道路检测口控制系统的与研究毕业论文.doc

目 录摘要 1Abstract 2 1.0课题背景 41.1 智能交通的发展 41.2 课题研究的主要内容 61.3 课题研究方案 61.3.1 系统总体方案 61.3.2 总体思路 61.4 课题研究的意义 72.0 单元电路设计 82.1单片机概述 82.1.1 单片机的发展 82.1.2 STC11xx系列单片机简介 92.1.3 AT89C51单片机简介 102.2 比较器的概述 142.2.1 比较器的作用 142.2.2 比较器的分类 142.2.3 比较器的应用 142.3 ISD4004系列语音存储芯片 152.3.1 ISD4004芯片的特性 152.3.2 ISD芯片的引脚描述 162.4 LM339比较器芯片 182.4.1 LM339应用电路图 182.4.2 LM339引脚功能介绍 192.4.3 LM339的应用 202.5 红外发射管简介 212.5.1 红外发射管概述 212.5.2 红外发射管的原理 212.6 红外接收管 232.6.1红外接收管的原理 232.7 MQ-3酒精传感器 232.7.1 MQ-3酒精传感器的工作原理 232.7.2 MQ-3酒精传感器的特性参数及应用 242.7.3 A/D转换芯片的作用 253.0单元系统设计 253.1 循迹小车的设计 253.1.1 循迹小车的简介 253.1.2 循迹小车的技术参数 253.1.3循迹小车的原理图 263.1.4 循迹小车的印版图 273.1.5 循迹小车的工作原理 283.1.6 循迹小车的机械装配 283.1.7 循迹小车的电动机齿轮箱装配图 303.2 酒精浓度检测器设计 313.2.1 酒精浓度检测器设计思路 313.2.2 传感器选择 333.2.3 MQ-3传感器优点 333.2.4.1 A/D转换器的选用 343.2.4.2 ADC0809工作时序 363.2.4.3 ADC0809的工作原理 363.3自动语音播报系统 363.3.1 硬件电路设计 363.3.2 ISD4004与AT89C51单片机的接口 373.3.3音频输出 383.3.4 IO口的扩展 393.3.5信号变换 393.3.6 主控程序 413.4 总体设计 433.4.1 总体方框图 433.4.2 实际模型照片 444程序设计 444.1 软件可靠性设计 444.2 程序设计 465 结论 49参考文献 50附录 52译文 54原文说明 69道路检测口控制系统设计与研究摘 要交通运输体系是国民经济运行的命脉，随着我国经济的不断发展，国家也在大力支持高速公路的建设。高速公路在整个公路网中所占比重很低，但却承担着较大比重的汽车行驶量。高速公路体现了对信息化的强烈要求，推动了交通基础设施信息化建设始终走在各大行业的前列。信息技术的应用给交通运输业带来了效率的显著提高。高速公路收费系统和联网收费系统的应用，使得传统的运输效率和管理水平得到极大提高；良好的交通诱导服务，使出行者更加便利，更加准确地到达目的地，带来了个人效率的提高。本系统使用了当下最成熟的单片机技术和传感器技术进行设计。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。经过多年的发展，技术已经成熟，系统的稳定性较高成本较低。目前的传感器种类繁多，应用简单方便。系统使用C语言进行编程，protel dxp软件绘制原理图和电路板的绘制。使用单片机对传感器信号进行处理关键词：收费系统，单片机，传感器Road Detection Control System Design and ResearchABSTRACT The transportation system is the lifeblood of the national economy, with the continuous development of Chinas economy, countries are also strongly support the construction of the highway. Highway in the entire road network in the proportion of very low, but it bears a large proportion of the vehicle traveling.Highway reflects the strong demand for information technology, and promote the information construction of transportation infrastructure always walk in the forefront of major industry. The application of information technology to the transportation industry, improve the efficiency significantly. Highway toll systems, and networked toll system applications, making the traditional transport efficiency and management level have been greatly improved; induced by good transport services, resorted to Walker more convenient, more accurate destination. The system uses the currently most mature microcontroller and sensor technology design. The microcontroller has a small size, low power consumption, and control functions, and extend the advantages of flexibility, miniaturization and ease of use. After years of development of the technology is mature system stability higher costs are lower. Sensor a wide range of application is simple and convenient. C language programming , schematics and circuit board drawing, proteus software simulation. Microcontroller on the sensor signal processing, vehicle speed and vehicle identification by the timer interrupt function.Keywords: Charge system，Single chip microcomputer，sensor 道路检测口控制系统的设计研究姜亦浏 0212098381.0 课题背景众所周知，任何新生事物的产生，都是为了满足人们的需求或需要，有些可能是技术发展的需要，有些可能是人们生活与工作改善的需要，计算机科学技术与其所属的各个分支学科也不外如是。现今，交通拥堵、交通事故和环境污染对社会经济发展和生活产生了严重的影响，虽然高速公路在运输速度方面有很大的提高，但是由于收费站管理的不善，使得高速公路应有的功效被打折扣，这就需要依靠提供除设施之外的技术方法来满足这一需求，因此智能化收费站管理系统也就应运而生。本次毕业设计主要是为了提高人们的出行效率，解决高速公路道路流畅，提高工作人员的工作效率，而开发设计了公路收费站智能辅助管理系统。该系统采用了软件和硬件相结合的方法，实现了信息的快速化采集、传递、处理。该智能辅助管理系统的关键技术之一是是利用串口通信技术准确地获取实时车辆到站情况，驾驶员酒精测试情况等，并做及时简单的信息处理，实现了真正意义上的智能化管理。1.1 智能交通的发展2000年之前，主要是“七五”、“八五”和“九五”三个五年计划阶段。中国智能交通基本处于城际智能交通（高速公路三大系统）的科技攻关、国家智能交通体系框架和标准的研究等层面，示范或开工建设的项目不多，主要围绕北京、上海、大连、广州等地展开。19952000年，这五年间产生中国城际智能交通的第一批企业，亿阳信通（1998）、云星宇（1997）、紫光捷通（1995）、皖通科技（1999）、上海交技（2000）、瑞华赢（2001）均是伴随经济发展在这一阶段起步的公司。如今，这些企业多数都已经进入资本市场，并成为中国城际智能交通行业的领导者。20002005年，“十五”期间，无论是城市还是城际智能交通都得到了强有力发展支持。城市智能交通方面，国家科技攻关计划“智能交通系统关键技术开发和示范工程”中确定了北京、上海、广州、天津、深圳、重庆、济南、青岛、杭州、中山共十个具有不同交通特点、交通基础设施建设水平和地方经济水平的城市进行智能交通示范工程建设。这五年的建设重点是交通信息采集、交通信号控制、交通视频监控、交通诱导（包括道路交通诱导和停车诱导）、智能公交（主要是公交调度和公交信号优先）、综合交通信息平台和服务。这些示范工程的实施也等推动了企业在技术攻关、产品研发、市场化的发展，部分智能交通系统得以广泛应用。由此阶段开始，中国智能交通发展进入实质性建设、应用实验阶段。 2002年开始，参与城际智能交通设计的公司从原来的34家快速增加到目前的几百家。第一批成立的城际智能交通企业开始拓展销售网络，企业实力逐渐增强。行业标准、规范、投资、建设、监理等产业架构逐渐清晰、不断成熟。20052010年，智能交通发展进入高速发展期。“十一五”期间国家综合智能交通技术集成应用示范项目以提供人性化交通运输服务、发展交通系统智能化技术和安全高速的交通运输技术作为项目研究，重点布置了五个子项目。示范项目中应用了众多未来智能交通发展的可能主流技术。如北京奥运智能交通管理与服务综合系统示范项目中全国首次规模应用交通高清监测技术、提供个性化实时交通信息服务；上海世博智能交通技术综合集成系统示范项目中基于手机移动技术采集的动态交通信息服务、基于视频或激光技术的世博场馆客流监测系统、上海虹桥综合交通运输枢纽智能交通系统、上海世博会全国重点营运车辆联网联控都是亮点，也都是首次规模性项目应用。除此之外，国家“863”计划设立智能交通系统专题、道路交通安全保障关键技术研究及示范项目、国家道路交通安全科技行动计划的设立和执行也都推动了产业发展。1.2 课题研究的主要内容本课题研究的内容有如下几个方面：（1）循迹小车与智能收费站控制系统的工作原理。（2）循迹小车与智能收费站控制系统的硬件设计。（3）循迹小车与智能收费站电路设计。（4）循迹小车与智能收费站控制系统的程序设计。1.3 课题研究方案1.3.1系统总体方案通过对课题研究内容的理解，并考虑系统的性价比，得到系统的总体方案如图1.1 基本硬件流程图。1.3.2总体思路 本文设计通过设计实体模型，研究道路检测口控制系统。设计主要分为三大版块，循迹小车，收费站（包括栏杆控制，蜂鸣器设计，自动刷卡收费）以及酒精检测。其中涉及到有关单片机、传感器、转换器等多种电子元件设计。 图1.1 基本硬件流程图1.4课题研究的意义本文设计的势能收费站即可用在单个路口实现独立的只能交通控制功能，也可以多个单路口系统组建网络实现一个区域或者一个城市的交通协调本系统组网时需要传输的数据量较小，便于组成网络结构和远距离信息传输。所组成的网络结构简单，易于维护，运行稳定。 系统的开发主要是为了解决高速公路收费站车辆堵塞问题，提高人们的出行效率，优化资源，实现收费站的自动化、现代化管理。公路收费站智能辅助管理系统立足于解决公路流畅问题，满足了人们的需求。系统设计的目标是：管理功能齐，信息传递方便快捷和优化资源。硬件方面的结合，实现了信息的快速化传递，也为人们的出行提供了方便。系统主要是为高速公路收费站服务的。收费站工作人员包括：普通的工作人员和管理者。其中，普通的工作人员在使用系统时，他们不需要对系统有多深入的了解，只要知道以他们的身份如何使用这个系统就行了，进行前台操作。2.0单元电路设计2.1 单片机概述2.1.1 单片机的发展单片机是一种集成在电路芯片16，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU2随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影它主要是作为控制部分的核心部件。2.1.2 STC11xx系列单片机简介STC系列单片机是高速、低功耗、超强抗感染的新一代8051单片机2，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。Stc11系列单片机管脚如图2.1。图2.1 Stc11系列单片机管脚图AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：(1)工作电压：Sct11fxx系列电压：5.5V-4.1V/3.7V（5V单片机）(2) 工作频率范围 0-35MHz，相当与普通8051的0-420MHz(3)时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序是，可选择是使用内部R/C振荡器还是使用外部高精度晶体/时钟2.1.3 AT89C51单片机简介AT89C514是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能的CMOS 8位微处理器，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51的内部结构如图2.2。AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：(1)中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。(2)数据存储器(RAM)89C512内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图2.2 AT89C51内部结构图 (3)程序存储器(ROM)：89C51共有4KB掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。(4)定时/计数器(ROM)：89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。(5)并行输入输出(I/O)口：89C51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2和P3)，用于对外部数据的传输。(6)全双工串行口：89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。(7)中断系统：89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。(8)时钟电路：89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但89C51单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。AT89C51单片机的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。其常用封装形式如图2.3，图2.4： 图2.3 DIP封装 图2.4 PQFP/TQFP封装 引脚说明：Pin9：RESET/Vpd复位信号复用脚，当89C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，及89C51的初始态。 89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，如图2.3。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接备用电源，以保证其内部RAM的数据不丢失。2.2 比较器的概述2.2.1 比较器的作用 对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。 能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输 入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。 2.2.2 比较器的分类 (1)过零电压比较器17：典型的幅度比较电路 (2)电压比较器：将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器， (3)窗口比较器：电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成，电路及传输特性图如图。高电平信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。低电平信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。 (4)滞回比较器：从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路及传输特性如图。当输入电压vI从零逐渐增大，且VI上限阀值（触发）电平。当输入电压VIVT时，VT称为下限阀值（触发）电平。 2.2.3 比较器的应用(1)过零比较器过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。原理是利用比较器对两个输入电压进行比较。两个输入电压一个是参考电压Vr，一个是待测电压Vu。一般Vr从正相输入端接入，Vu从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果，参考电压为零时即为过零比较器。用比较器构造的过零比较器存在一定的测量误差。当两个输入端的电压差与开环放大倍数之积小于输出阈值时探测器都会给出零值。例如，开环放大倍数为106，输出阈值为6v时若两输入级电压差小于6微伏探测器输出零。这也可以被认为是测量的不确定度。(2)弛张振荡器比较器可以用于构造弛张振荡器，其中同时应用到了正反馈和负反馈。正反馈是一个施密特触发器，这样组成了一个多谐振荡器。而RC电路在其中增加了负反馈，导致电路开始自发振荡，使整个电路从锁存器变成了弛张振荡器。电平转换使用漏极开路的比较器（例如LM393、 TLV3011和MAX9028）可以构造电平转换器，用于改变信号电压。选择适当的上拉电压可以灵活地选择转换的电压值。例如使用MAX972比较器可以把5V的信号转换成3V信号。(3)模数转换器比较器的作用是比较一个输入信号是否高于某一给定值，因此可以将输入的模拟信号转成二进制的数字信号。包括调制在内的几乎所有的数模转换器都含有比较器，用于对输入的模拟信号进行量化10。 2.3 ISD4004系列语音存储芯片2.3.1 ISD4004芯片的特性 ISD4004系列语音存储芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列，内置微控制器串行通信接口。芯片所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送人。外部的音源信号在芯片内采用多电平直接模拟量存储技术13，信息可进行多段处理，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。存于片内闪烁存贮器中的信息，可在断电情况下保存100年。芯片工作电压为3 V，工作电流为2530 mA，维持电流1A，不耗电，单片录放时间816 min，可反复录音10万次。2.3.2 ISD芯片的引脚描述 图2.5 ISD芯片引脚图 电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。 地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入(ANA IN+) 这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000 系列相同。 反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV音频输出(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动5K的负载。片选(SS) 此端为低,即向该ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD 输入。串行输出(MISO) ISD 的串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。 串行时钟(SCLK) ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI 和MISO 的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。中断(/INT) 本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到EOM 或OVF 时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI 周期开始时清除。中断状态也可用RINT 指令读取。OVF 标志-指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM 标志-只在放音中检测到内部的EOM 标志时,此状态位才置1。行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个RAC 周期表示ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的存贮器共2400 行。该信号175ms 保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC 的218.75s 是高电平,31.25s 为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟变频不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。 自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF 的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA 则禁止自动静噪。 2.4 LM339比较器芯片2.4.1 LM339应用电路图 LM339集成块14内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图2.6为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。 图2.6 LM339集成块外型及管脚排列图2.4.2 LM339引脚功能介绍 LM339引脚功能如表2.1表2.1题号功能电压备注1输出动态6V 静态0V2输出动态6V 静态0V3电源正6V4反相输入0到6V随红外接收管的感光而变化5同相输入根据车模搜索情况，通过设定可变电阻而设定6反相输入与4脚相同7同相输入与5脚相同8反相输入与4脚相同9同相输入与5脚相同10反相输入与4脚相同11同相输入与5脚相同12电源负0V13输出动态6V 静态0V2.4.3 LM339的应用 LM339类似于增益不可调的运算放大器1819。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。2.5 红外发射管简介2.5.1 红外发射管概述 如图2.7红外发射管是由红外发光二级管矩组成发光体，用红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成PN结，正向偏压向PN结注入电流激发红外光，其光谱功率分布为中心波长830950nm。LED是英文Light Emitting Diode的简称，表现是正温度系数，电流越 图2.7 大温度越高，温度越高电流越大，LED红外灯的功率和 电流大小有关，但正向电流超过最大额定值时，红外灯发射功率反而下降。红外发射管中晶圆的厂家主要有：台湾有光磊（ED），鼎元（Tyntek），国外的有韩国、日本多瓦晶圆，国内有深圳奥伦德等红外发射管（红外线灯管）可广泛用于红外摄像机、音频输出等红外引用产品中，其里面晶片功率大小通常决定发射距离，但红外监控摄像机效果又与红外灯的角度，灯组多少，机板，镜头等有关。红外摄像机设计距离较近就用角度较大的IR发射管，并且还要跟镜头视角相配合;20米以上的必须用台湾正型12mil以上晶片，日本的也行。由于市场无序竞争，厂家标榜的照射距离和实际可视距离概念不清，大部分小的红外摄像机生产商为了降低生产成本大量采用国产及台湾10mil、8mil晶片，甚至散型晶圆封装的（包括封装厂IR发射管不良品）做正型红外灯来装配摄像机。建议打长距离的用户还是用正型晶片封装的IR发射管，如台湾鼎元、光磊（鼎元相对衰减慢、夜视清晰）。 2.5.2 红外发射管的原理 红外发射管也称红外线发射二极管20，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。红外线发射管也称红外线发射二极管，由红外发光二级管矩阵组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料）制成PN结，外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830950nm，半峰带宽约40nm左右，它是窄带分布，为普通CCD黑白摄像机可感受的范围。其最大的优点是可以完全无红暴，（采用940950nm波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长。红外发光二极管的发射功率用辐照度W/m2表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。当电压越过正向阈值电压（约0.8V左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高 ( 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 ) 会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角。不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。 2.6 红外接收管2.6.1 红外接收管的原理 如图2.8红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接收入，电流则随之增大，红外接收管分两种，一种是二极管，一种是三极管。 红外接收管就是将光信号（不可见光）转换成电信号一般是接收、放大、解调一体头，红外信号经接收管解调后，数据 “0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时 图2.8 间 长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输 出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获取数据。重点是找到数据“0”与“1”间的波形差别。 2.7 MQ-3酒精传感器2.7.1 MQ-3酒精传感器的工作原理 如图2.9气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制 图2.9 成敏感元件，当它们吸收了的烟雾， 醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。 本次设计采用MQ-3半导体气体传感器，它属于n型半导体气体传感器。传感器的敏感部分是二氧化锡半导体微结晶粒子烧结体，以二氧化锡为基体材料，添加不同物质经烧制而成。当它的表面吸附有还原性气体（如酒精等有机溶剂蒸汽）时，半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生变化，从而使电阻值随被测气体的浓度改变而变化。这种反应是可逆的，因而是可以反复使用的。电阻值的变化随着二氧化锡半导体表面对气体的吸附和释放而发生，为了加速这种反应，通常要用加热器对传感器加热。该传感器就是将这种电阻值变化，以输出电压的方式取出，从而检测出气体中酒精的浓度.。2.7.2 MQ-3酒精传感器的特性参数及应用MQ-3半导体酒精传感器具有对酒精气体的灵敏度高，具有良好的重复性和长期的稳定性，抗干扰性强，对酒精气体有很好的选择性以及器件功耗很小、价格低廉等优点。MQ-3的主要特性参数如下4：回路电压：(Vc) 5-24V取样电阻：(RL) 0.5-20K 加热电压：(VH)50.1V 加热功率：(P)约750mW灵敏度：100ppm响应时间：Tres10秒恢复时间：Trec30秒 当传感器用于交通检查时备有吸管，但是我们本次设计主要面对的是汽车司机，所以没有配备吸管，但是我们可以让它和司机的呼吸气体充分的接触（通过汽车内的风扇使司机呼出的酒精蒸汽和传感器有充分的接触或要求司机对着传感器说话）来提高他的灵敏度，主要用于司机饮酒报警控制器的黑匣子、CA2000型高呼吸酒精检测仪。2.7.3 A/D转换芯片的作用 将传感器信号送入个人计算机处理，可方便实现多种功能，如进行复杂的操作，变更处理方法及控制各种仪器等。因此，A/D转换在检测系统中是一种不可缺少的技术。传感器的输出信号几乎都是模拟信号，而个人计算机是一种数字仪器，因此得先把模拟5信号转换成数字6信号，称为A/D转换。3.0单元系统设计3.1 循迹小车的设计3.1.1 循迹小车的简介 本设计为二路寻迹电路LM3399，比较器电路组成，2脚6脚是输入电路，1脚7脚是输出脚，双驱车头部两侧，设有红外发射接收装置.D 1和D 4是发射D Z,DS接收.其发射和接收都面对反射性能较强的白色轨道.发射管发射的红外光，不断被白色路道反射下只要路道反射条使两电路工作平衡，驱车的左右电机动力平衡，驱车是平衡直行，有一组离开白色轨道，进入无红外光反射或反射性能不良的区域:那么与该组相对应的驱动电机停转.而另一侧照常工作驱车就迅速转弯，折回白色轨道继续前进.这就是四轮车不偏离轨道的原因。3.1.2 循迹小车的技术参数工作电压:D C 6V（5号电池四节)工作电流:静态70mA动态200ma士1 0mA尺寸:180mm* 80mm*40mm状态:可走白线或黑线，右拐、左转二路寻迹功能.3.1.3循迹小车的原理图 图3.1循迹小车的原理图3.1.4 循迹小车的印版图 图3.2循迹小车的印版图 安装发射接收二管低错开约4m m午右离地而约7m m午右图3.3循迹小车的印版图3.1.5 循迹小车的工作