基于微控制器的智能车系统外围电路设计

葛文杰，储沈悦，郝雅敬

(南通大学，江苏 南通 226000)

0 引言

智能车硬件电路可分为三部分，即电源管理电路、传感器电路和驱动电路。电源管理电路为整个智能车系统提供其运行必需的能源，电池电压通过一系列稳压电路产生5 V、3.3 V等电压供传感器等外围部件使用。传感器电路包括运算放大电路、滤波电路等。驱动电路则通过接收来自MCU的控制信号，来控制智能车系统的执行部件，如电机、舵机等。电路设计既要考虑各自内部存在的问题，也要综合考虑电路之间的电平干扰。电路需经过严谨、全面的性能测试才能运用于以MCU微控制器为控制核心的智能车系统上，以提供安全可靠的硬件保障。

1 电源管理电路

1.1 电路功能确定

智能车系统中，许多传感器的供电电压需要5 V或3.3 V，一些器件则需要更高的工作电压，如舵机，所以智能车系统的电源管理电路需要能够提供5 V、3.3 V等电压，其结构如图1所示。电路除了提供基本的电压外，还需要满足其输出电流大于系统各元件所需电流之和，其最大输出功率能够带动所有部件正常工作，如使用带有保护板的锂电池供电，遇电机堵转时，若超出电池保护板的最大输出功率，则会导致系统复位。电源的纹波越小越好，纹波严重会导致地线电平不稳，其结果往往是系统突然复位。

图1 电源管理电路功能图Fig.1 Power management circuit function diagram

1.2 稳压电路设计

稳压电路的核心部分由稳压器件构成，具有稳压功能的元器件有稳压二极管、线性稳压器(LDO)、开关稳压器。智能车系统使用集成的IC芯片作为稳压器件，线性稳压器(LDO)是通过内部晶体管在其线性区工作来对输入电压进行调节。具有热过载保护、限流、稳定性好等特点，缺点是功耗较大，功耗多以热损耗的形式释放，故使用线性稳压器时需要很好地散热处理。开关稳压是通过输出级不断重复进行“开”“关”状态，与存储能量的部件，如电感电容一起产生输出电压，优点为功耗小、效率高、转换速度快、滤波效率高，缺点为开关干扰较严重，电源纹波抑制性较线性稳压器较差。

以线性稳压器为例，列举智能车系统中的稳压电路，电路如图2所示，电路由肖特基二极管SS54，电容C1、C2、C3、C4，电阻R1，LED，磁珠FB组成。肖特基二极管对电源VCCBAT具有整流作用，C1用于滤除电源干扰，C2滤除寄生振荡，三者为线性稳压器件提供稳定的电压输入。C3滤除输出端的干扰，C4降低电源纹波，R1与LED组成指示灯电路。稳压器正常工作时，LED将被点亮。磁珠用于连接电源地，进行分地处理，进一步减少来自电源的干扰，降低纹波。此电路具有纹波小、稳压电源稳定性好等特点[1]。

图2 线性稳压器通用电路Fig.2 General circuit of linear voltage regulator

线性稳压器多为三端稳压器件，故图2的电路可使用多种三端稳压器，最大输出电流、功率由线性稳压器本身的特性决定。线性稳压器的选择应满足整个系统的电流与功率需求。

以线性稳压器为例，列举一可调稳压电路的设计，如图3所示。

图3 可调稳压电路Fig.3 Adjustable voltage regulator circuit

根据基尔霍夫定律，稳压电路的输出电压为：

该稳压器的输出电压最小不小于稳压器件的输出电压。即若使用5 V稳压器件，则输出电压不会低于5 V。最大电压输出由稳压器器件本身特性决定。可调稳压常用于舵机电源的供给，调节舵机的供电电压可以调节舵机的灵敏度，以适用不同场合。

1.3 电源过压过流保护电路设计

经过稳压电路的电压输出常为MCU等重要器件供电，若稳压电路出现击穿等故障时，就不再具有稳压功能，输出电压往往超过一些元件的额定电压，从而造成芯片损坏，系统失效。因此需要设计保护电路。保护电路包括过流保护、过压保护，一种典型的电路如图4所示，该电路本质上是由Q1、Q2三极管组成的开关电路。D1为稳压二极管，电路通过D1、R1组成的采样电路对VCC供电线电压进行采样，当VCC小于D1的稳压值时，Q1基极被R2下拉，为低电平，此时Q1、Q2不导通，Q3为NMOS管，此时栅极为高电平，MOS管导通允许电压输出。当VCC输出电压高于D1管稳压值时， D1导通，Q1三极管基极被拉高，Q1、Q2导通，Q3栅极被拉低，MOS管截止，关断电压输出。

当电路过流或发生短路时，PPTC热保护管升温，迅速切断VCC供给。

该电路可以实现过压过流保护，具有关断速度快、器件选择要求低等优点，但存在影响稳压输出的缺点，原因是Q3 NMOS管处于稳压输出端。改进后的电路可以将Q3移至稳压电路的输入端，但相应的功耗也会增大。

图4 电源保护电路1Fig.4 Power protection circuit 1

再提供一种基于继电器的保护电路，如图5所示。其中，继电器控制端串接入R4、Q2回路，同时继电器常闭端串接入电源线，1N4007为快速恢复二极管，其作用是保护继电器不因关断时突变的电流而损坏。与图4电路相同，当过压时，继电器断开，切断回路。这种电路相较于图4，优点为没有来自MOS管的损耗，缺点为继电器的关断速度有限，在一定情况下可能无法保护一些脆弱器件，且增加了电路面积，在纵向增加了电路体积，增加了PCB的设计与固定难度。

图5 电源保护电路2Fig.5 Power protection circuit 2

1.4 稳压电源扩流电路设计

在一些场合，当稳压器的最大输出电流不满足器件所需的总电流之和时，需要进行扩流。因此提供一种较为简单的扩流电路设计电路，如图6所示。Q1三极管通过R5电阻进行采样，对稳压输出端提供一定的电流补偿。

图6 基于三极管的扩流电路Fig.6 Current expansion circuit based on triode

该扩流电路可以将原先1 A的稳压电路输出电流扩流至2 A，但是同样也带来了一个问题，即功耗问题，Q1三极管的功耗随扩流急剧增加，故Q1三极管需要选择大功率三极管。且扩流电路并不能改善稳压的输出性能，甚至会增加纹波，拉低稳压的输出性能。故在选择扩流之前，应优先寻找是否有输出电流更宽泛的稳压器件，现在很多器件最大输出电流达2 A以上，可满足智能车系统需要。

2 传感器电路

传感器在智能车系统中起着至关重要的作用，传感器的输出通常有数字量、模拟量，但就传感器件本身来说，多数为模拟量，如光敏电阻、热敏电阻，可通过MCU系统的ADC通道直接采集，但ADC资源有限，在需要许多传感器的场合中，ADC就不够用，此时可将一些只需通过判断阈值且阈值固定的传感器通过硬件系统来判断，只需IO口接收高低电平即可。另一些模拟量输出则比较小，此时需要运算放大器来对信号进行放大。还有一些容易受到干扰的传感器，如电磁类传感器，可通过硬件滤波或软件检波来滤除干扰。

2.1 模拟量转数字量电路

以LM393电压比较器为例，给出一种具有三段阈值判断功能的传感器前置比较器电路，如图7所示。该电路由LM393比较器构成。模拟量输入端口为analog_in，各比较器的基准比较电压由滑动变阻器提供，分别为VREF1、VREF2。

图7 三段阈值比较器电路Fig.7 Three-segment threshold comparator circuit

当模拟量输入端Vanalog_in电压高于VREF1时，A端口输出高电平，当其低于VREF1时，A端口输出低电平。另一LM393D比较器工作原理相同。

当Vanalog_in>VVREF1>VVREF2时，A为高电平，B为高电平，当VVREF1>Vanalog_in>VVREF2时，A为低电平，B为高电平，当VVREF1>VVREF2>Vanalog_in时，A为低电平，B为低电平。因此MCU读取AB口电平就能知道模拟量所处的阈值[2]。其功能如表1所示。

表1 阈值比较器输出Tab.1 Threshold comparator output

2.2 模拟量放大电路

模拟量放大电路根据传感器种类与系统要求不同，需要全面考虑噪声、干扰等因素。列举了几种常用的模拟信号放大电路。

图8 晶体管构成的放大电路Fig.8 Amplifying circuit composed of transistors

这种电路的优点为材料易得、造价便宜，但是其对噪音几乎没有抑制作用，干扰大、高频特性差，且静态工作点难以确定。故这种电路一般用于对信号要求较低的场合，如使用驻极麦克风检测环境噪音。

现在有许多集成IC芯片不仅具有极高的共模噪音抑制，且大大简化了电路，如OPA4377，OPA4377为TI公司的一款集成运放芯片，以OPA4377芯片为例，给出一种具有高增益、高共模抑制比的信号增益电路，如图9所示。

图9 OPA4377运算放大器电路Fig.9 OPA4377 operational amplifier circuit

该电路输出波形如图10所示，为半波放大，波特图如图11，由图可知，对于低频、中频、高频信号都有不错的增益，对信号的增益十分可观。该电路可以运用于电感电容组成的选频电路与周围磁场谐振的信号放大，麦克风信号放大等微小信号放大的场合。

图10 波形输出图Fig.10 Waveform output diagram

2.3 硬件滤波电路

硬件滤波电路分为有源滤波器和无源滤波器两种。其各有优缺点，无源滤波器由于电感电容存在阻抗，所以功耗稍大，而有源滤波器的特性受到运算放大器的限制，超过其幅频特性时，容易产生自激振荡。图12为无源滤波器的最简电路图。无源滤波器本质是为某种频率构建一个低阻的通路，从而将该频率信号滤除。

图11 运放电路波特图Fig.11 Baud diagram of op-amp circuit

图12 无源滤波器Fig.12 Passive filter

图13 20 kHZ无源滤波器Fig.13 20 kHz passive filter

图14 有源滤波器Fig.14 Active power filter

相对来说，无源滤波器所需硬件简单，易实现，运行稳定，技术相对成熟，更加适合于智能车系统。但这并不代表有源滤波器无用武之地，在一些场合，无源滤波器需要的器件，如非常用阻值的电阻等较难获得，此时可以将有源滤波器与无源滤波器相结合，实现滤波。

3 驱动电路

3.1 驱动电路组成的确定

驱动电路主要是用于驱动一些功率较大的器件。一般单片机I/O口所能提供的最大电流为10～20 mA，其所能提供的功率一般无法满足电机、电磁铁等用电器的工作功率。智能车中，一般会设置电机驱动电路，除此之外，为了防止电机在启动或堵转时产生倒灌大电流对单片机造成损害，在信号线处需设置相应的隔离电路。

3.2 驱动电路的设计

为了保证电机响应迅速，故选用直流电机，而直流电机的驱动电路最常用的为H桥式电路[4]。

H桥式电路是由四个MOS管或场效应管组成，如图15所示，其中，V为电池电压，智能车使用的电池电压一般在7～12 V，Q1、Q2、Q3、Q4为MOS管或场效应管，MOTOR为直流电机，GND为电机驱动电路的地线。

图15 H桥电路1Fig.15 H bridge circuit 1

为了使图15中的电机MOTOR顺时针旋转，需要Q1与Q4一起导通，同时保证Q2与Q3截止，如图16所示。相反，要使电机MOTOR逆时针旋转，需要Q2与Q3一起导通，同时保证Q1与Q4截止，如图17所示。

图16 H桥电路2Fig.16 H bridge circuit 2

图17 H桥电路3Fig.17 H bridge circuit 3

使用脉冲宽带调制方法使MOS管或场效应管按照一定的频率开关，实现实时调速的效果。

Q1、Q3与Q2、Q4由于其同时只有一路导通，因此可以采用相位相差180°的脉冲宽带调制信号(PWM)进行控制，可以采用IR2104S等芯片实现。电路图采用MOSFET进行搭建，如图18所示。

图18 基于MOSFET的H桥驱动电路Fig.18 H bridge driving circuit based on MOSFET

设计驱动电路时，可以直接使用耐压值高于电源电压，最大允许通过电流高于电机启动电流的MOS管或场效应管。但是电路较为复杂，为了使电机方向可控，转速可调，需要占用单片机大量复用口，因此选用BTN7971等集成IC芯片，既可简化电路，也符合设计要求，具体电路如图19所示。

图19 BTN7971驱动电路Fig.19 Driver circuit for BTN7971

3.3 驱动隔离电路的设计

由于电机启动时的倒灌电流较大，电路的隔离保护尤其重要。电机驱动的隔离方法为增加光耦合电路进行信号隔离。选用HCPL系列光耦，由于上升时间与下降时间都为ns单位，所以可以适用于多种频率的脉冲宽带调制信号，最高频率可达上千万，电路如图20所示。控制信号PWM输入分别为A1、B1，当A1、B1为高电平时，发光二极管截止，其对应的三极管未受到光照也截止，由于上拉电阻的作用，A_T、B_T输出高电平，当A1、B1为低电平时，发光二极管导通，对应的三极管也随之导通，A_T、B_T被拉低。此电路实现了隔离。

使用光耦电路有许多好处，遇到执行部件非正常工作时，如电机堵转，光耦可以将干扰隔离，保护前级控制电路。增加了系统的安全性。

图20 HCPL0630光耦隔离电路Fig.20 HCPL0630 optocoupler isolation circuit