導語：如何才能寫好一篇智能電路設計與制作，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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1整車系統設計思路

智能小車控制系統采用MK60DN512作為核心控制單元，由安裝在車身支架上的OV7620數字攝像頭負責采集道路信號；智能小車后輪安裝有光電測速傳感器，用來采集車輪的轉速數據，并將信號傳到核心控制單元進行分析處理，處理完畢后反饋到相應的驅動模塊，驅動舵機和電機運轉，從而完成智能小車的轉向、前進及制動[1]。智能小車控制系統包括以下模塊：MK60DN512最小系統、轉向舵機模塊、電機及其驅動模塊、速度反饋模塊、攝像頭視頻信號處理模塊和電源管理模塊[2]。

2智能小車機械結構設計

在智能小車機械結構的設計與安裝調試時，需要考慮以下幾個方面：

1）智能小車在安裝過程中的可靠性與行駛過程中的穩定性。

2）智能小車在安裝過程中的輕便簡潔性。

3）是否能夠方便準確地進行數字攝像頭OV7620的檢測與調試。

4）車體保證較低的重心以確保智能小車順利轉彎、加速。

經過不斷地調試、摸索、對比之后，完成了對智能小車機械結構的初步設計，主要內容有以下幾個方面：

1）為了減少轉向舵機的力臂滯后時間，將舵機直立架在車前，并使用專業的金屬框架牢牢固定住，以防松動，避免影響舵機轉向角度的準確性。

2）數字攝像頭OV7620及其支架安裝在車身中部，減少車前數據采集盲區，將車身重心略微前移，防止智能小車轉彎時側滑，增加智能小車的彎道通過性。

3）為了減少車身質量，采用了強度高、質量輕的碳纖維管。

4）在底盤設計上，底盤是支承、安裝各部件的總成，是形成智能小車整體造型結構的基礎；可以接受電機傳遞的驅動動力，帶動智能小車行進，以保證智能小車在跑道上的快速行駛。由于合適的重心對于小車過彎性能和小車速度這兩個方面起了很大的作用，適當地調整前后底盤高度，使得智能小車車模整體重心下降到合理位置，既可以順利過坡，又不會與跑道摩擦接觸。

3智能小車硬件電路系統設計

3.1智能小車總體電路設計

通過簡化總體硬件電路設計方案，采用模塊化設計方案，減少不必要的電子元件的使用，就可以有效地減輕PCB板的使用質量及其占用智能小車的有效空間，從而達到輕量化的目的。硬件電路總體結構設計如圖2所示。

3.2電源分配板的電路設計

采用比較節能的線性穩壓電路設計方案。電源分配如圖3所示。TPS7350是一款差線性電源穩壓芯片，它具有功率消耗低、額定電壓小等特點，而且只需極少的元件就能夠構建滿足智能小車硬件電路設計要求的穩壓電路，該芯片還擁有過流、過壓及電壓反接等電壓保護設計，能夠有效地保護智能小車的硬件電路，避免電壓過大或電流反接而導致的硬件電路燒毀事件的發生。

3.3電機驅動板的電路設計

采用由BTN7970B驅動芯片搭建的H橋電路設計方案，減小驅動電路的內阻，增大額定承載電流，可以讓智能小車獲得更大的加減速度及提高在直道上行駛的極限速度。H橋電路原理如圖4所示。

4智能小車的軟件系統設計

智能小車系統軟件設計部分主要有：圖像采集及處理、道路判斷、舵機打角、電機控制以及速度信息反饋處理等。

4.1圖像采集及處理算法

OV7620能夠提供的三種數據制式中，采用YUV16位數據制式來提取Y信號亮度信息，生成黑白圖像，同時采用HREF-行同步信號、VSYNC-場同步信號來作為圖像數據采集的控制信號[4]。為了提高智能小車控制系統的實時性，視頻圖像信號采集采用外部中斷觸發的方式進行。采樣系統的程序流

4.2路徑優化

1）增加智能小車攝像頭視場的長度和寬度。根據實驗調試的觀察，當智能小車采集到的圖像能夠覆蓋比較完整的S彎道時，通過微處理器計算出來的中心就會處于實際道路中央附近，此時智能小車會以一個比較好的路徑快速通過S彎道；反之智能小車容易誤處理為普通的單向彎道，這樣導致智能小車的行駛速度大大減慢。因此，盡量增大攝像頭視場的長度和寬度就很有必要了。由于視場的長度與單片機處理的圖像行數成正比，所以采用由運算放大器制作的模擬比較器進行圖像二值化，可以令單片機的處理速度大大提高，增加了單片機處理的圖像行數，達到的視場長度為200cm以上；為了增加視場寬度，除了增加每行采集的圖像點數之外，采用了廣角鏡頭，有效地增加了攝像頭視場的寬度。

2）進行加權算法的相關優化。采用對整場有效行的中心加以求加權平均值的算法，在低速情況下可以有效地優化智能小車的行進路徑，但在智能小車速度提高到一定程度之后，由于過彎時輪胎的側滑，路徑不是很好找，而且由于數字攝像頭采集圖像分布不均，基本上2/3的行分布于車體前方40cm左右的范圍內，所求出的加權平均值容易受車體近處的圖像影響，因此整場圖像求加權的算法對于高速情況下智能小車的路徑選擇優化效果不太明顯?？紤]減小車體前部一定范圍內的圖像參與加權的行數和權重，同時增大攝像頭視場前部圖像的權重，最后經過調試得到了一套較為合適的數據，使其能夠有效優化高速情況下的智能小車的路徑算法。

5結論

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培訓內容的確定，結合職業崗位定位，選擇與實際電路產品相關的案例，面向應用，因用而學，學以致用。以丙級為例，其具體案例如：（1）時序邏輯電路設計與制作：設計制作一個數位電子鐘。（2）組合邏輯電路設計與操作：①半加減法器；②具有智能控制的2to4譯碼器；③具有優先權的4to2編碼器；④4to1多任務數據選擇器；⑤1to4多任務數據分配器。（3）CPLD設計與應用：①電子骰子控制；②二位數計時器；③紅綠燈控制。

2培訓的組織實施

培訓的實施采用面向職業崗位，以工作任務為引領，教學做一體的項目教學法進行培訓授課。如表2，即為實用丙級的實施方案示例。

3培訓的鑒定認證

培訓的鑒定認證，是參照臺灣嵌入式系統發展協會的職業能力認證考核標準，制定出包括PLD電子設計專業知識和職業技能兼具的鑒定認證系統，從專業知識和工程實踐技能兩大模塊分別進行考核鑒定。在實用丙級中，專業知識模塊由100道選擇題組成，由在線測試系統（OSTS）從題庫中以隨機方式產生，以考核學員對專業知識的掌握。而實踐技能的考評，主要包括組合邏輯電路的設計與操作、時序邏輯電路的設計與制作、綜合邏輯電路的設計與應用以及數位邏輯功能的模擬與紀錄等四個項目，規劃為二個階段來進行：第一階段主要考量學員對于傳統數位邏輯電路的設計及制作能力，其中包含邏輯化簡、電路設計、電路板規劃、組件辨識及焊接等能力；第二階段則考量有關CPLD的設計與應用能力，包含功能分析、工具使用、電路設計、程序撰寫以及功能模擬紀錄等能力。

4結束語

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關鍵詞：語音識別；LD3320；STC10L08XE

隨著科學技術的進步，智能輪椅的研究已經成為一個熱點問題，智能輪椅在作為助老/助殘智能服務機器人得到廣泛應用。在普通輪椅中加入語音識別技術，用語音命令來控制輪椅的各種運動給用戶帶來了極大的便利。本文對智能輪椅的設計做了簡單的研究。

1 主控單元

智能輪椅的核心主控單片機是STC10L08XE，該芯片的特點是高度集成，資源豐富，便于二次開發，支持多種語言編寫。根據LD3320輸入信號STC10L08XE單機片輸出信號為高低電平，控制電機的轉動和停止。

2 電源模塊

智能輪椅的電源由7.5V充電鋰電池提供，為了滿足電源的獨立性，避免相互之間的干擾，各供電系統都采用單獨的穩壓芯片處理提供， 7.5V充電鋰電池直接給直流電機提供直流電源，滿足電機轉動。 LD3320，主控STC10L08XE所需要的的3.3V直流電源，由7.5V充電鋰電池輸入經過LM1117穩壓管輸出，為了保證穩壓管的性能和穩定性，可在中間串兩個二極管。LM1117是電子制作中常用的穩壓3.3V的穩壓管。電路設計中添加電容，為了提高其穩定性，防止自激振蕩影響性能。另外該電路具有限流的功能，提高了保護性能。

L298N是紅外避障模塊，所需的5V電源由LM7805穩壓管提供。采用LM7805，是因為該電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用可靠、方便，且價格便宜。電路設計中采用三端固定集成穩壓電路，旁電容提高了其穩定性，

3 語音識別模塊

語音模塊采用LD3320，LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片，由 ICRoute 公司設計生產。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括 AD、DA 轉換器、麥克風接口、 聲音輸出接口等。本芯片在設計上注重節能與高效，不需要外接任何的輔助芯片 主要特征有： 通過 ICRoute 公司特有的快速而穩定的優化算法，完成非特定人語音識 別。不需要用戶事先訓練和錄音，識別準確率 95%。

4 紅外避障模塊

紅外線避障電路是智能輪椅的“眼睛”，其性能的好壞和抗干擾能力的強弱受外界可見光的影響較大，因此用250Hz的信號對38KHz的載波進行調制，這樣能減少外界的一些干擾。 接收管采用HS0038A2型號，輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。避障電路采用紅外線發射與接收原理，利用單片機產生250HZ和38KHz信號，并利用單片機的中斷對紅外線發射管進行調制發射，發射距離遠近由RW調節，由于本設計的小汽車行駛速度較快，所以調節避障距離為80cm左右。發射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調，輸出TTL電平。利用單片機的中斷系統，在遇障礙物時控制電機并使小車停止。

5 實物效果測試

為了驗證智能輪椅的性能效果，我們將基于語音識別的智能輪椅進行實物效果的測試，測試跑到為寬120CM的跑道，包含兩個直角彎道。輪椅的速度為v表示a《V《b，語音發出到智能輪椅轉動完成所用的時間為T表示，發令時距離障礙物間的距離為S.避障的測距門限80CM小于障礙物間的距離120CM，這樣智能輪椅可以轉彎，并始終保持與障礙物間的一定距離，保證輪椅的安全通過。s-v t=80cm

根據實物測試，智能輪椅必須在一定的運行時間下，保證其在不加速或減速過程中，開始執行語音命令，才能完成所需控制，速度V由電機供電電壓決定，經過實物多次測試與調試，測量結果顯示當電機的電壓為7v時效果比較明顯，控制效良好。

6 結束語

本文介紹的方案是基于STC10L08XE單片機的語音識別智能輪椅，語音識別芯片LD3320是一個非特定語音識別系統，這樣可以省去大量的語音訓練與調試精力，同時也能滿足了大部分使用者同時使用。效果良好，對普通話要求不太嚴格，經過多次實物的調試與測試，整個系統響應良好，語音識別度較高，控制反應短。整個控制系統結構簡單，易于操作，性能優良，證明此方案設計正確。在保證效果的前提下，簡單的解決了現在市場所存在的智能輪椅價格昂貴，維修復雜，操作復雜的問題。

參考文獻

1.于慶棟《智能輪椅語音識別與控制系統的研究與實現》2012.3

2.王仁杰《智能輪椅驅動控制與避碰的研究》2009.12

3.何清華 黃素平 黃志雄《智能輪椅的研究現狀和發展趨勢》

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關鍵詞：智能手機；硬件系統；低功耗

中圖分類號： TN07 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）06-150-2

引言

智能手機在市場上的首次出現，就受到了廣大消費者的青睞和認可。智能手機在操作、系統，以及軟件的多樣化應用上豐富了人們的業余生活。在早間、晚間的地鐵車站，隨處可見排隊等車的上班族拿著自己心愛的手機搜索自己想要知道的信息。智能手機的應用不斷更新豐富使得手機的功率消耗成為用戶體驗過程中的首要問題，需要通過技術創新實現改變調整。

1 簡述智能手機硬件結構

現今市場上大眾化的智能手機產品在手機的硬件結構上存在著一定的共同點。關于智能手機硬件結構系統中損耗最大的部分主要是指手機的主處理器部分、無線Modern部分、傳聲器部分、揚聲器部分、LCD部分、以及背光燈部分等。主處理器部分主要負責控制智能手機的整個系統，一般助力器皆采用開放型的操作運行系統，通過數字基帶控制芯片進行語音信號的轉變，實現A/D或者反向的語音轉換，可以對編解碼、無線貓進行時間順序上的控制。具有先進內核技術的CPU芯片可以幫助主處理器在實現長時視頻功能的同時減少內核的運行壓力，實現語音、攝像、解碼工作的有機結合。大多數的智能手機硬件結構中，無線貓加上電路，就可以完成一部手機的制作，語音功能的實現主要依靠ABB和負責語音視頻的解碼器共同完成。

2 智能手機產生功耗的原因

2.1 CPU系統產生功耗

智能手機上市后，用戶的第一體會就是新型的智能手機應用數量繁多、趣味性得到較大提升，但是，智能手機的續航能力卻大大不如從前的普通商務手機。許多手機生產商家在進行產品預售宣傳時經常會提到本公司新產品的高續航、低消耗的問題，吸引顧客前來購買。事實上，不管商家所言是否屬實，CPU芯片的確不斷朝著低功耗的方向前進者。然而，CPU的功耗仍然占據整部手機的最大功耗比例。智能手機在制作過程中涉及單核雙核的問題，特別是現今安卓系統手機已經出現了四核，甚至八核的智能手機，旨在提高手機運行的流暢性。但是，通過數據計算顯示，核數越大，相應功耗也成倍擴大。經過電路功耗的動態計算公式顯示，CPU的功耗大小與電路中供電部分電壓的平方數成正比例關系，和電路中工作的頻率也成正比例關系。

2.2 背光燈工作產生功耗

市場上大部分的智能手機皆使用液晶顯示電容屏，背光燈在手機使用的能耗中占據較大的比例。例如，制作一部屏幕為3.5英寸的手機，所需背光燈的數量為六顆，只有這樣做才能充分保證屏幕亮度的均勻性。一顆背光燈的工作電壓是3.1伏特，通過串聯的連接方式將六顆LED燈連接起來所需電壓為18.6伏特。從電流的數據統計方面看，一顆背光燈的正常工作所需電流為20毫安，六顆背光燈若同時開到最亮狀態，則需要耗費372兆瓦的電量。試想一下，人們將手機亮度開到最亮狀態，然后進行手機視頻、手游應用的使用，每段使用的時間不少于一個小時，那么，對于手機的功耗壓力則是不可估量的。在日常的手機使用過程中，人們為了省電，通常會將手機的屏幕亮度降到最低來延長手機的續航，這個方法是用戶的無奈之舉，可以治標但是不能治本，硬件損耗技術不斷革新發展才是p少此類問題的關鍵。

2.3 射頻部件系統以及其他部件的功耗

射頻部件系統也是智能手機高損耗的一個主要因素。智能手機的射頻部件中放大器是導致功率消耗巨大的重要部件，主要是因為放大器的電路設計有缺陷，電阻的選用和接入不合理，導致放大器的功率較大，進而消耗較多的電能。在以后的研究發展中，應該重點考量射頻系統的優化問題。其次，系統本身的功耗能力設計也決定了手機整體的功耗能力，用戶在使用手機應用的過程中，對于一項功能使用的時間上具有不確定性，所以生廠商應該提前思考手機使用的各種可能性，優化系統損耗能力。再者，現今大多用戶喜歡使用無線設備接入互聯網，此類連接方式的功耗在一定程度上高于手機流量上網的功耗，且無線連接的耗能大小與信號強弱有著一定的聯系。

3 關于降低功耗的設計

3.1 解決CPU系統的電壓問題

由上文的第一原因分析中可知，CPU是影響智能手機電能功耗的最大因素，解決CPU系統的電壓問題和頻率問題是重中之重。在集成電路，特別是數字電路方面，要注意動態消耗的數據計算，相反，半導體組成電路中的靜態功率消耗非常之小，完全可以忽略。在計算動態消耗電能的計算公式中，涉及幾個參數，分別是：功能芯片的動態總量功率消耗，半導體芯片負載的電容量，芯片所需要的電壓，以及芯片工作過程中的頻率。根據計算公式顯示，集成電路中功耗的數據和電路工作中開關的頻率系數呈現線性關系，與芯片工作所需電壓呈現平方關系。由此可以得出，芯片工作所需要的電壓越高，運行的頻率就越快，最后CPU工作耗費的功效耗能就越高。所以，生產商對于既定的CPU產品設計上，應該在合理范圍內對工作電壓和工作頻率進行控制，盡量縮小數值。

3.2 控制DPM系統的運行

DPM是對智能手機的主系統在運行期間進行電壓或者時間上的動態控制，通過即時的動態數據管理達到減少能耗的效果。動態控制DPM主要通過軟件控制實現管理，動態控制的過程系統的整體效率息息相關。首先，對智能手機中的工作模式進行定義和分類管理。主CPU運行系統應該根據工作模式類別和強度對手機工作進行合理分類，主要分為日常的工作模式，手機空閑工作模式，手機的睡眠待機模式，以及手機處于關閉狀態的模式設置。在四種常有手機工作模式中，調節主CPU 的電壓、工作頻率，以及手機其他部件電源燈光的智能啟動和只能關閉，在設計過程中體現智能手機的最大智能特色，將智能技術和電能損耗有機結合起來。例如，通過固定手勢觸摸屏幕喚醒手機部分功能，其余非工作時間此部分功能處于睡眠狀態，可以極大程度上減少手機電池的損耗。

3.3 接口電路設計和LED燈低損耗設計

在智能手機的接口電路設計過程中，生產商除了考慮產品的性能新穎之外，應該更加注意芯片的能源損耗問題。在上拉電阻或者下拉電阻部件的選擇應用上，應該注意未處于工作狀態的引腳不可以懸空處置，通過增加上拉電阻進行電平輸出的提高能力，來加強芯片的抗干擾能力。在一系列的驅動工作實施中，合理把握電阻的使用度，確保信號的平穩完整和電源內的低能耗性。合理控制LED燈的電流控制問題，可以通過改變回路中的電阻阻值控制電流，結合人眼的生理機能調節電流信號，控制損耗。

3.4 電源供給電路

由于智能機外設非常多，需要多種電源（1.3V、1.8V、2.8V和3.3V電壓等），和不同的電路分開供電，因此需要使用多個電壓變化單元。DCDDC電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是紋波噪聲干擾較大。因此，在設計中，對于電源紋波噪音要求不嚴的情況，使用DC-DC電壓轉換器件，這樣可以有效地節約能量，降低智能手機的功耗。

4 結論

綜上所述，智能手機要想在快速的更新變化中脫穎而出，必須加強CPU、DPM、LED背光燈以及接口電路的技術創新改造。通過控制機器的工作電壓、通過電流、組合電阻以及電源供給電路實現手機的低功率消耗，不斷分析總結從前的經驗教訓，重視用戶體驗，將用戶的使用舒適度放在第一位，迎合我國的可持續發展戰略，為我國通信技術的發展做貢獻。

參 考 文 獻

[1] 牛金行，劉玉寶，吳國喬.一種數字集群智能手機的硬件設計[J].現代電子技術，2013（13）：80-83.

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數字電路教學設計項目教學學習興趣現代化電子技術飛速發展，數字電路更是以系統集成化、設計自動化、用戶專業化和測試、智能化的趨勢出現。數字電路教學中如何能應對電子技術的發展，同時又遵循高等職業教育以職業為基礎、以能力為本、理論夠用為度的原則，圓滿完成課程的教學任務，用項目教學法是行之有效的手段。

一、關于項目教學法

1.項目教學的概念

項目教學法，是圍繞一個實踐項目而展開的教學活動，其目的是在項目實施過程中使理論與實踐教學同步進行，從而充分調動學生參與的積極性，提高學生解決實際問題的綜合能力。

2.項目教學法的關鍵

項目教學法的關鍵，是把整個學習過程分解為一個個具體的工程或事件，設計出一個個合適的項目教學方案。這樣，不僅傳授給學生理論知識和操作技能，更重要的是培養他們的職業能力。

3.項目教學法的優點

項目教學法，是讓學生實施一個具體的項目，學生學習的目的很明確，能極大地調動學生的學習積極性，提高學習興趣。項目教學法大多要分小組完成，通過小組內及小組間的充分交流、討論、決策等，提高學生合作能力，強化學生的團隊意識。而合作能力和團隊意識，恰恰是當前社會化大生產所要求的基本素質。項目教學法在實施過程中會涉及到很多學科知識，能促進課程間的整合。

二、項目教學法的教學實踐

數字電路課程是高職電氣專業一門承上啟下的專業基礎課，具有較強的邏輯性、應用性和工程實踐性。內容包括數字電路基礎、組合邏輯電路基礎、組合邏輯集成電路、時序邏輯電路基礎、時序邏輯集成電路、半導體存儲器與可編程邏輯器件、數模和模數轉換器和脈沖信號的產生與整形共8章節。按照“以能力為本位，以職業實踐為主線，以項目課程為主體的模塊化專業課程體系”的總體教學設計要求，本門課程以培養靈活應用常用數字集成電路來實現邏輯功能的能力為基本目標，打破學科課程的設計思路，緊緊圍繞工作任務完成的需要來選擇和組織課程內容，突出工作任務與知識的聯系，讓學生在職業實踐活動的基礎上掌握知識，增強課程內容與職業崗位能力要求的相關性，提高學生的就業能力。本課程可以分成6個項目完成，分別是：全加器電路設計、搶答器的設計與制作、同步計數器電路設計、數字鐘電路的設計與制作、用可編程邏輯器件設計數字鐘電路和A/D 和D/A 轉換功能仿真。第1到3章劃為第一個項目，內容是：全加器電路設計。以下就以第一個項目為例完成教學設計。

1.教材分析

這部分內容包含3個章節：數字電路基礎、組合邏輯電路基礎、組合邏輯集成電路。每章節后面都有本章小結、思考題與習題、技能要求和實訓內容以及書最后的實驗內容部分。很顯然，編者也在強調技能和實訓的重要性，但在進行教學設計時采用項目教學法能很好地體現實踐能力為主。

2.教學設計

此部分內容重點是掌握邏輯函數的表示方法，會進行邏輯函數的變換和化簡；能正確理解基本門電路邏輯功能；會用基本邏輯門電路設計簡單組合邏輯電路。如何把內容連貫，用某個項目來體現，我們可以結合實驗內容以及常見的電路來解決。那么，學習項目選取的基本依據是該門課程涉及的工作領域和工作任務范圍，在具體設計過程中，還以相關專業的典型產品為載體，使工作任務具體化，產生具體的學習項目。項目的難度要適中，要適合學情，讓學生都能動手參與，能充分調動他們的積極性，使學習更有目的性，讓學生在職業實踐活動的基礎上掌握知識。本項目內容是全加器的電路設計。采用全加器的設計這樣的項目內容，那么，組合邏輯集成電路，此部分章節中的編碼器、譯碼器與數碼顯示器等內容暫時就使用不到，我們可以把這些內容劃分到下一個項目中去，而只是涉及到它的前面一部分內容二進制加法器。這樣，不會顯得項目量過大，知識太擁擠，學生學習困難的問題。

3.教學過程的組織實施

項目教學法的教學步驟，具體是以下六個步驟：情景設置，操作示范，獨立探索，明確項目，協作學習，學習評價。本項目可以包含這幾個模塊：（1）完成基本門電路的測試；（2）用74LS00實現多種邏輯功能；（3）用基本門電路設計全加器電路。每個模塊參考學時都可以是4學時，它們的學習目標不相同，由淺入難，循序漸進，慢慢引導學生掌握理論知識，增加實踐經驗。每個模塊除了列出的工作任務以外，根據學生層次的不同，還可添加相應的拓展知識。模塊一邏輯門電路測試工作任務包含測試TTL門電路74LS00、74LS04、74LS20、74LS32、74LS86邏輯功能并記錄測試數據和整理歸納總結，列出74LS00、74LS04、74LS32、74LS86 邏輯表達式，狀態真值表。它相關的理論知識：基本邏輯運算和復合邏輯運算，基本門電路邏輯功能，邏輯函數的基本表達式。模塊二用與非門電路實現多種邏輯功能工作任務有用74LS00實現下列邏輯功能：或非F=A+B、與或F=AB+CD、4輸入與F=ABCD、異或和同或。相關理論知識：邏輯代數的基本定律和規則，邏輯函數的化簡方法，邏輯函數表達式。模塊三全加器的設計與制作工作任務：用基本門電路設計判奇電路，用基本門電路設計半加器電路，用基本門電路設計全加器電路。相關理論知識：組合邏輯電路的分析方法，用基本門電路實現組合邏輯功能。全加器是能夠計算低位進位的二進制加法電路，全加器的邏輯圖如圖所示。

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【關鍵詞】數字電路 模擬電路 發展

1 前言

隨著國民經濟的快速增長，科學技術的快速進步，電子信息產業得到快速發展，逐漸滲透到國民經濟生活的各個領域，使人們的生活發生了翻天覆地的變化。電子信息產業對軍事領域也有著深遠的影響，改變了傳統戰爭的作戰模式，在現代國防中發揮著越來越重要的作用，其在其在國防領域的應用也彰顯了一個國家的綜合國防水平。

作為高新技術產業，知識、技術和資本是電子信息技術產業得以快速發展的三個重要因素，它彰顯了一個國家或地區制造業的整體水平，也是一個國家或地區科學技術和制造業綜合實力的重要標志。就我國目前的社會經濟現狀而言，我國正處于傳統產業結構轉型時期。如何平衡新的產業結構，達到經濟的穩定快速發展，解決目前政府資本過剩、內需不足、市場疲軟等宏觀經濟問題是我國目前經濟社會發展面臨的一個重要挑戰。而加速電子信息產業的建設與發展，對于促進傳統產業變革、改變傳統產業結構、增加就業率、提升就業水平具有重要作用是應對這一挑戰的最好辦法。

電子電路是電子信息產業的技術支撐。是電子信息產業的發展重要限制因素。電子信息產業的快速發展離不開電子科學技術的發展及應用。生產技術的提高及加工工藝的改進加快了集成電路的更新速度，也為電子信息產業注入了蓬勃的朝氣以及更加旺盛的生命力，使其得以快速發展。根據其結構、功能的不同，電子電路可以分為模擬電路和數字電路。

2 模擬電路

模擬電路是一種針對模擬信號（幅值隨時間連續變化的信號）行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對真實信號進行模擬，使其等比例的再現。如調幅/調頻的收音機，接收處理無線電廣播信號，然后經過一系列的混頻、放大、解調等過程，最終完成音樂的播放和新聞等的報道。模擬電路在生活中的應用非常廣泛，如晶體管小信號放大器，低頻功率放大器，負反饋放大器，MOS 集成運放，諧振放大器，直流穩壓電源等。都是用模擬電路制作的。

模擬電路的設計過程比較復雜，其設計的重點在于電路參數的實現。其設計的基本流程主要包括以下幾個方面：

2.1 系統定義

系統定義是模擬電路設計的基本前提。根據設計要求，模擬電路設計工程師需要對電路系統及子系統做出相應的功能定義，并確定面積、功耗等相關性能的參數范圍。

2.2 電路設計

電路結構的選擇是電路設計的重要環節。模擬電路設計工程師需要根據模擬電路需要實現的功能要求、設計規范及相應的參數指標選擇合適的電路結構，并在此基礎上確定元器件的組合方式等。針對模擬電路的設計，目前暫時沒有可以利用的比較成熟的設計軟件，因此，只能是有工程師根據自己的經驗手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設計的難度，限制了模擬電路的發展速度。

2.3 電路仿真

電路仿真是模擬電路的設計過程中必不可少的一個環節，是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達到設計要求的一個重要依據。工程師根據仿真結果，不斷對電路進行修改和調整，直到模擬電路的仿真結果可以達到設定的指標及相應的功能要求。常用方法主要有參數掃描法，直流和交流分析法、蒙特卡羅分析等

2.4 版圖實現

版圖將電路設計轉化生產的重要橋梁。在由前面的設計及仿真結果確定了模擬電路的結構及相關參數后，設計工程師對設計的模擬電路進行物理幾何性的描述，將其轉換成圖形格式，以便于模擬電路后續的加工與制作。

2.5 物理驗證

在物理驗證階段，需要對設計的模擬電路進行設計規則檢查（DRC）。設計規則檢查是在給定的設計規則的基礎上對其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進行檢查，衡量版圖工藝實現上的可行性。此外，還要對版圖與電路圖的一致性進行檢查（LVS）。可以利用LVS工具提取版圖的參數，將得到的電路圖與原電路設計圖進行比較，保證版圖與原電路設計的一致性。

2.6 寄生參數提取后仿真

在版圖之前進行的電路設計的仿真稱之為“前仿真”，“前仿真”都是比較理想的仿真，沒有考慮到連線的電阻、電容等寄生參數。將寄生參數加入版圖后進行的電路仿真稱之為“后仿真”，只有當后仿真的仿真結果達到設計指標及系統功能要求，電路的設計工作才算完成。寄生參數對模擬電路的影響較大，前仿真的仿真結果滿足的情況下，后仿真結果卻無法滿足要求。因此，設計工程師需要根據后仿真結果不斷進行晶體管參數的修改，有時甚至要進行電路結構的調整，直至后仿真結果達到系統設計要求。

目前，模擬電路設計難度高且比較復雜，使用的EDA工具的功能和系統配套性又相對落后，且在設計過程中需要進行頻繁的人工干預，對寄生參數等比較敏感等，這些都在一定程度上限制了模擬電路的發展，導致模擬電路發展速度相對緩慢。

3 數字電路

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智能車有著極為廣泛的應用前景。結合傳感器技術和自動駕駛技術可以實現汽車的自適巡航并把車開得開得又快又穩、安全可靠；汽車夜間行駛時，如果裝上紅外攝像頭，就能實現夜晚汽車的安全輔助駕駛；他也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險、有毒、有害的工作環境里，此外他還能擔當起無人值守的巡邏監視、物料的運輸、消防滅火等任務。在普通家庭轎車消費中，智能車的研發也是有價值的，比如霧天能見度差，人工駕駛經常發生碰撞，如果用上這種設備，激光雷達會自動探測前方的障礙物，電腦會控制車輛自動停下來撞車就不會發生了。提高安全性和系統效率。這種新型車輛控制方法的核心，就是實現車輛的智能化。

1 智能車機械結構設計

機械結構是控制算法和軟件程序的執行機構，對機械結構性能的了解和改造有利于對控制算法和軟件程序的實現。因此對車體機械結構的調整是非常必要的。

1.1 車體機械參數調整：前輪參數的調整包括前輪主銷后傾角，主銷內傾角，前輪外傾角，前輪前束。這幾個參數對車體直線行駛的平穩性和轉彎的靈活性有很重要的影響[1]。

1.2 舵機的安裝：舵機轉向是整個控制系統中延遲較大的一個環節，在相同的舵機轉向條件下，轉向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉向輪轉向變化越快。這樣安裝的優點是：改變了舵機的力臂，使轉向更靈敏；舵機安裝在正中央，使左右的轉向基本一致；重心相對來說靠后，減輕舵機的負載[2]。

1.3后輪距與后輪差速機構調整

后輪距的調整：賽車高速行駛時突然轉彎時容易翻倒，為了增加整車的平衡能力，可將車模原配的后輪調節件把改為大輪距的調節件，使后輪距在原來基礎上增加了4mm。

1.4傳感器的安裝：圖中將激光管固定在下排孔內上排六個固定接收管和透鏡，將激光照射距離調整到50CM，前瞻效果達到最好[3]。

1.5 車體重心調整：重心越低越好。選擇攝像頭時選擇比較輕的，攝像頭支架材料及規格也要加以考慮，電路板的擺放也盡可能低。

2系統總體硬件電路設計

2.1 系統硬件電路結構：此智能車輛定位系統用激光管和接收芯片檢測車輛前方的賽道，通過MC9S12XS128采樣光電三極管的模擬信號，獲得賽道數據，結合一定的算法，提取賽道的黑白線對舵機和電機驅動芯片以合適的控制。

系統先對接收芯片獲得的數字信號，速度傳感器測得的速度值，加速度傳感器檢測到的坡度信息，以及撥碼開關輸入的脈沖值等送入單片機最小系統進行分析處理，發出命令驅動舵機，并使用全橋電機驅動芯片 MC33883驅動場效應管控制電機的正反轉，輸出 PWM 波形實現對于電機的控制，使用LM 2940S 等穩壓芯片對各模塊提供電源。

2.2 傳感器選擇及其電路設計：激光傳感器好比模型車的眼睛，是整個系統采集賽道信息的核心。前瞻距離最遠能夠達到1.1M。經過調整和優化，使得激光傳感器性能能夠完成賽道全部信息采集的任務。

2.3 電機驅動模塊設計：MC33883它可以驅動場效應管實現電機的正反轉，場效應管用IRF3205，場效應管為N溝道，MC33883的驅動能力很強，最大電流可以達到110A。本設計采用PWM直流脈寬調速，該方法有效地避免了串電阻調速其調速范圍小，平滑性低的缺點， IN_HS1、IN_HS2、IN_LS1、IN_LS2是單片機傳給MC33883脈沖信號的接口。

2.4 測速電路模塊設計

VCC_MCU為5V電壓，SIGNAL是編碼器的脈沖輸出端，SIGNAL和VCC_MCU之間接一個10K上拉電阻，然后將SIGNAL連接到單片機的PT7口，進行脈沖。

2.5穩壓芯片選擇及電源模塊設計：我們需要對配發的標準車模用蓄電池進行電壓調節。單片機系統、激光管、接收管、車速傳感器電路，LED顯示電路等各個電路的工作電壓不同，我們需要設計方案來使得電壓滿足各自的要求。

3智能車電路板的設計

智能車的電路板設計是利用altium designer軟件設計的。在布線時信號線和電源線的寬度不同，信號線的寬度為10mil，穩壓后的電源線為20mil或30mil，直接經過電源的電源線為60mil。覆銅的時注意移除死銅，覆銅定義網絡標號為GND。

4系統軟件設計

4.1 程序開發和調試：本車在開發和調試中所使用的開發環境為Metrowerks 公司的集成開發環境 Metroworks CodeWarrior IDE4.6和與之配套使用的調試軟Hiwave，調試器為清華大學工程物理系開發的BDM，輔助調試工具有電視機、刻度尺，串口調試軟件等。

4.2 調試器：CodeWarrior IDE中的調試器不僅可以進行在線調試，還可以進行在線的仿真。在調試器中，我們可以看到定義的全局變量的變化和各個寄存器的當前值，還可以看到單片機內存中內容等。此外，還有許多其他的實用功能，在賽車的調試過程中使用很是方便有效。

4.3系統程序流程圖：如圖6顯示程序開始進行初始化，然后開始采集信息，在把采集到的信息進行一些數據處理（這里可以用到模糊和PID算法），之后求出速度和轉向。為了形成閉環系統這里利用中斷進行時時測速，保證小車速度不至于過快或過慢，形成閉環系統，使小車更快，更穩定的完成比賽。

4.4 轉向舵機的控制程序的設計：一個周期采集完畢以后，要對傳感器的原始狀態進行處理，我們規定當激光傳感器照射到黑線記做1，白線記做0，12個傳感器分別賦予對應的權值，當有2個或者1個激光傳感器照射到黑線的時候，對它們的權值取平均值，最后單片機通過最終的偏移值計算出控制轉向舵機和速度分配值。

number是計算一共有幾個傳感器在黑線上，lost_number是計算所有在黑線上傳感器的偏移值，lost_location是計算激光傳感器的平均偏移值。

4.5 速度采集程序的設計：速度采集模塊需要定時采集速度，根據相同時間內的脈沖數多少來判定速度的快慢，因而我們單獨開了一個PIT中斷，中斷定時周期為3MS，那么每當經過3MS，就讀取脈沖累加器計數器PACNT的值，然后將此值和設定速度的值進行比較，完成對速度的閉環控制。 控制函數number_count變量是反饋的速度，用來傳遞給PID函數；TIME_INTER是速度給定；這里要注意的就是，當進行完畢速度讀取，PACNT寄存器一定要清零，防止脈沖的錯亂。

5 結論

我們在車模硬件及軟件上都有許多改進與創新，采用上排激光管作為循跡傳感器。大大提高了前瞻距離和系統的穩定性。激光前瞻達到0.25米，大前瞻是保證高速度的前提條件。采用自己制作的單片機最小系統板。自己制作的單片機最小系統板，尺寸小，重量輕。即減輕了車?？傊亓?，有方便了其它硬件布局。使得整個硬件系統布局更簡潔，性能更穩定。

參考文獻

[1]陳家瑞.汽車構造.機械工業出版社，2009.

[2] 第四屆全國大學生“飛思卡爾”智能汽車競賽杭州電子科技大學錢江一號隊技術報告，2009.

篇8

關鍵詞: Protel DXP; 印制電路板;設計;制版

電路設計的最終目的是生產制作電子產品，各種電子產品的使用功能與物理結構都是通過印制電路板來實現的。印制電路板(PCB)是電子設備中的重要部件之一，其設計和制造是影響電子設備的質量、成本的基本因素之一。因此，印制電路板(PCB)設計質量直接影響著電子產品的性能。2002年7月底由Altium公司的Protel DXP電路設計軟件，由于其良好的操作性等優點已成為電路設計者的新寵[1]。本文以Protel DXP為設計平臺對PCB板主要設計步驟及其內容進行了分析，以提高電路板備板的制作效率及可靠性。

一.原理圖設計

原理圖設計是整個Protel工程的開始，是PCB文檔設計乃至最后制版的基礎。一般設計程序是:首先根據實際電路的復雜程度確定圖紙的大小，即建立工作平面;然后從元器件庫中取出所需元件放到工作面上，并給它們編號、對其封裝進行定義和設定;最后利用Protel DXP提供的工具指令進行布線，將工作平面上的元器件用具有電氣意義的導線、符號連接起來，對整個電路進行信號完整性分析，確保整個電路無誤。

1. 電路板規劃

電路板規劃的主要目的是確定其工作層結構，包括信號層、內部電源/接地層、機械層等。通過執行菜單命令Design\Board Layers，在打開的對話框中可以控制各層的顯示與否，以及層的顏色等屬性設置。如果不是利用PCB向導來創建一個電路板文件的話，就要自己定義PCB的形狀和尺寸。繪制時需單擊工作窗口底部的層標簽，再由Place\Keepout 命令來單獨定義。該操作步驟實際上就是在Keep Out Layer(禁止布線層)上用走線繪制出一個封閉的多邊形，而所繪多邊形的大小一般都可以看作是實際印制電路板的大小。

2. 元器件的選擇

對元器件的選擇要嚴格遵循設計要求。在Protel DXP軟件中，常用的分立元件和接插件都在軟件分目錄Library 下Miscellaneous Device. Intlib和Miscellaneous Connectors. Intlib 兩個集成元件庫中。其它的元件主要按元器件生產廠商進行分類，提供了型號豐富的集成庫。但是有時候出于個人設計的需要，設計者無法在庫文件中找到完全匹配的元器件，此時就只有通過制作工具繪制所需元器件。需要注意的是，繪制元件時一般元件均放置在第四象限，象限交點即為元件基準點。

3.元器件的布局

Protel DXP 提供了強大的自動布局功能，在預放置元件鎖定的情況下，可用自動布局放置其他元件。執行命令Tools\Auto Placement\Auto Placer，在Auto Place 對話框中選擇自動布局器。Protel DXP提供兩種自動布局工具:Cluster Placer 自動布局器使用元件簇算法，將元件依據連接分為簇，考慮元件的幾何形狀，用幾何學方法布放簇，這種算法適用于少于100 個元件的情況;Global Placer 自動元件布局器使用基于人工智能的模擬退火算法，分析整個設計圖形，考慮線長、連線密度等，采用統計算法，適用于更多元件數量的板圖。自動布局較方便，但產生的板并不是最佳方案，仍需要手工調整。

3.元器件的連線

連線很講究原則和技巧，走線應盡量美觀、簡潔。一些設計人員在初期使用Protel DXP進行設計時，只在表象上將元件連起，而出現“虛點”。導致在生成網絡報表時出錯。好的設計習慣是打開電氣網絡，使連線可以輕松連接到一個不在捕獲網絡上的實體;打開在線DRC，監控布線過程，違反規則的設計被立即顯示出來。完成預布線后，為了在自動布線時保持不變，需要對預布線鎖定。打開菜單Edit\Find Similar Objects，選擇要鎖定的對象。自動布線與交互式布線相結合可以很好地提高布線成功率和效率。自動布線的結果為手工調整提供參考。

二.電路仿真分析

所謂仿真是指在計算機上通過軟件來模擬具體電路的實際工作過程，并計算出在給定條件下電路中各關鍵點的輸出波形。電路的仿真是否成功取決于電路原理圖、元器件模型的仿真屬性、電路的網表結構以及仿真設置等因素。仿真時首先通過Analyses setup對話框設置仿真方式并制定要顯示的數據。該軟件提供了解種分析仿真方式，包括直流工作點、直流掃描、交流小信號、瞬態過程、噪聲、傳輸函數、參數掃描等。設置好仿真環境后單擊OK按鈕，系統自動進行電路仿真并顯示分析結果。通過對仿真結果的分析，設計者可以對電路進行合理的調整，直到完全滿意。最后將設計好的原理圖通過打印輸出，以供制版使用。

三.制版工藝流程

1.雙面制板工藝流程(簡述)

電路設計覆箔板下料表面處理打印電路圖熱轉印補缺 腐刻(浸泡在1:4FeCl3溶液中腐刻)去膜涂助焊、防氧化劑 鉆孔焊接元件檢查調試 檢驗包裝成品。

2.雙面制板工藝流程(簡述)

雙面覆銅板下料裁板數控鉆導通孔檢驗、去毛刺刷洗化學鍍(導通孔金屬化) (全板電鍍薄銅) 檢驗刷洗網印負性電路圖形、固化(干膜或濕膜、曝光、顯影) 檢驗、修板線路圖形電鍍電鍍錫(抗蝕鎳/金) 去印料(感光膜) 蝕刻銅(退錫) 清潔刷洗網印阻焊圖形常用熱固化綠油(貼感光干膜或濕膜、曝光、顯影、熱固化，常用感光熱固化綠油) 清洗、干燥網印標記字符圖形、固化(噴錫或有機保焊膜) 外形加工清洗、干燥電氣通斷檢測檢驗包裝成品。其詳細說明這里不再贅述。

3.需要注意的問題

在初次表面處理時，需要用P240-320之間的水沙紙打磨覆銅表面，去除表面的氧化層。并且用5%FeCl3溶液浸泡1分鐘，以增強印墨的粘敷力。腐刻溶液的溫度最好在25℃左右。助防氧化劑是把松香按照:10的體積比，放入95%的酒精中浸泡24h以上形成的。鉆孔時，按所裝元件腳的直徑φ+0.2mm，選擇最接近標稱值的鉆頭。

四.結束語

在集成電路不斷發展的時代，計算機輔助技術(CAD)突飛猛進。熟練掌握Protel DXP軟件，將極大提高電子線路的設計質量和效率。但要設計和制作出一塊優良的PBC板，還需要不斷的學習和實踐。因此，廣大電子工程設計人員要在不斷的實踐中去體會，通過總結經驗努力提高設計和制作水平。

參考文獻:

[1] 王廷才，王崇文. 電子線路計算機輔助設計Protel 2004[M]. 北京: 高等教育出版社，2006.

篇9

關鍵詞：單片機 智能車 實訓系統 模塊化

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1009-5349（2016）23-0051-02

實習實訓是人才培養的重要組成部分，對培養學生的工程意識和創新意識，提高學生的動手能力，加深對所學專業知識的認識具有不可替代的作用。但現階段，實習實訓教學模式陳舊，學生被動接受的內容多，主動探究的機會少，嚴重制約了創新精神和創新能力的培養。針對電類專業目前實習實訓教學中存在的問題，提出了CDIO教學模式，即從Conceive（構想）、Design（設計）、Implement（實施）、到Operate（操作）全流程的教學模式，充分調動學生主動參與訓練項目的積極性，在真設備、真項目和真要求的驅動下，實現學生可持續發展能力的培養。我院測控技術與儀器專業工程項目實訓采用了CDIO教學模式，為此開發設計了基于單片機的智能車實訓系統，該系統由10個功能模塊組成，可根據實訓內容要求構建硬件電路，可完成智能車的循跡、避障、調速、語音報警、車速和里程顯示及遙控等功能，培養學生的系統設計、軟件編程、硬件調試的綜合能力，提高了學生的實踐動手能力和創新能力。

一、整體設計思路

以AT89S52為核心控制器。車體選用標準車架模型改裝而成，霍爾傳感器實現測速和里程統計，紅外傳感器進行軌跡跟蹤，超聲波傳感器避障，藍牙模塊實現無線控制，直流電機對車進行轉向和行動控制，H橋電路實現電機的驅動。本系統基于完備的軟硬件系統，很好地實現了小車的自動循跡和避障，遇到障礙物時，能進行語音報警和自動減速，通過液晶LCD1602顯示車速、里程和距離障礙物距離。

系統由微控制器、電源模、功能按鍵、顯示、電機驅動、語音模塊、藍牙、紅外傳感器、超聲波避障、車速檢測等10個功能模塊構成。如圖1所示，系統采用模塊化的設計，學生可根據設計需要，完成不同功能智能車的硬件搭建和軟件調試，通過藍牙無線通信模塊，可實現智能車的遙控。

二、智能車實訓系統的硬件組成

系統硬件性能的好壞決定了整個系統的運行情況，能否穩定而可靠地運轉就取決于硬件電路的質量。核心控制器采用AT89S52構成最小系統，紅外傳感器模塊采用4組紅外對管構成循跡電路，測距采用HC-SR04超聲波模塊，液晶顯示電路采用1602，電機驅動采用L298構成H橋電路，語音模塊采用ISD1760構成，使用了藍牙通信模塊HC-06實現無線通信，電源電路采用7805和LM1117將96V鋰電池轉換為5V和33V，除電機驅動模塊需96V和藍牙模塊使用33V外，其他模塊均采用5V供電。系統采用模塊化設計，開放式接口，方便學生連線。

電機驅動電路采用L298N構成H橋電路，可同時驅動2個直流電機，如圖2所示，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電機， 5（IN1），7（IN2），10（IN3），12（IN4）腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，這四個引腳輸入PWM脈沖，假設IN1輸入一個PWM脈沖，IN2輸入與IN1相反的PWM脈沖電機正轉，相反的PWM可以由程序設置，若要實現電機的反轉，則IN1、IN2輸入與正轉相反的脈沖即可實現， EN1、EN2為使能端，控制電機的停轉。當使能端為低電平時，芯片不會工作。

t外循跡模塊采用紅外對管構成，如圖3所示，一體化紅外發射接收IRT中的發射二級管導通，發出紅外光線，經反射物體反射到接收管上，使接收管的集電極與發射極間電阻變小，輸入端電位變低，當紅外光線照射到黑色條紋時，反射到IRT中的接收管上的光量減少，接收管的集電極與發射極間電阻變大，三極管截止，三極管的集電極C為高電平，再經反相器后輸入到單片機的信號為低電平。在三極管的基極B和發射極E接一個01pF的電容，減少電路中的“毛刺”，以減輕電路的干擾。由于光電傳感器受外界的影響較大，容易引起單片機的誤判，因此我們在電路中加入了一個可調電位器（阻值為10K），通過調整電位器，改變光電傳感器的輸入電流從而改變其靈敏度。

三、測試結果

實訓過程中，以智能車為訓練平臺，根據設計要求構建硬件電路，先進行基礎訓練，然后采用項目驅動式，拓展任務，創新性地進行實訓，通過在智能車平臺上安裝不同的功能模塊來完成某種特定的任務，為了測試智能車實訓系統的性能，制作了智能車的樣機，經過試驗測試，該智能車樣機能夠準確判斷跑道的邊界線并分析出跑道的走向，可以實現自主循跡功能、避障功能和語音報警等功能。

四、總結

本文設計了基于單片機的智能車實訓系統，該實訓系統具有模塊化設計，搭建方便、靈活組合，功能多樣，使學生在該系統上進行硬件電路設計、軟件程序設計和綜合調試等，極大地提高了學生的實訓熱情和實踐動手能力。

參考文獻：

[1]姜健峰.實訓在電子電工教學中的重要性探究[J].電子制作，2014（1）：11.

[2]狄春紅.中央空調實訓臺實訓項目的開發與應用[J].職大學報，2013（6）：73-75.

[3]孫涵，任明武，唐振民等.基于機器視覺的智能車輛導航綜述[J].公路交通科技， 2005， 22（5）：132-135.

篇10

智能小車作為無人駕駛的智能交通探索的一部分，具有重要的理論和應用價值。以兩輛智能小車串行前進的運動模式為背景，提出了具有實用價值的自適應防撞算法，并對系統進行了設計、開發實現和測試。該系統分為前向車和后追車，兩車以MC9S12XS128MAA為控制核心，采用激光和紅外尋跡探測傳感器，超聲波模塊負責前向測障，無線通信模塊負責兩車間信息交換，基于PID （proportional integral differential）算法對小車進行自主運行控制。實驗測試結果表明：所提供的設計方案可行，對探索無人駕駛智能交通系統的實現具有借鑒意義。

關鍵詞：智能小車;自適應;PID;追逐;防撞

中圖分類號：TP212.9

文獻標識碼：A文章編號：1005-3824（2014）05-0062-05

0 引 言

上世紀90年代，國外提出智能公交系統概念，智能車輛則是智能交通系統的重要組成部分。智能車輛技術包含了計算機、移動通訊、自動控制等使車輛更具舒適性、娛樂性、安全性、方便性的多項技術，而基于PC平臺的汽車信息化是實現智能車輛技術的基礎和必要條件^[1]。

2010年12月，吉利汽車與中國聯通聯合推出3G“智能汽車”，標志著國內智能汽車已經進入了一個高速發展的時代，并逐漸從單一的智能汽車開始向“車聯網”時代進軍，高安全性和高穩定性是智能汽車研發的主要需求。目前，國內“飛思卡爾杯”智能汽車競賽一定程度上帶動了智能小車研究的發展。智能汽車競賽以快速發展的汽車電子為支撐，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉，不僅能有效快速地提升參賽者的自主創新能力，對于國內相關學科學術水平的提高也有積極的推動作用^[2-3]。

本文從智能汽車自主運行的防撞需求出發，提出構建基于freescale S12系列單片機的雙智能小車系統，實現兩輛小車在跑道上自適應的防撞前行，為智能汽車的智能化行駛研究提供一個可行的方案。

1 系統總體方案設計

基于輕量化的選擇和電路板的設計，選擇體積小的MC9S12XS128MAA單片機作為核心控制單元。根據自適應防撞需求對前后車輛要求的不同，前后車輛配置不同的硬件。前向車為了保持較好的穩定性和靈敏性，采用前瞻較大的激光傳感器用于循跡^[4]。前向車的系統組成框圖如圖1所示。

圖1 前向車系統組成框圖

后追車考慮用超聲波傳感器感知的距離信息和安裝位置較低的紅外傳感器循跡來控制車輛的行進速度和舵機轉向。后追車的系統組成框圖如圖2所示。

圖2 后追車系統組成框圖

2 系統硬件組成

2.1 前向車硬件組成

車輛整體硬件電路設計遵循低功耗，電路簡單可靠，前瞻合適，控制芯片資源合理化使用的原則，設計了一些低功耗并且控制簡單的電路。電路板的制作也進行了最小化設計，為機械設計打好基礎。

智能車系統以freescale的MC9S12XS128MAA16位單片機為控制核心。電源管理模塊選用7.2 VNi-Cd電池供電，因為單片機系統、用于路徑識別的光電傳感器、光電碼編碼器等均需要5 V電源，控制轉向的伺服電機和轉頭電機工作電壓范圍為56 V。直流電機可以使用電池直接供電，由于整體電路設計功耗低，因此可以采用TPS7350作為單片機和傳感器模塊，以及編碼器的供電電源，采用TPS7301作為舵機供電的可調電源。

電機驅動采用大功率BTS7970作為驅動芯片，BTS7970執行抱死剎車優勢明顯。單個的芯片內部為MOS半橋電路，這里選擇兩片進行對接形成全橋驅動。轉向舵機選用體積較小的T170A ，控制傳感器模塊的隨動舵機選用S3010。控制頻率均為100 Hz，采用雙電源控制。

前向車的道路信息采集傳感器選用前瞻較大的激光傳感器。在對單排固定和雙排固定方案進行對比測試后，激光傳感器的控制電路選用轉向隨動控制方案，采用四路接收、八路發射作為路徑識別的傳感器方案，即一路接收對應兩路發射的這種較容易對準的方案，發射管采用分時發射電路，以減小功率消除干擾。在對多個分時控制電路方案進行測試后，選擇MAX4638作為模擬八選一的選通開關，其性能相當于高速繼電器，可以產生多個共用電路，有助于簡化電路設計。工作于5 V電壓，其內阻只有3.5 Ω，某一時刻只有一個選通，因此電路功率不高，增強了抗干擾能力。

在速度較高時普通碼盤會出現輸出不穩定現象，因此智能車的測速裝置選用光電編碼器，其可輸出500脈沖/轉，滿足測速要求。

2.2 后追車硬件組成

后追車的主控電路、主板電路以及電機驅動等硬件與前向車基本一致。由于后追車使用超聲波傳感器進行前向掃描測距，因此需增加超聲波模塊。在機械結構上為保證超聲波模塊的架高設置，后追車選用架設位置相對較低的紅外傳感器進行軌道循跡， 紅外傳感器采用7路ST188紅外對管架設電路。為增加超聲波模塊的掃描范圍，超聲波模塊采用舵機控制。

超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間來實現的，即經發射器發射出波長約6 mm，頻率為40 kHz 的超聲波信號，此信號被物體反射回來由接收頭接收，產生mV級的微弱電壓信號。設超聲波脈沖由傳感器發出到接收所經歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標物體的距離可表示為：D=c?t2。超聲波測距模塊原理如圖3所示。

圖3 超聲波測距原理框圖

為了能實現2個小車之間的自適應防撞，本系統采用無線通信模塊進行數據交換， 確保2個小車之間的通信和相互協調。系統選用高度集成超低功耗半雙工微功率無線數據傳輸模塊UTC1212，片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101處理器，采用最新一代高性能射頻芯片SX1212。其中SX1212創新的采用高效的循環交織糾檢錯編碼，使抗干擾和靈敏度都大大提高，模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口速率，發射功率，射頻速率等各種參數，二次開發簡單方便，也可以通過MCU來設置常規參數，模塊電壓范圍為2.13.6 V，在接收狀態僅僅消耗3.2 mA，有4種工作模式。傳輸距離在500 m左右，其UTC1212模塊共有7個引腳，如表1所示。

表1 UTC1212引腳作用分配

管腳名稱方向說明

1GND無地線

2VCC無電源 2.13.6 V

3SET_A輸入和 SET_B 組合用于選擇模塊工作模式

4RXD輸入串口輸入口，TTL 電平

5TXD輸出串口輸出口，TTL 電平。

6AUX輸出用于模塊工作狀態指示

7SET_B輸入和 SET_A 組合用于選擇模塊工作模式

無線模塊工作時通常處于接收狀態，一旦收到數據，就將已經接收到的數據通過UART輸出，這時可以用單片機通過中斷接收方式將數據讀取并存儲，便于處理（如比對、數據顯示等）。當需要發送數據時，把待發送數據通過UART接口傳輸UTC1212模塊，模塊收到數據后就自動無線發送，發送完畢后自動切換到接收模式。無線模塊共有四種工作模式，可相互轉換，利用SET_A和SET_B管腳進行設置。如表2所示。

表2 無線模塊工作模式

工作模式模式含義

模式 1 SET_A=0 SET_B=0正常模式，該模式下可以收發數據

模式 2 SET_A=0 SET_B=1喚醒模式，該模式下可以收發數據

模式 3 SET_A=1 SET_B=0省電模式，該模式下可以收發數據

模式 4 SET_A=1 SET_B=1休眠/配置模式，該模式下不可以收發數據

無線模塊與單片機的接線如圖4所示。

圖4 無線模塊與單片機的接線

3 系統控制策略

3.1 傳感器及舵機控制策略

在系統運行過程中，傳感器隨動運行，始終保持傳感器信息中心對準軌道黑線，這就要求在行進過程中對帶動傳感器板的舵機進行基于PID算法的隨動控制^[5-6]。具體控制策略如下：設置2個控制變量e和w，e為軌道黑線相對于傳感器板中心位置的偏差，w為舵機脈寬調制的占空比。為了使傳感器板無穩態誤差地跟隨黑線，首先需要有積分環節，此時w=∫ki?edt（ki為積分系數，決定積分的強弱）。

為了減小干擾，采用增量式控制：Δw=ki?Δe。但該方法只在低車速時才能較好地工作，一旦速度較高傳感器板就會偏離黑線，不得不提高ki使傳感器板轉動的響應速度加快，但這將導致新的問題出現：在經過急彎后傳感器板會不停地左右搖擺，即出現控制理論上的震蕩現象，此時系統不穩定。因此，應增加比例環節以提高傳感器板轉動的響應速度。但實驗發現固定比例系數ki所取得的控制效果并不好，經分析發現原因在于：傳感器板采集的是離散值，且離散值的總數有限，故比例系數設置過小導致動作不明顯，比例系數設置過大將導致動作不連續，即ki小傳感器板穩定但反應慢，ki大傳感器板反應快但不穩定。這就要求在運行過程中根據需要動態地改變ki，根據實際調試確定如下規則：kmin≤ki≤kmax（kmin，kmax根據實際的調試效果進行確定）。

當e大于某值時，此時黑線偏離傳感器板中點較多，說明傳感器板跟不上黑線，故增加ki來加快傳感器板的轉動。當e小于某值時，此時黑線偏離傳感器板中點不多，為了防止出現不穩定的情況，應減小ki。

若前述條件都不滿足且e?pe<0（pe 為上一次的e），說明系統發生震蕩，即傳感器板偏轉過度或出現其他錯誤，應減小ki使傳感器板穩定或減弱因錯誤引起的不良后果。

對于轉向舵機的控制采用分段比例加微分的方式;彎道控制采用直道加速，進彎減速，入彎后加速的方式^[7-8]。

3.2 車輛跟隨防撞的反饋控制

為避免兩車在跟隨前進過程中出現追尾碰撞，后追車的超聲波模塊根據車輛的移動狀態實時進行車距檢測^[9]，當超聲波檢測到前方有小車時，如果距離為1 m后車開始減速;如果距離為30 cm以內，無線模塊向前車發送指令，前車開始加速;如果出現數據丟失，則后追車在距離為10 cm時主動停車^[10]。

4 自適應追逐防撞系統的實現

4.1 控制算法的軟件實現

根據智能車追逐防撞系統各個模塊的設計，對前向車和后追車的控制算法進行了實現，兩車的控制流程如圖5所示。

4.2 機械結構的實現

為了保證智能車自適應追逐防撞系統的高速穩定運行，在機械結構的實現方面盡量保證車輛的重心低、重心位置靠后;并對車模的機械部分做如下調整：

圖5 智能車主體控制軟件流程

1）前輪傾角調整。

對前輪調整的目的是希望改善車模在行進中前輪的轉彎性能，提高小車轉彎的靈活性。因此調整前輪使主銷內傾和后傾。經過測試，這樣的調整有助于提高車在運行狀態下的穩定性。

2）舵機安裝位置調整。

舵機的原裝位置對智能車的方向控制極為不利，舵機的傳動效率低，空轉行程大，反應時間長，并且容易在與其它的結構連接處發生卡死現象。為了克服舵機在機械上的不利影響，對原裝車體更改了舵機的安裝位置，將原來舵機的多機構傳動改為直接傳動，這樣可減少舵機傳動機構之間的復雜連接關系，提高效率，減少機械結構上的反應時間，便于對轉向的精確控制。

3）減震調整。

減震調整包括松緊程度的調整和小車重心高度的調整。由于小車被設定是在平坦的道路上行走，因此太靈活的減震系統對小車來說并不是一個有利的因素，太松太緊的減震易使小車震動劇烈，不利于激光傳感器對信號的接收，故適當調節減震彈簧的松緊程度，可改善小車的性能，降低震動對傳感器接收信號的影響。另一方面，過高的重心不利于小車轉彎，降低了小車的穩定性^[11]，尤其在高速情況下更明顯，常發生小車在轉彎時車輪離地的現象，一旦有輪子離開地面，車輪便會失去有效的驅動力，故降低重心高度可在一定程度上避免這種現象的發生。通過調節減震拉桿的長度來調節小車重心的高度，以低到不影響小車過坡道為原則。

4）電池安裝位置調整。

在實際的調試過程中發現，小車電池的安裝位置對齒輪的傳動有影響，電池左側會碰觸中間的差速結構，再加上車模底板的塑料強度不高，導致小車在運動時差速齒輪與電機的銅齒時而嚙合時而分離，一段時間之后就會把差速齒輪磨平，不利于傳動，為此特意將電池的安裝位置向后移動，直到脫離中間的差速機構，這有利于將小車整體的重心后移，從而降低舵機的負荷。

4.3 傳感器的安裝

由于前向車的傳感器采用隨動結構，在隨動舵機的安裝、傳感器高度和前瞻的對比上都需要考慮車體重心的問題，在最大化降低重心的基礎上，保證傳感器40 cm以上的前瞻。后追車由于對超聲波傳感器進行了舵機架高，因此紅外傳感器板裝于車前。

經過設計和調試，最終實現的智能小車自適應追逐防撞系統如圖6所示。

圖6 智能車系統實現

5 結束語

本文基思卡爾智能小車對雙車自適應追逐防撞系統的實現進行了探討?；谙到y總體設計和模塊構建，并最終調試完成了智能小車自適應追逐防撞系統的實現，達到在預定軌道上自主循線、PID運行控制、超聲波測距、無線通信和追逐防撞的設計目標。對探索無人駕駛車輛及其協同運行的自適應實現方法和機制提供了可借鑒的新思路。

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作者簡介：

羅吉生（1966），男，云南省曲靖市人，工程師，主要從事企業計量技術及企業儀器儀表自動化技術的運用和管理。

Adaptive follow-up tracing anti-crash system for smart mini-cars

LUO Jisheng

（Yunnan Qujing Steel Holding Group Co.Ltd， Qujing 655003，P.R.China）