《智能車大賽數(shù)據(jù)》PPT課件.ppt

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第2章 智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)--硬件,,,第2章 智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—硬件,從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機裝置、馬達裝置、道路檢測裝置、測速裝置和控制電路板等。本章主要介紹智能車設(shè)計中使用到的傳感器（包括光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器等）和控制電路板中的功能電路設(shè)計。,第2章 智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—硬件,2.1 傳感器系統(tǒng),在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號（電信號或氣壓信號）才能被檢測、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號的裝置或器件。,2.1 傳感器系統(tǒng),通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測量的變化而引起某種易被測量的信號的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分，具體的電量形式取決于敏感元件的原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行放大或運算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖2.1所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。,2.1 傳感器系統(tǒng),圖2.1 傳感器組成方框圖,,圖2.1 傳感器組成方框圖,2.1 傳感器系統(tǒng),智能汽車設(shè)計中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器。,2.1.1 光電式傳感器,光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光電式傳感器工作時，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實現(xiàn)非電量的測量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。,,,2.1.1 光電式傳感器,光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動化儀表中。光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測量，然后輸出一定形式的電信號。在測量光學(xué)量時，光電器件是作為敏感元件使用；而測量其他物理量時，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實現(xiàn)被測量信號對光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。圖2.2(a)所示為測量光量時的組成框圖，圖2.2(b)所示為測量其他物理量時的組成框圖。,,,2.1.1 光電式傳感器,,,圖2.2 光電式傳感器的基本組成,2.1.1 光電式傳感器,1．光電管的結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結(jié)構(gòu)上比較相似，均由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流。充氣光電管的靈敏度好，但其穩(wěn)定性較差、惰性大，容易受溫度影響。在智能車的光電式傳感器模塊設(shè)計中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。,,,2.1.1 光電式傳感器,2．主要性能 光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性來描述。其中，伏安特性、光照特性和光譜特性是選擇光電器件的主要指標(biāo)。 （1）光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。它是應(yīng)用光電式傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。,,,2.1.1 光電式傳感器,（2）光電管的光照特性 當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。 （3）光電管的光譜特性 一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也不會相同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。,2.1.2 圖像傳感器,圖像傳感器在智能車設(shè)計中非常常見。智能車路徑識別模塊中的攝像頭的重要組成部分就是圖像傳感器。圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴大），能給出直觀、真實、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。,2.1.2 圖像傳感器,1．CCD圖像傳感器的分類 CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。 （1）線陣CCD圖像傳感器 對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整個二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來實現(xiàn)。,,,,2.1.2 圖像傳感器,（2）面陣CCD圖像傳感器 面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。 2．CCD圖像傳感器的特性參數(shù) CCD圖像器件的性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍和暗電流等，CCD器件性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來衡量。,,,,2.1.2 圖像傳感器,（1）光電轉(zhuǎn)換特性 CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖2.3所示。圖中x軸表示曝光量，y軸表示輸出信號幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。,,圖2.3 CCD光電轉(zhuǎn)換特性,,,2.1.2 圖像傳感器,由圖2.3可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一個線性工作區(qū)域，在曝光量不飽和時，輸出電荷正比于曝光量，當(dāng)曝光量達到飽和曝光量后，輸出電荷達到飽和值，并不隨曝光量的增加而增加。曝光量等于光強乘以積分時間，即 (2.1) 式中，為光強；為積分時間，即起始脈沖的周期。暗電荷輸出為無光照射時CCD的輸出電荷。一只良好的CCD傳感器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。,,2.1.2 圖像傳感器,（2）靈敏度和靈敏度不均勻性 CCD圖像傳感器的靈敏度或稱為量子效率，標(biāo)志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，用在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量下器件輸出的電流或電壓表示。實際上，圖2.3中CCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度，即 (2.2) 理想情況下，CCD器件受均勻光照時，輸出信號幅度完全一樣。實際上，由于半導(dǎo)體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。,,,,,2.1.2 圖像傳感器,（3）分辨率 分辨率是用來表示分辨圖像中明細細節(jié)的能力的。它通常有兩種不同的表示方式： ① 極限分辨率。一黑一白兩個線條稱為一個“線對”，透過對應(yīng)光的亮度為一明一暗。而極限分辨率是指人眼能夠分辨的最細線條數(shù)，通常用每毫米線對數(shù)（1 P/mm）來表示。 ② 調(diào)制傳遞函數(shù)。每毫米長度上所包含的線對數(shù)稱為空間頻率，其單位是1 P/mm。設(shè)調(diào)幅波信號的最大值為 最小值為 ，平均值為 ，振幅為 ，如圖2.4所示，定義調(diào)制度 M 為,,,,,2.1.2 圖像傳感器,,,(2.4),,圖2.4 調(diào)制度的定義,2.1.2 圖像傳感器,調(diào)幅波信號通過器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的損失減小。一般來說，調(diào)制度隨空間頻率增加而減小。為了客觀地表示CCD傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function, MTF）來表示。MTF的定義為：在各個空間頻率下，CCD器件的輸出信號的調(diào)制度與輸入信號的調(diào)制度的比值，即 (2.5) 式中， 為空間頻率。,,,,2.1.2 圖像傳感器,MTF能夠客觀地反映CCD器件對于不同頻率的目標(biāo)成像的清晰程度。隨著空間頻率的增加，MTF值減小。當(dāng)MTF減小到某一值時，圖像就不能夠清晰分辨，該值對應(yīng)的空間頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率。 （4）CCD的噪聲 CCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲、暗電流噪聲和轉(zhuǎn)移噪聲。 ① 散粒噪聲 光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可以看成是獨立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機過程。單位時間內(nèi)光產(chǎn)生的信號電荷數(shù)并非絕對不變，而是在一個平均值上作微小波動，這一微小波動的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。,,,2.1.2 圖像傳感器,② 暗電流噪聲 暗電流噪聲可以分為兩部分：其一是耗盡層熱激發(fā)產(chǎn)生的，可用泊松分布描述；其二是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是在某些單元位置上形成暗電流尖峰。由于器件工作時各個信號電荷包的積分地點不同，讀出路徑也不同，這些尖峰對各個電荷包貢獻的電荷量不等，于是形成很大的背景起伏，這就是常稱的固定圖像噪聲的起因。 ③ 轉(zhuǎn)移噪聲 轉(zhuǎn)移噪聲產(chǎn)生的主要原因有：轉(zhuǎn)移損失引起的噪聲、界面態(tài)俘獲引起的噪聲和體態(tài)俘獲引起的噪聲。輸出結(jié)構(gòu)采用浮置柵放大器，噪聲最小。,,,2.1.2 圖像傳感器,3．?dāng)z像頭的工作原理 攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖2.5），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3 V），并保持一段時間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。,2.1.2 圖像傳感器,然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，接著會出現(xiàn)一段場消隱信號。其中有若干個復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個消隱脈沖遠寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時間遠長于其他的消隱脈沖的持續(xù)時間），該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描50場圖像。,2.1.2 圖像傳感器,,,,圖2.5 攝像頭視頻信號,2.1.2 圖像傳感器,通常，攝像頭產(chǎn)品說明上會給出有效像素和分辨率，但通常不會具體介紹視頻信號行的持續(xù)時間、行消隱脈沖的持續(xù)時間等參數(shù)，而這些參數(shù)又關(guān)系到圖像采樣的時序控制。因此需要設(shè)計軟、硬件方法對這些參數(shù)進行實際測量。表2.1給出了常見的1/3 OmniVision CMOS攝像頭的時序參數(shù)，以供參考。,,,,,,,2.1.2 圖像傳感器,表2.1 常見的1/3 OmniVision CMOS攝像頭的時序參數(shù),,,,,,,2.1.3 測速傳感器,在智能汽車設(shè)計中，測速傳感器的設(shè)計主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。 1．霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然轉(zhuǎn)換率低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償，但霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大、無觸點、壽命長、可靠性高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點。,,,,,,,2.1.3 測速傳感器,（1）霍爾效應(yīng)原理 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如圖2.6所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，磁場方向垂直于薄片，磁感應(yīng)強度為。在薄片左右兩端通以電流（稱為控制電流），那么半導(dǎo)體中的截流子（電子）將沿著與電流的相反方向運動。由于外磁場的作用，使電子受到磁場力（洛侖茲力）作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后兩個端面之間形成電場。,,2.1.3 測速傳感器,,,,,圖2.6 霍爾效應(yīng)原理圖,2.1.3 測速傳感器,這時，在半導(dǎo)體前后兩個端面之間（即垂直于電流和磁場的方向）建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢 。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍爾傳感器， 的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強度，即 (2.6) 式中， 為霍爾系數(shù)， ，其中 為載流體的電阻率； 為載流子的遷移率； 為靈敏度， 。 若磁場方向與元件平面成角度 時，則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即 ，則有 (2.7),,,,,,,,,,,,,,,,2.1.3 測速傳感器,由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍爾電勢 的大小正比于控制電流 和磁感應(yīng)強度 ，靈敏度 表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時輸出霍爾電勢的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄， 就越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流電流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強度B有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動等。,,,,,,,,,,,2.1.3 測速傳感器,（2）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，從中引出四根引線，其中兩根引線上施加激勵電壓或電流，稱為激勵電極（控制電極），另外兩根引線稱為霍爾輸出引線，又稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。 （3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 圖2.7是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少，就可以確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。,2.1.3 測速傳感器,圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,圖2.7 三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,2.1.3 測速傳感器,2．光電式脈沖編碼器 光電式脈沖編碼器可將機械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測傳感器。光電編碼器的最大特點是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點。 光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。,2.1.3 測速傳感器,圖2.8 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu),2.1.3 測速傳感器,光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.710-8 rad的碼盤，其精度達110-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個數(shù)量級。如進一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。 光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號的性質(zhì)可分為有增量式和絕對式兩種類型。,2.1.3 測速傳感器,增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號均勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點，從該點開始按一定量化單位檢測。該方案無確定的對應(yīng)測量點，一旦停電則失掉當(dāng)前位置，且速度不可超越計數(shù)器極限相應(yīng)速度，此外由于噪聲影響可能造成計數(shù)積累誤差。該方案的優(yōu)點是其零點可任意預(yù)置，且測量速度僅受計數(shù)器容量限制。,2.1.3 測速傳感器,絕對式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點是坐標(biāo)固定，與測量以前狀態(tài)無關(guān)，抗干擾能力強，無累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時移動速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判別和可逆計數(shù)，信號并行傳送等；其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高。要想提高光電編碼器的分辨率，需要提高碼道數(shù)目或者使用減速齒輪機構(gòu)組成雙碼盤機構(gòu)，將任意位置取作零位時需進行一定的運算。,,2.2 電路設(shè)計,,2.2.1 電源系統(tǒng),在智能車設(shè)計中，電源關(guān)系到整個電路設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹直流穩(wěn)壓電源的基本原理和三端固定式正壓集成穩(wěn)壓器的典型電路設(shè)計。 1．直流穩(wěn)壓電源的基本原理 直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流濾波器電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2.9所示。 圖2.9 直流穩(wěn)壓電源電路,,,,,,,,,,,2.2.1 電源系統(tǒng),電源變壓器的作用是將220 V的交流電壓變成整流電路所需要低壓的交流電壓。整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動的直流電壓，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路的作用是將脈動直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流，常見的有濾波、濾波、Π型濾波等電路，常選用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為 (2.8) 式中，為變壓器的變比。 ～,,,,,,,,2.2.1 電源系統(tǒng),每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓為 (2.9) 對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為 (2.10) 濾波電路中，的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即放電時間常數(shù)應(yīng)滿足 (2.11) 式中，為輸入交流信號的周期；為整流濾波電路的等效負載電阻。 穩(wěn)壓電路的作用是將濾波電路輸出電壓進行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓。常見的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。,,,,,,2.2.1 電源系統(tǒng),2．三端固定式正壓穩(wěn)壓器 國內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，該系列穩(wěn)壓器有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護，以防過載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有5 V, 6 V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V和24 V共9種輸出電壓），各廠家用78和電壓數(shù)字之間的字母來表示。插入L表示100 mA，M表示500 mA，如不插入字母則表示1.5 A。此外，78(L, M)XX的后面往往還附有表示輸出電壓容差和封裝外殼類型的字母。常見的封裝形式有TO-3金屬和TO-220的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以達到5 A。,2.2.1 電源系統(tǒng),78系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖2.10所示，只要把正輸入電壓加到MC7805的輸入端，MC7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在實際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出根部接小容量（0.1～10 μF）電容, 到地。用于抑制芯片自激振蕩，用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。和的具體取值應(yīng)隨芯片輸出電壓的高低及應(yīng)用電路的方式不同而異。,2.2.1 電源系統(tǒng),圖2.10 78系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路,,,2.2.2 電機驅(qū)動電路,在智能車競賽中，智能車的速度較快，通常達到2 m/s以上，因此對電機驅(qū)動電流的要求較高，電機驅(qū)動電路必不可少。圖2.11是一個典型實用的簡單直流電機調(diào)速驅(qū)動電路，功率管的選擇由電機的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機正常工作時電流的3～5倍（電機啟動的時候存在較大的浪涌電流）。PWM信號的占空比決定電機的轉(zhuǎn)速，故電機的調(diào)速可通過改變PWM信號的占空比實現(xiàn)。 直流電動機正、反轉(zhuǎn)控制在很多場合會碰到。下面將介紹用功率管驅(qū)動直流電機正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。,2.2.2 電機驅(qū)動電路,圖2.11 直流電機調(diào)速驅(qū)動電路,,,,,,,,2.2.2 電機驅(qū)動電路,圖2.12 功率管驅(qū)動直流電機正、反轉(zhuǎn),2.2.2 電機驅(qū)動電路,如圖2.12所示電路中電機的轉(zhuǎn)動方向由I/O1和I/O2的電平來決定。當(dāng)I/O1和I/O2為00時，VT1，VT2導(dǎo)通，VT3, VT4截止，加在電機兩端上的電壓差為0 V，電機不轉(zhuǎn)。當(dāng)I/O1和I/O2為01時，VT1, VT4導(dǎo)通，VT2, VT3截止；當(dāng)I/O1和I/O2為10時，VT1, VT4截止，VT2, VT3導(dǎo)通。這兩種情況流經(jīng)電機上的電流方向互為相反，電機轉(zhuǎn)動方向也相反。當(dāng)I/O1和I/O2為11時，VT1, VT2截止，VT3, VT4導(dǎo)通，加在電機兩端上的電壓差為0 V，電機不轉(zhuǎn)。,2.2.2 電機驅(qū)動電路,當(dāng)I/O1和I/O2懸空時，+5 V經(jīng)R1, TLP521的內(nèi)部發(fā)光二極管、LED1, R4, VT3形成零點幾毫安的電流，使VT3一定程度地導(dǎo)通，該電流使光耦TLP521輸出端微弱導(dǎo)通，從而拉低VT1基極點的電位，使VT1一定程度地導(dǎo)通；同理，VT2和VT4也一定程度地導(dǎo)通，從而+V電源經(jīng)過VT1, VT3和VT2, VT4短路到地，會損壞功率管，故I/O1和I/O2不允許懸空。R1和R8阻值的選擇原則是，使流經(jīng)發(fā)光二極管的電流為10～15 mA；R3, R4, R5, R6的選擇原則是，能夠為功率管提供足夠的驅(qū)動電流；功率管的選擇由電機的工作電壓和工作電流決定，因電機啟動瞬間存在浪涌電流，故功率管的電流限額應(yīng)是電機正常工作電流的4～5倍。,2.2.3 傳感器接口電路,除了要正確選擇傳感器的類型外，還要設(shè)計最佳的接口電路。所謂接口電路，就是要把傳感器與后續(xù)的有關(guān)電路聯(lián)系起來的電路。接口電路的設(shè)計需要考慮兩個問題：一個是傳感器的輸出與計算機的輸入匹配問題；另一個是選擇器件的問題。一般傳感器的輸出信號有三種形式：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖和模擬信號。 （1）數(shù)字開關(guān)量信號分為電壓輸出型和觸點型。如果傳感器的輸出電壓信號為0 V或2 V，可以直接和控制裝置相連接，但是由于這種信號有抖動，所以在與計算機連接時要采用消除抖動電路。 （2）數(shù)字脈沖電路用計數(shù)器計數(shù)后送入計算機，通過對脈沖的計數(shù)來達到對信息的采集。一般計算機要對計數(shù)器擁有清零的功能，以便計數(shù)器重新計數(shù)。,,2.2.3 傳感器接口電路,（3）模擬信號比較復(fù)雜，由于模擬信號不能直接與控制器相連接，所以首先要通過適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)楹线m的輸入電壓，必要時還要在A/D前面對信號進行放大、分壓等，一般稱為信號的預(yù)處理。預(yù)處理后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后和控制器直接連接，完成接口電路的設(shè)計。 器件的選擇，要兼顧成本和技術(shù)指標(biāo)進行綜合考慮。傳感器信號要有比較好的降噪電路，一般減少噪聲的方法是：傳感器與預(yù)處理放大電路的接線要盡量短；傳感器信號接線要采用屏蔽線，外皮接地；放大電路的輸入和輸出之間盡量遠；放大電路的增益不要太大，以免產(chǎn)生振蕩；放大電路要遠離傳感器，以免產(chǎn)生電場和磁場的干擾等。,,思考題,1．請簡述光電式傳感器的基本原理。 2．圖像傳感器分為哪幾類？請簡述攝像頭的工作原理。 3．請說出制作測速傳感器的幾種方案，并對各種方案的優(yōu)缺點進行比較。 4．利用78系列芯片設(shè)計一個直流穩(wěn)壓電路，要求：輸入12 V，輸出5 V。 5．利用MC33886設(shè)計一個直流電機驅(qū)動電路，能控制電機正、反轉(zhuǎn)。,