(wěn)壓主要依靠穩(wěn)壓芯片7805實(shí)現(xiàn)，該芯片包括電壓輸入、輸出與接地等三個(gè)管腳，可將7.2V電壓穩(wěn)壓至5V，可為自制電路板和Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板同時(shí)供電，且開(kāi)發(fā)板上還可輸出+3.3V、+2.56V、+1.5V等不同數(shù)值的電壓。穩(wěn)壓電路如圖7所示。圖中JP

44、1用于連接7.2V電池組，“VDD_7.2V”示意已連接電源。當(dāng)電源接通時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮6。圖7 穩(wěn)壓電路在選擇電池組時(shí)一定選擇大容量的電池組，因?yàn)檐囂嬖谶\(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的耗電量比較大，假如電池組的容量不能夠提供足夠的電量，則主控芯片會(huì)經(jīng)常復(fù)位，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作不正常。（二） 模擬光電傳感器電路設(shè)計(jì)模擬光電傳感器采集電路由光敏電阻（R11-R18）、高亮發(fā)光二極管（DS9-DS16）和電阻（R19-R34）等元器件組成，其中AV0_USE0- AV7_USE7為電路的數(shù)據(jù)輸出端口，該端口通過(guò)導(dǎo)線連接Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板的AV0-AV7模擬輸入端口，作為模擬

45、數(shù)據(jù)輸入。R27-R34阻值為470歐姆，R19-R26阻值為10K歐姆，當(dāng)然這個(gè)阻值并不是一定的，可以根據(jù)情況的不同，取不同阻值的電阻15。光敏電阻一端接地，一端接10K歐姆的普通電阻，信號(hào)輸出端口從接10K歐姆的電阻端引出。利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光

46、照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。模擬光電傳感器電路如圖8所示。模擬光電傳感器信號(hào)接口如圖9所示2。在系統(tǒng)的應(yīng)用中，主要是利用光敏電阻在白區(qū)和黑線范圍內(nèi)接收反射光強(qiáng)的不同，引起其兩端阻值的變化，使輸出信號(hào)呈現(xiàn)不同的電壓值，這是判斷路徑的主要依據(jù)。當(dāng)模擬光電傳感器向黑線移動(dòng)時(shí)，反射光線變?nèi)酰柚翟龃螅敵鲭妷鹤兇螅划?dāng)模擬光電傳感器向白區(qū)移動(dòng)時(shí)，反射光線變強(qiáng)，阻值減小，輸出電壓變小。在同一系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電阻的阻值和接法最好一樣，光敏電阻最好選擇同一廠家生產(chǎn)的比較好，避免工藝的不同導(dǎo)致各模擬光電傳感器測(cè)試結(jié)果偏差過(guò)大，在寫(xiě)程序時(shí)造成不

47、必要的麻煩。模擬光電傳感器實(shí)物圖如圖10所示。開(kāi)發(fā)板ADC輸入端口實(shí)物圖如圖11所示。圖8 模擬光電傳感器電路圖9 模擬光電傳感器信號(hào)接口圖10 模擬光電傳感器實(shí)物圖圖11 開(kāi)發(fā)板ADC輸入端口實(shí)物圖（三） 紅外避障傳感器控制電路設(shè)計(jì)紅外避障傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。主要用于障礙物的檢測(cè)，對(duì)障礙物的感應(yīng)距離可以根據(jù)要求通過(guò)后部的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳感器前端增加了透鏡，利用其聚焦作用，傳感器可以最遠(yuǎn)探測(cè)80cm處的物體。紅外避障傳感器的輸出信號(hào)類型為開(kāi)關(guān)量，可以直接和CPU連接使用。傳感器內(nèi)部集成了放大、比較、調(diào)制等電路，使得該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝

48、配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合2。該傳感器工作電壓5V，電流100mA，可調(diào)探測(cè)距離3-80cm。紅外避障傳感器實(shí)物圖如圖12所示。圖12 紅外避障傳感器實(shí)物圖Fusion FPGA AFS600芯片工作電壓為3.3V，輸出信號(hào)高電平電壓3.3V，低電平電壓0V，而紅外避障傳感器工作電壓為5V，所以在Fusion FPGA AFS600控制紅外避障傳感器時(shí)，需要對(duì)電平進(jìn)行處理【7】。紅外避障傳感器電路如圖13所示。圖中F_ISA_D8管腳利用三極管的導(dǎo)通特性，控制紅外避障傳感器的開(kāi)啟與關(guān)閉，當(dāng)F_ISA_D8管腳被置為邏輯“0”時(shí)，其輸出電壓也為0，此時(shí)Q2

49、即NPN型三極管8050截止，Q1即PNP型三極管8550基極被拉高而截止，紅外避障傳感器的VCC端為0V，紅外避障傳感器不工作，其輸出管腳ADOUT為邏輯“1”，發(fā)光二極管不導(dǎo)通；當(dāng)F_ISA_D8管腳被置邏輯“1”時(shí)，其輸出電壓為3.3V，這一電壓可使Q2導(dǎo)通，Q1基極電壓被拉低使Q1導(dǎo)通，5V電壓就可以輸入到VCC端，使紅外避障傳感器開(kāi)始工作。當(dāng)檢測(cè)距離無(wú)障礙物時(shí)，紅外避障傳感器的輸出 “1”，DS1不點(diǎn)亮，當(dāng)安全距離內(nèi)遇到障礙物時(shí)，此時(shí)VOUT輸出為邏輯“0”，發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮。F_ISA_D8與開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口D8相連，開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口如圖17。圖13 紅外避障

50、傳感器電路（四） 聲光指示電路設(shè)計(jì)聲光指示電路包括轉(zhuǎn)向報(bào)警和轉(zhuǎn)向指示，轉(zhuǎn)向報(bào)警電路主要由蜂鳴器、三極管、發(fā)光二極管和電阻組成，由Fusion FPGA AFS600輸出信號(hào)控制三極管Q3的通斷,間斷的啟動(dòng)和點(diǎn)亮蜂鳴器和發(fā)光二極管。轉(zhuǎn)向指示燈主要由電阻和發(fā)光二極管組成，由Fusion FPGA AFS600直接輸出信號(hào)控制3。聲光指示電路如圖14所示。圖中DS4、DS5和DS6、DS7分別為小車進(jìn)行超車轉(zhuǎn)向時(shí)前、后兩組指示燈，當(dāng)小車超車過(guò)程中向左/右轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，相應(yīng)方向的指示燈將閃爍，直到小車完成超車動(dòng)作。與此同時(shí)，蜂鳴器及其指示燈DS2也會(huì)在小車進(jìn)行超車動(dòng)作時(shí)間歇性鳴響與閃爍，其頻率與轉(zhuǎn)向時(shí)指

51、示燈的閃爍頻率相同。F_ISA_D12、F_ISA_D13、F_ISA_A0管腳分別與開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口D12、D13、A0（或H16管腳）相連。開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口如圖17。圖14 聲光指示電路（五） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主芯片是恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)兩相直流電機(jī)，或一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)25

52、A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)6。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)中將其直接接電源，只用5，7，10，12腳的輸入電平控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。L298N功能模塊見(jiàn)圖15和表3【15,16】。圖15 L298N內(nèi)部功能模塊表3 L298N功能模塊EnAIn1In2運(yùn)行狀態(tài)0XX停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止In3，In4的邏輯圖與表3相同。由表3可知EnA為低電平

53、時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制不起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。輸入同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖16所示。圖中IN1、IN2和OUT1、OUT2作為控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入/輸出，IN3、IN4和OUT3、OUT4用于控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)的輸入輸出，IN1、IN2、IN3、IN4分別與開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口D0、D1、D2、D3相連，當(dāng)IN1、IN2輸入為00/11、01、10幾種邏輯電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將分別完成停止、剎停、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等動(dòng)作。（轉(zhuǎn)向電機(jī)控制原理與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相同，不再重述）。開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口如圖17。 圖16 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖17

54、開(kāi)發(fā)板Mini ISA接口五 系統(tǒng)測(cè)試（一） 系統(tǒng)測(cè)試工具1數(shù)字萬(wàn)用表(DT9205)本儀表以大規(guī)模集成電路、雙積分A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器為核心，配以全功能過(guò)載保護(hù)電路，可用來(lái)測(cè)量直流和交流電壓、電流、電阻、電容、二極管、三極管、溫度、頻率、電路通斷等14。精確度:±(%讀數(shù)+第四位上的字?jǐn)?shù))。注意:括號(hào)內(nèi)的第2部分，為精確度的修正值，應(yīng)放在該檔位的最后一位數(shù)字上。精確度保證期為1年。環(huán)境溫度:230C±50C；相對(duì)濕度: <75%。（1）.功能選擇具有32個(gè)量程。量程與LCD有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系:選擇一個(gè)量程，如果量程是一位數(shù)，則LCD上顯示一位整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后顯示三位小

55、數(shù)；如果是兩位數(shù)，則LCD上顯示兩位整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后顯示兩位小數(shù)；如果是三位數(shù)，則LCD上顯示三位整數(shù),小數(shù)點(diǎn)后顯示一位小數(shù)；有幾個(gè)量程，對(duì)應(yīng)的LCD沒(méi)有小數(shù)顯示。（2）測(cè)試數(shù)據(jù)顯示在LCD中（3）過(guò)量程時(shí)，LCD的第一位顯示 "1"，其他位沒(méi)有顯示（4）最大顯示值為1999(液晶顯示的后三位可從0變到9，第一位從0到1只有兩種狀態(tài)，這樣的顯示方式叫做三位半)（5）全量程過(guò)載保護(hù)（6）工作溫度: 00-400 儲(chǔ)存溫度：-100 - +500（7）電池不足指示：LCD液晶屏左下方顯示2.自制直流穩(wěn)壓電源·輸入電壓：交流220V，5060Hz，允許電壓變化±

56、10·輸出電壓：直流1.228.2V， 91800mA，可調(diào)·調(diào)整范圍：±0.01V·電壓穩(wěn)定度：2×10-3·負(fù)載穩(wěn)定度：2×10-3·輸出文波：5mV3.MCS51單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)·主要器件：STC 89C51 RC40C-PDIP，ATMLU818，MAX232，SM3381等·實(shí)現(xiàn)功能：LED顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，紅外遙控，鍵盤(pán)輸入，蜂鳴器報(bào)警等·供電電壓：DC 5V·支持下載：串口，JTAG·晶振頻率：11.0592MHz4.Fusion StartKit FPGA開(kāi)發(fā)板（1）Fusion系列芯片具有Flash 架構(gòu)的FPGA 所有特點(diǎn)（安全性、可靠性、單芯片、上電即行、非易失性、低功耗等）；其內(nèi)部集成了獨(dú)特的模擬部分，具有：分辨率高達(dá) 12 位、采樣率高達(dá)600kbps、30 個(gè)輸入通道、2.56V 內(nèi)部參考源的AD；高達(dá) 30 個(gè)模擬的輸入I/O，可以承受±12V 輸入電壓，并有10 個(gè)MOSFET 門(mén)驅(qū)動(dòng)輸出，驅(qū)動(dòng)能力可調(diào)；可實(shí)現(xiàn)電壓、溫度、電流檢測(cè)；片內(nèi)集成 100MHz、精度為%1 的RC