智能硬件電子電路設計圖集錦TOP7 —電路圖天天讀（158）

　　TOP1 智能電動平衡車電路設計圖

　　近年來，兩輪自平衡電動車以其行走靈活、便利、節(jié)能等特點得到了很大的發(fā)展。國內(nèi)外有很多這方面的研究，也有相應的產(chǎn)品。兩輪平衡電動車的運作原理主要是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)定”（Dynamic StabilizaTIon）的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能力。以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀（Solid-State Gyroscopes）來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當?shù)闹噶詈?，?qū)動馬達來做到平衡的效果。

　　電源接口電路圖

　　測速模塊接口

　　單片機最小系統(tǒng)

　　車主控模塊主要由穩(wěn)壓模塊、isp下載口、無線模塊、加速度傳感器、陀螺儀、74ls04s施密特觸發(fā)器、電源指示燈組成。其中主控芯片的主要功能是采集加速度傳感器、陀螺儀、光電編碼器、以及無線模塊的數(shù)據(jù)進行運算，然后進行反饋。不僅是主要的數(shù)據(jù)運算中心又是控制中心。

　　更多智能硬件資料集錦，詳情請進入》》》

　　TOP2 采用MSP430的機器人定位系統(tǒng)電路

　　對于在室外環(huán)境工作的移動機器人通常使用慣導/衛(wèi)星組合導航方式。慣性導航系統(tǒng)具有完全自主、抗干擾強、隱蔽能力好和輸出參數(shù)全面等優(yōu)點，但它的魯棒性極低，誤差會不斷隨時間累積發(fā)散。衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有精度高、定位范圍廣和誤差不隨時間累積等優(yōu)點，但其自主性差、易受外界遮擋和干擾、接收機數(shù)據(jù)更新頻率低等缺點。因此工程上常常將兩者互補結(jié)合使用，組成衛(wèi)星/慣性組合導航系統(tǒng)。

　　本文以低功耗MSP430F149為核心，設計了能夠同時實現(xiàn)衛(wèi)星導航（GNSS）接收機、慣性測量單元（IMU）、氣壓高度等導航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進行初步導航定位信息融合的導航系統(tǒng)，即可為室外移動機器人提供直接的導航服務，也可作為高精度組合導航系統(tǒng)的原始測量信息高速采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設計的關鍵是利用單片機有限的接口資源實現(xiàn)了多傳感器信息并行采集，設計了有效的數(shù)據(jù)同步方法，解決了氣壓傳感器數(shù)據(jù)手冊疏漏導致的無法接入問題，給出了機器人組合定位的基本方法。系統(tǒng)充分利用了MSP430F149單片機的能力，具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、對傳感器具有普適性等優(yōu)點。

　　本系統(tǒng)由電源、氣壓計接口、IMU接口、 GNSS接收機接口、SPI轉(zhuǎn)UART模塊及MSP430F149構(gòu)成。系統(tǒng)組成如圖1所示。組合導航系統(tǒng)的功能實現(xiàn)分為IMU數(shù)據(jù)接收與解析、GNSS 數(shù)據(jù)接收與解析、氣壓計數(shù)據(jù)接收與解析、組合導航解算以及數(shù)據(jù)輸出五個部分。IMU數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導航解算中需要的加速度和角速度信息;GNSS數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導航解算中需要的位置和速度信息（松耦合組合）或者 GNSS偽距和偽距率（緊耦合組合）;氣壓計數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取高度信息;組合導航解算功能為系統(tǒng)核心，用來進行組合導航解算;數(shù)據(jù)的輸出包括原始數(shù)據(jù)包的整合輸出和解算結(jié)果的輸出。

　　圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

　　本文所使用的慣性器件和GNSS接收機都是RS-232電平的UART接口，具有通用性，用戶可根據(jù)成本考慮不同精度的設備。氣壓計選用美國MEAS公司生產(chǎn)的MS5803-02BA，已經(jīng)固化在電路中。

　　微控制器接口

　　整個組合導航定位系統(tǒng)需要三個UART接口和兩個SPI接口。其中兩個UART接口由430單片機自帶的UART資源提供，另外一個UART接口由 GPIO模擬SPI通過MAX3111E芯片轉(zhuǎn)化得到;兩個SPI接口由GPIO模擬得到。另外需要一個外部中斷引腳捕獲秒脈沖信號（PPS）、一個外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號。MSP430F149管腳資源分配如表1所示。

　　電源電路

　　本系統(tǒng)供電需求為3.3V供電，因此采用AMS1117穩(wěn)壓芯片，接入5V電源即可輸出3.3V穩(wěn)定電壓，可提供1A電流，滿足系統(tǒng)供電需求。電路設計如圖2所示。

　　圖2 電源電路

　　IMU器件及GNSS接收機接口電路

　　IMU器件及GNSS接收機都采用UART接口方式接入，采用RS232協(xié)議。因此可使用430單片機上自帶的兩個UART接口，但是需要進行TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。這里采用常見的MAX3232芯片，電路設計如圖3所示。

　　圖3 IMU及GNSS接口電路

　　氣壓計MS5803-02BA接口電路

　　MS5803-02BA［3］是由MEAS公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力傳感器，分辨率達10cm。芯片內(nèi)部包含一個高線性的壓力傳感器和一個內(nèi)部工廠標定系數(shù)的超低功耗24位ΔΣ型ADC。該款芯片有SPI和I2C兩種接口方式，通過芯片的PS引腳配置了選擇不同的接口方式（PS置低時，采用SPI工作模式;PS置高時，采用I2C工作模式）。本文所闡述的定位系統(tǒng)將氣壓計配置為SPI工作模式。MS5803-02BA與微控制器間的接口電路設計如圖4所示。

　　圖4 MS5803-02BA接口電路

　　MS5803-02BA的控制命令包括復位命令、溫度ADC命令、氣壓ADC命令、ADC讀取命令、PROM讀取命令?？刂泼钊绫?所示?？刂泼钔ㄟ^SDI口移位輸入，響應結(jié)果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時鐘信號的上升沿，輸出的電平判定在時鐘信號的下降沿。輸出的氣壓值可以進行溫度補償，需要利用芯片內(nèi)部PROM中的系數(shù)來補償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結(jié)果;PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補償系數(shù)。

　　本文基于MSP430F149單片機設計的室外移動機器人組合導航定位系統(tǒng)，通過接口的擴展使得該款定位系統(tǒng)能夠接入IMU、GNSS接收機、氣壓計三路信息，完成初步導航定位服務功能，同時可作為多路數(shù)據(jù)采集設備，將多路數(shù)據(jù)整合到一路高速輸出接口，用于進一步的高精度導航解算。該系統(tǒng)根據(jù)使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的設備，只要滿足RS-232協(xié)議即可。筆者將其實際運用，整個系統(tǒng)充分利用該款單片機的資源，結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、適用范圍廣，不僅可作為初步導航定位服務的設備，還可作為多路數(shù)據(jù)采集設備。

　　TOP3 AT89C2051多路舵機控制電路詳解

　　舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。在微機電系統(tǒng)和航模中，它是一個基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)。以FUTABA-S3003型舵機為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機的內(nèi)部電路。

　　舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進入信號解調(diào)電路BA66881。的12腳進行解調(diào)，獲得一個直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送人電機驅(qū)動集成電路BA6686，以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器 R。，旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為O，電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

　　舵機的控制方法

　　電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms（即頻率為50 Hz）。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用圍 3來表示。

　　舵機控制器硬件電路設計

　　從上述舵機轉(zhuǎn)角的控制方法可看出，舵機的控制信號實質(zhì)是一個可嗣寬度的方波信號（PWM）。該方波信號可由FPGA、模擬電路或單片機來產(chǎn)生。采用 FPGA成本較高，用模擬電路來實現(xiàn)則電路較復雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機作舵機的控制器。目前采用單片機做舵機控制器的方案比較多，可以利用單片機的定時器中斷實現(xiàn)PWM。該方案將20ms的周期信號分為兩次定時中斷來完成：一次定時實現(xiàn)高電平定時Th；一次定時實現(xiàn)低電平定時T1。Th、 T1的時間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點是，PWM信號完全由單片機內(nèi)部定時器的中斷來實現(xiàn)，不需要添加外圍硬件。缺點是一個周期中的PWM信號要分兩次中斷來完成，兩次中斷的定時值計算較麻煩；為了滿足20ms的周期，單片機晶振的頻率要降低；不能實現(xiàn)多路輸出。也可以采用單片機+8253計數(shù)器的實現(xiàn)方案。該方案由單片機產(chǎn)生計數(shù)脈沖（或外部電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖）提供給8253進行計數(shù)，由單片機給出8253的計數(shù)比較值來改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)多路輸出，軟件設計較簡單；缺點是要添加l片8253計數(shù)器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個單片機舵機控制方案基礎上，提出了一個新的設計方案，如圖4所示。

　　該方案的舵機控制器以AT89C2051單片機為核心，555構(gòu)成的振蕩器作為定時基準，單片機通過對555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)來產(chǎn)生PWM 信號。該控制器中單片機可以產(chǎn)生8個通道的PWM信號，分別由AT89C2051的P1．0～Pl.7（12～19引腳）端口輸出。輸出的8 路PWM信號通過光耦隔離傳送到下一級電路中。因為信號通過光耦傳送過程中進行了反相，因此從光耦出來的信號必須再經(jīng)過反相器進行反相。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106施密特反相器對光耦傳輸過來的信號進行整形，產(chǎn)生標準的PWM方波信號。筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電，兩者不共地，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關電源。該舵機控制器占用單片機的個SCI串口。串口用于接收上位機傳送過來的控制命令，以調(diào)節(jié)每一個通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉(zhuǎn)換器，將上位機的RS232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平。

　　實現(xiàn)多路PWM信號的原理

　　在模擬電路中，PWM脈沖信號可以通過直流電平與鋸齒波信號比較來得到。在單片機中，鋸齒波可以通過對整型變量加1操作來實現(xiàn)，如圖5所示。假定單片機程序中設置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產(chǎn)生的外部計數(shù)時鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當在外部計數(shù)時鐘脈沖的下降沿，單片機產(chǎn)生外部中斷，執(zhí)行外部中斷INT0的中斷服務程序。每產(chǎn)生一次外部中斷，對SawVal執(zhí)行一次加1操作，若SawVal已達到最大值N，則對SawVal清O。SawVal值的變化規(guī)律相當于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設置另一整型變量DutyVal，其值的變化范圍為 O～N。每當在SawVal清0時，DulyVal從上位機發(fā)送的控制命令中讀入脈沖寬度系數(shù)值，例如為H（0≤H≤N）。若 DutyVal≥SawVal，則對應端口輸出高電平；若DutyVal《Sawval，則對應端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變 DutyVal的值，則對應端口輸出脈沖的寬度發(fā)生變化，但輸出脈沖的頻率不變，此即為PWM波形。

　　TOP4 無人機溫度巡檢信號調(diào)理電路

　　目前無人飛行器主要飛行于大氣對流層和平流層低層區(qū)間。該區(qū)間大氣溫度變化復雜，大氣環(huán)境的溫度過低或過高都將直接影響無人飛行器控制系統(tǒng)的正常工作。由于無人飛行器機身需要檢測溫度的部位較多，監(jiān)測目標比較分散，使用單一結(jié)構(gòu)的溫度傳感器或結(jié)冰探測儀表難以實時、全面地掌握整個機身表而溫度狀況，因此，本設計結(jié)合已有的民用多路測溫技術(shù)，提出一種基于FPGA的適用于無人飛行器機身各部位溫度檢測和功能事務管理的多路溫度巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在無人飛行器飛行過程中，根據(jù)需要循環(huán)監(jiān)測各部位的溫度狀況，以便能夠及早測出機身可能出現(xiàn)的結(jié)冰低溫并向系統(tǒng)發(fā)出報警信號使飛機及時飛離結(jié)冰區(qū)域或開啟除冰設計，從而達到保障飛行安全的目的。

　　設計方案的總體結(jié)構(gòu)

　　無人飛行器溫度巡檢裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　本設計采用FPGA作為核心芯片，電源電路供電后，信號調(diào)理電路通過鉑電阻傳感器PT100將采集的電壓信號通過放大器放大后送給A/D采樣電路，A /D采樣電路通過采樣把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送給FPGA進行處理，處理數(shù)據(jù)后FPGA自動把處理結(jié)果送出，通過液晶顯示并且與鍵盤電路設定的值進行比對，如果超出設定值范圍，F(xiàn)PGA送出信號，使得蜂鳴器電路報警，繼電器電路響應，啟動加熱裝置，圖1給出了系統(tǒng)的整體框圖。按照系統(tǒng)的功能要求，裝置的硬件電路依據(jù)其功能劃分為信號調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊等部分。

　　信號調(diào)理模塊

　　系統(tǒng)采用惠斯通電橋接入鉑電阻傳感器PT100信號，如圖2所示。

　　圖2中INA、INB之差與PT100阻值變化呈線性關系，通過將INA、INB變化值采樣再對應鉑電阻傳感器P100刻度表即可換算得到實測溫度?？紤]到鉑電阻傳感器PT100探頭產(chǎn)生的信號非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇單運放構(gòu)成的儀表放大器。儀表放大器擁有差分式結(jié)構(gòu)，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大。圖2中R3，R4，R5，R6，R7，R8均采用低溫漂的精密電阻，R2為多圈精密可調(diào)電阻。通過電路可以計算出：

　　A/D采樣模塊

　　系統(tǒng)選用 AD7476作為采樣芯片。該芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC，采用單電源工作，電源電壓為2.35V至5.25V，最高吞吐速率可達 1MSPS，完全滿足本系統(tǒng)的采樣精度和速度的要求。該芯片內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理6MHz以上的輸入頻率。AD轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘SCLK進行控制，從而為器件與FPGA接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在CS的下降沿進行采樣，而轉(zhuǎn)換同時在此處啟動，轉(zhuǎn)換速率取決于SCLK的時鐘頻率。圖3為AD7476的典型接線電路。

　　軟件設計

　　溫度巡檢裝置的軟件以VHDL語言為基礎，采樣模塊化的設計思路編程，分為液晶顯示模塊、AD采樣模塊、鍵盤輸入模塊、報警模塊和PWM控制模塊模塊。圖4給出了各模塊之間的關系圖。

　　系統(tǒng)首先通過AD采樣模塊對溫度進行采樣，將采樣的數(shù)據(jù)送入溫度檢測模塊進行處理。溫度檢測模塊的任務是計算將采樣來的溫度值與系統(tǒng)的預設值之間的差值，利用差值的大小來控制PWM模塊輸出脈沖寬度不同的脈沖波，通過脈沖波開控制繼電器的通斷，從而達到溫度的恒定控制。

　　系統(tǒng)的定標

　　首先用高精度電阻箱代替鉑電阻傳感器Pt100對測量系統(tǒng)進行定標。根據(jù)式1所示的鉑電阻傳感器Pt100電阻和輸出電壓之間的關系，通過改變電阻箱的取值來設定相對應的測試溫度點標稱值，經(jīng)過測量系統(tǒng)、A/D采樣的計算，得到測量溫度顯示值。根據(jù)初測數(shù)據(jù)對測量電路、補償電壓進行校準后，完成對系統(tǒng)的定標工作。

　　系統(tǒng)實測

　　將鉑電阻傳感器Pt100接入測量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中（溫控精度0.01℃）進行整個溫度測量系統(tǒng)定標測量。測量時要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性;恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔1min對同一溫度點進行20次測量。由表1中數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)的最大誤差為0.009℃，說明Pt100 鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測量系統(tǒng)的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關，有待于進一步定標。

　　本文提出了基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的設計方案，該方案中所設計的無人飛行器溫度巡檢裝置利用FPGA快速性、可并行性、延時固定性等特點，能夠快速，準確的檢測無人機的各部件溫度。通過實驗驗證，系統(tǒng)的最大誤差不超過0.01度，完全滿足無人飛行器對溫度采集的要求。

　　TOP5 四軸飛行器三相六臂全橋驅(qū)動電路

　　四軸飛行器是近來在專業(yè)與非專業(yè)領域都非常火爆的技術(shù)產(chǎn)品。下面這篇文章針對四軸飛行器無位置傳感器無刷直流電機的驅(qū)動控制，設計開發(fā)了三相六臂全橋驅(qū)動電路及控制程序。設計采用ATMEGA16單片機作為控制核心，利用反電勢過零點檢測輪流導通驅(qū)動電路的6個MOSFET實現(xiàn)換向;直流無刷電機控制程序完成MOSFET上電自檢、電機啟動軟件控制，PWM電機轉(zhuǎn)速控制以及電路保護功能。該設計電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、電機運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。近年來，四軸飛行器的研究和應用范圍逐步擴大，它采用四個無刷直流電機作為其動力來源。無刷直流電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。

　　無刷主流電機的驅(qū)動控制方式主要分為有位置傳感器和無位置傳感器的控制方式兩種。由于在四軸飛行器中的要求無刷直流電機控制器要求體積小、重量輕、高效可靠，因而采用無位置傳感器的無刷直流電機。本文采用的是朗宇X2212 kv980無刷直流電機。無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)包括驅(qū)動電路和系統(tǒng)程序控制兩部分。采用功率管的開關特性構(gòu)成三相全橋驅(qū)動電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強大的運算處理能力，實現(xiàn)電機的啟動與控制，但電路結(jié)構(gòu)復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性。直流無刷電機的換向采用反電勢過零檢測法，一旦檢測到第三相的反電勢過零點就為換向做準備。反電勢過零檢測采用虛擬中性點的方法，通過檢測電機各相的反電勢過零點來判斷轉(zhuǎn)子位置。而基于電機三相繞組端電壓變化規(guī)律的電機電流換向理論，可以大大提高系統(tǒng)控制精度。

　　本文無刷直流電機的驅(qū)動電路采用三相六臂全橋電路，控制電路的管理控制芯片采用 ATmega 16單片機實現(xiàn)，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點，因而外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機采用軟件啟動和PWM速度控制的方式，實現(xiàn)電機的啟動和穩(wěn)定運行，大大提高四軸飛行器無刷直流電機的調(diào)速和控制性能。

　　三相六臂全橋驅(qū)動電路

　　無刷直流電機驅(qū)動控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動方式，采用此方式可以減少電流波動和轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機驅(qū)動部分使用6個功率場效應管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無刷電機驅(qū)動電路電源電壓為12 V.驅(qū)動電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305（P溝道），Q4~Q6為IRFR1205（N 溝道）。該場效應管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應管關斷時提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數(shù)見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場效應管提供驅(qū)動信號。

　　表1 MOSFET管參數(shù)

　　由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動信號，并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅(qū)動信號相接，通過改變PWM信號的占空比來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅(qū)動信號，由單片機的I/O口直接提供，具有導通與截止兩種狀態(tài)。

　　圖1 無刷直流電機三相六臂全橋驅(qū)動電路

　　無刷直流電機驅(qū)動控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個管子導通，每60°電角度換向一次，若某一時刻AB 相導通時，C 相截至，無電流輸出。單片機根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開關特性，實現(xiàn)電機的通電控制，例如，當Q1、Q5 打開時，AB 相導通，此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類似的，當MOSFET 打開順序分別為Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5時，只要在合適的時機進行準確換向，就可實現(xiàn)無刷直流電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。

　　反電勢過零檢測

　　無刷直流電機能夠正常連續(xù)運轉(zhuǎn)，就要對轉(zhuǎn)子位置進行檢測，從而實現(xiàn)準確換向。電機轉(zhuǎn)子位置檢測方式主要有光電編碼盤、霍爾傳感器、無感測量三種方式。由于四軸飛行器無刷直流電機要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，因而采用無位置傳感器的方式，利用第三相產(chǎn)生的感生電動勢過零點時刻延遲30°換向。雖然該方法在電機啟動時比較麻煩，可控性差，但由于電路簡單、成本低，因而適合于在正常飛行過程中不需要頻繁啟動的四軸飛行器電機。

　　由于無刷直流電機的兩相導通模式，因而可以利用不導通的第三相檢測反電勢的大小。如圖2反電勢檢測電路，中性點N 與單片機的AIN0 相接，Ain，Bin，Cin分別接單片機的ADC0，ADC1，ADC2.不停地比較中性點N電壓與A，B，C三相三個端點電壓的大小，以檢測出每相感生電動勢的過零點。ATMEGA16單片機模擬比較器的正向輸入端為AIN0，負向輸入端根據(jù)ADMUX寄存器的配置而選擇 ADC0，ADC1，ADC2，從而利用了單片機自帶的模擬比較器的復用功能。當A，B相通電期間，C相反電勢與中性點N進行比較，類似的，就可以成功檢測出各相的過零事件。

　　圖2 反電勢檢測電路

　　電機的反電勢檢測出來后，就可以找到反電勢的過零點，在反電勢過零后延遲30°電角度進行換向操作。

　　驅(qū)動電路采用三相六臂全橋電路，MOSFET 作為開關元件，利用ATmega 16 單片機作為控制芯片，反電勢過零檢測以及軟件啟動的控制方式，并延遲30°進行換向。正常啟動后，單片機輸出PWM 實現(xiàn)無刷直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時設計了電壓、電流監(jiān)測電路，保證系統(tǒng)安全，因而，該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動無位置傳感器無刷直流電機，并且能夠應用于四軸飛行器。

　　TOP6 揭秘智能照明系統(tǒng)硬件電路

　　對一些照明時間較長、照明設備較多的場所，其照明系統(tǒng)的使用浪費現(xiàn)象屢見不鮮。由于缺乏科學管理和管理人員的責任心不強，有時在借助外界環(huán)境能正常工作和夜晚室內(nèi)空無一人時，整個房間內(nèi)也是燈火通明。這樣下來，無形中所浪費的電能是非常驚人的。據(jù)測算，這種現(xiàn)象的耗電占其單位所有耗電的40％左右。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實施照明節(jié)能措施。這不僅可以節(jié)約能源，而且會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

　　本系統(tǒng)主要由光照檢測電路、熱釋電紅外線傳感器及處理電路、單片機系統(tǒng)及控制電路組成。工作時，光照檢測電路和熱釋電紅外線傳感器采集光照強弱、室人是否有人等信息送到單片機，單片機根據(jù)這些信息通過控制電路對照明設備進行開關操作，從而實現(xiàn)照明控制，以達到節(jié)能的目的。

　　系統(tǒng)硬件設計

　　按圖1構(gòu)成的系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。為了使系統(tǒng)功能更加完善，在該系統(tǒng)中可以增加時間顯示電路，用于顯示當前的時間。由于該部分硬件與軟件均已成熟，在此不做詳細介紹。

　　中心控制模塊

　　目前較為流行的單片機有AVR和51單片機，從系統(tǒng)設計的功能需求及成本考慮，51單片機性價比更高。AT89C52是擁有2個外部中斷、2個16位定時器、2個可編程串行UART的單片機。中心控制模塊采用AT89C52單片機已完全滿足設計需要，實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制。

　　光照檢測電路

　　如圖2所示，當外界環(huán)境光照強時，光敏電阻R13阻值較小，則A點電平較低；當外界環(huán)境光照弱時，光敏電阻R13阻值較大，則A點電平較高，將此電平送到單片機，由程序控制是否實現(xiàn)照明。

　　熱釋電傳感器及處理電路

　　熱釋電紅外線傳感器

　　熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴後岆妭鞲衅骶哂谐杀镜?、不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際使用時，在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為2 m左右；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10 m以上。由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值?。ㄐ∮? mV），不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號，因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)以上要求，人體熱釋電檢測電路組成框圖如圖3所示。

　　信號處理電路

　　本設計采用BIS0001來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。BIS0001是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號處理集成電路，它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成。由BIS0001構(gòu)成的信號處理電路如圖4所示。

　　圖 4中，熱釋電傳感器S極輸出信號送入BIS0001的14腳，經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大后，由C3耦合從12腳輸入至內(nèi)部第二級運算放大器放大，再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器，最后從12腳輸出信號（Vo）送入單片機進行照明控制。BIS0001的1腳接高電平，使芯片處于可重復觸發(fā)工作方式。輸出Vo（高電平）的延遲時間Tx由外部R8和C7的大小調(diào)整；觸發(fā)封鎖時間TI由外部R9和C6的大小調(diào)整。

　　延時時間選擇電路

　　系統(tǒng)在AT89C52的P1中設置了延時時間選擇電路，其目的是在環(huán)境光照較弱時，照明設備延時一段時間后自動熄滅。電路通過 P1.0～P1.3設置4個延時時間，當P1.0～P3.0無開關閉合時，系統(tǒng)按初始值進行延時；當P1.0～P1.3有開關閉合時，程序從 P1.3～P1.0進行檢測，若檢測到某一端口為低電平時，則系統(tǒng)按當前端口設置的值進行延時。設置時間關系值如表1所示。

　　輸出控制電路

　　單片機對光照檢測電路和傳感器處理電路輸出的信號進行檢測，輸出控制信號由單片機的P2.0輸出。在室內(nèi)環(huán)境光照較強或光較弱但室內(nèi)又無人時，P2.0 輸出高電平，此時三極管V1截止，繼電器J1不工作，則接在220 V上的照明設備不亮。在室內(nèi)光照較弱且傳感器檢測室內(nèi)有人時，則P2.0輸出低電平，此時三極管V1導通，繼電器J1工作，則220 V交流電通過繼電器加到照明設備上，照明設備正常點亮。

　　本次設計的智能照明控制系統(tǒng)，適用于學校、商場等大面積室內(nèi)場所的照明控制，可以有效地對照明設備進行自動控制，達到科學管理與節(jié)能的目的。實驗證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、工作穩(wěn)定、可靠性高。若在該系統(tǒng)中增加報警裝置，也可實現(xiàn)自動報警功能。

　　TOP7 智能移動終端系統(tǒng)電路設計詳解

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，各種移動定位終端已經(jīng)深入我們的生活，而同時人們需要更多基于位置的安全保障，于是也向GPS提出了新的要求，能否提供一種嵌入式GPS，提供安防聯(lián)防諸如巡查過程中保安移動信息服務，位置監(jiān)控調(diào)配服務等。不言而喻，GPS、微型嵌入式終端等新技術(shù)，必然成為GIS中一個新興的重要研究領域。本設計主要實現(xiàn)電子巡查系統(tǒng)（圖1）智能終端兩個關鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：GPS信息獲取以及空間位置信息、總臺命令的無線交互傳輸。

　　以往的保安巡查沒有太多設備，人均一個對講機，一條警棍。隨著GPS的出現(xiàn)，基站即總臺對每個保安的地理位置信息的掌握成為可能。即每個保安配備一套 GPS定位設備，以及一套將自身位置信息發(fā)送給總臺的無線收發(fā)設備。由于給每個保安重新配備一套設備成本高昂，而且淘汰已有的對講機不夠現(xiàn)實，于是，將對講機作為已有的信道載體，便一舉兩得，只須對舊的對講機作局部電路的調(diào)整修改，就能既方便又實際地構(gòu)筑前所未有的安全體系。

　　圖1 電子巡查系統(tǒng)應用

　　利用主板與各個功能模塊的結(jié)合組成移動智能終端。它包括MCU即單片機AT89S52、GPS接收模塊、模擬調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882、液晶顯示模塊 LCD1602、語音合成芯片XF1M01，見圖2。移動智能終端完成正向GPS數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，以及反向?qū)偱_命令進行接收、識別、執(zhí)行。其中 GPS模塊一秒鐘輸出一次GPS信息，MCU將其收錄，并在顯示模塊上顯示自身經(jīng)緯度和時間日期。然后通過調(diào)制解調(diào)芯片將數(shù)據(jù)加載到對講機然后無線傳輸給總臺，完成正向任務。

　　圖2 智能終端結(jié)構(gòu)

　　接著會有大約半秒種時間段等待總臺命令，若收到總臺的命令，即根據(jù)數(shù)據(jù)幀判斷命令類型，提取相應數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU處理后執(zhí)行相應的顯示操作和語音提示操作，完成反向任務。當終端接收到目標命令信息并處理執(zhí)行后，重新發(fā)送回總臺時前導碼改變以表示命令接收成功，使總臺作出相應處理。例如前導碼可以從 “start”變成“start1”。

　　和以往功能單一，界面欠缺人性化的便攜式設備相比，這個GPS數(shù)據(jù)采集處理傳輸一體化智能終端有了功能的擴展。首先，每個保安可以在LCD顯示屏上看到自己的所在經(jīng)緯度、時間日期等信息，給保安一個直觀，清晰的地理位置感。另外，可以實時接收來自總臺的命令信息，經(jīng)MCU處理后，將總臺派遣前往的地點經(jīng)緯度現(xiàn)實在LCD屏幕與自身位置加以對比，實現(xiàn)信息的透明化。另一個改進是語音提示智能化以及角度偏置的計算，通過接收總臺發(fā)出的目標派遣地點經(jīng)緯度，與自身位置比較后，明確清晰地提示保安該往什么方向走多遠。系統(tǒng)終端采用51系列的單片機作MCU。用調(diào)制解調(diào)芯片把信號加載到對講機實現(xiàn)無線傳輸代替獨立的無線通信模塊。液晶屏選取簡單易用的LCD1602。方案大大降低成本，而且穩(wěn)定可靠。

　　如圖所示，在1秒時隙內(nèi)，先接收GPS信號（圖中GPS表示），經(jīng)采集后再發(fā)送給調(diào)制芯片（圖中Send_data），然后控制LCD顯示（圖中 LCD），顯示完畢后開始等待接收總臺命令信號，等待直至下一秒的到來，相隔大約0.6秒。若下一秒到來前沒有命令信號則轉(zhuǎn)入下一個循環(huán)；若下一秒到來前有接收到命令信號則進入接收程序（圖中Receive_data），經(jīng)過短暫的數(shù)據(jù)處理時間段（圖中process）后再啟動顯示（圖中 LCD2），然后驅(qū)動語言芯片發(fā)音（圖中Speak）。成功收到命令信息后，下一周期的“Send_data”將改變前導碼以反饋給總臺。

　　硬件電路設計

　　圖5 智能終端整體硬件電路

　　MCU

　　本設計采用AT89S52作為MCU，其中P0口與P1口的2，3，4控制LCD1602；P1口的5，6，7作為同步串口控制調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882；串口的RX接收GPS數(shù)據(jù)，TX發(fā)送語音數(shù)據(jù)（見圖5）。

　　GPS模塊

　　設計采用u-blox公司的GPS接收模塊nr-86，該模塊體積小重量輕，集成高靈敏度、低功耗的NemeriX芯片方案于設計中。本模塊能快速定位， 1Hz導航更新頻率，并可以對16顆衛(wèi)星進行同時跟蹤。支持WGS-84的數(shù)據(jù)協(xié)議。它接口簡單，TTL電平串口輸出NMEA-0183格式的數(shù)據(jù)，只須連接模塊的TX端與51單片機的RX端，另外單片機P1.0與模塊的RESET端相連，以控制模塊復位。本設計采用NMEA默認格式中的$GPRMC協(xié)議，是由于該協(xié)議精簡，信息覆蓋面廣，數(shù)據(jù)容易被單片機采集處理。

　　調(diào)制解調(diào)芯片MSM6882

　　在設計時，89S52單片機通過同步串口與該芯片相連，然后由芯片把信號調(diào)制到模擬信道，再將信號加載到對講機（PTT）上，由對講機實現(xiàn)無線傳輸。單片機CLK引腳的輸入時鐘周期應在0.42μs到1.35μs范圍內(nèi)，通過可調(diào)電阻調(diào)節(jié)調(diào)制信號輸入到電臺的幅值。信號一路經(jīng)信號限幅后送入 MSM6882的AI引腳，另外一路經(jīng)放大、檢波、幅值比較后送入單片機，以作為載波檢測信號。當系統(tǒng)檢測到該信號時，可以采取延時發(fā)送的方式來避免同頻干擾和信道阻塞。

　　語音合成芯片XF1M01

　　語音合成芯片 XF1M01通過異步串口接收待合成的文本，它內(nèi)含GB-2312漢字字庫，外接單支三極管驅(qū)動揚聲器，即可實現(xiàn)文本到聲音（TTS）的轉(zhuǎn)換，設計中音頻輸出通過功放再送給揚聲器，以獲得較大音量，適應戶外環(huán)境。只須送給它漢字的內(nèi)碼（即16位二進制字符），即可讀出一字，多送多讀，因此對存放空間的要求要低，適合電子巡查系統(tǒng)的應用。芯片空閑時Ready端輸出低電平，因此將其連至單片機P3.2，單片機即可掃描該引腳，當芯片空閑時就通過異步串口給它發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸波特率由Baud_0、Baud_1兩個引腳決定，設計中采用的是9600bps。單片機的P1.1與芯片RESET端相連以控制芯片復位。

　　設計了一個嵌入式智能移動定位終端，經(jīng)過實物調(diào)試成功。巧妙利用低成本硬件實現(xiàn)了GPS的信號采集、處理、傳輸?shù)鹊墓δ?。設計通過低成本的設備改良制作出了智能移動終端，實現(xiàn)總臺對保安位置等信息的掌握，監(jiān)控。本設計巧妙地運用原有對講機網(wǎng)絡作為數(shù)字通信媒介，使得成本更低應用更方便。另外語音合成文本芯片的運用簡化了硬件的開發(fā)。