学做智能车_挑战飞思卡尔之_硬件

第 2章

智能汽车设计基础--硬件

第2章

智能汽车设计基础—硬件

从外观上看，智能车系统主要表现为由一系 列的硬件组成，包括组成车体的底盘、轮胎、舵 机装置、马达装置、道路检测装置、测速装置和 控制电路板等。本章主要介绍智能车设计中使用 到的传感器(包括光电式传感器、图像传感器和 测速传感器等)和控制电路板中的功能电路设计。

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第2章

智能汽车设计基础—硬件

1 2.1

传感器系统

2 2.2

电路设计

3

思考题

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2.1

传感器系统

在工程上，系统中各种物理量都必须转换成 一定规格的信号(电信号或气压信号)才能被检 测、采集和显示。所谓传感器，即是将被测量按 照一定的物理或化学原理转换成某种规定的输出 信号的装置或器件。

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2.1

传感器系统

通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。敏感元件 能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化， 而转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传 输或测量的电信号部分，具体的电量形式取决于敏感元件的 原理。除此之外，由于转换元件的输出信号一般都很微弱， 为方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、 辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。 因此，传感器的组成通常包括敏感元件、转换元件、信号调 理转换电路和辅助电路，如图2.1所示。随着半导体器件与 集成技术的发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件、 转换元件等一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。

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2.1

传感器系统

图2.1 传感器组成方框图

图2.1 传感器组成方框图

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2.1

传感器系统

智能汽车设计中涉及到的传感器主要有三种：光电式传 感器、图像传感器和测速传感器。

12.1.1 光电式传 感器

2 2.1.2 图像传感器

3 2.1.3 测速传感器

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2.1.1

光电式传感器

光电式传感器是利用光电器件把光信 号转换成电信号的装置。光电式传感器工 作时，先将被测量转换为光量的变化，然 后通过光电器件再把光量的变化转换为相 应的电量变化，从而实现非电量的测量。 光电式传感器的核心(敏感元件)是光电 器件，光电器件的基础是光电效应。

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2.1.1

光电式传感器

光电式传感器的结构简单，响应速度快，可靠 性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应 用于各种工业自动化仪表

中。光电式传感器可用来 测量光学量或测量已先行转换为光学量的其他被测 量，然后输出一定形式的电信号。在测量光学量时， 光电器件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量 时，它是作为转换元件使用。光电式传感器由光路 及电路两大部分组成，光路部分实现被测量信号对 光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信 号的转换。图2.2(a)所示为测量光量时的组成框图， 图2.2(b)所示为测量其他物理量时的组成框图。

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2.1.1

光电式传感器

图2.2 光电式传感器的基本组成武汉科技大学信息科学与工程学院

2.1.1

光电式传感器

1.光电管的结构与工作原理

光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者在结构上 比较相似，均由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在 一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有 光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形， 置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可收 集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流。充 气光电管的灵敏度好，但其稳定性较差、惰性大，容易 受温度影响。在智能车的光电式传感器模块设计中，由 于要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空 式光电管。武汉科技大学信息科学与工程学院

2.1.12.主要性能

光电式传感器

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特 性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。其中， 伏安特性、光照特性和光谱特性是选择光电器件的主要 指标。(1)光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳 极所产生电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是 应用光电式传感器参数的主要依据。

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2.1.1

光电式传感器

(2)光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通 量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。光照特性 曲线的斜率(光电流与入射光光通量之比)称为光电管 的灵敏度。 (3)光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同 的红限频率因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外， 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率，并且 强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子 的数量也不会相同，即同一光电管对于不同频率的光的 灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。武汉科技大学信息科学与工程学院

2.1.2

图像传感器

图像传感器在智能车设计中非常常见。智能车路径识 别模块中的摄像头的重要组成部分就是图像传

感器。图像传 感器又称为成像器件或摄像器件，可实现可见光、紫外线、 X射线、近红外光等的探测，是现代视觉信息获取的一种基 础器件。因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展 (光谱拓宽、灵敏度范围扩大),能给出直观、真实、多层

次、多内容的可视图像信息，图像传感器在现代科学技术中得到越来越广泛的应用。

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2.1.2

图像传感器

http://www.77cn.com.cnD图像传感器的分类 CCD图像传感器从结构上可以分为两类：一类是用 于获取线图像的，称为线阵CCD;另一类是用于获取

面图像的，称为面阵CCD。(1)线阵CCD图像传感器 对于线阵CCD,它可以直接接收一维光信息，而 不能直接将二维图像转换为一维的电信号输出，为 了得到整个二维图像的输出，就必须用行扫描的方 法来实现。武汉科技大学信息科学与工程学院

2.1.2

图像传感器

(2)面阵CCD图像传感器 面阵CCD图像传感器的感光单元呈二维矩阵排列， 能检测二维平面图像。由于传输与读出方式不同， 面阵图像传感器有许多类型，常见的传输方式有行 传输、帧传输和行间传输三种。 http://www.77cn.com.cnD图像传感器的特性参数 CCD图像器件的性能参数包括灵敏度、分辨率、 信噪比、光谱响应、动态范围和暗电流等，CCD器件 性能的优劣可由上述参数来衡量。

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