第2章 智能汽车设计基础--硬件.

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1 第2章 智能汽车设计基础--硬件

2 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。

3 第2章 智能汽车设计基础—硬件 2.1 传感器系统 1 2.2 电路设计 2 思考题 3

4 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。

5 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。

6 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

7 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。 2 2.1.2 图像传感器 3
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。 2 2.1.2 图像传感器 3 2.1.3 测速传感器 1 2.1.1 光电式传 感器

8 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。

9 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。

10 光电式传感器 图2.2 光电式传感器的基本组成

11 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。

12 光电式传感器 2．主要性能 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。

13 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。

14 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。

15 图像传感器 1．CCD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。

16 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。 2．CCD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。

17 图像传感器 （1）光电转换特性 CCD图像传感器的光电转换特性如图2.3所示。图中x轴表示曝光量，y轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输出电荷，QDARK表示暗电荷输出，ES表示饱和曝光量。 图2.3 CCD光电转换特性

18 图像传感器 由图2.3可以看出，输出电荷与曝光量之间有一个线性工作区域，在曝光量不饱和时，输出电荷正比于曝光量，当曝光量达到饱和曝光量后，输出电荷达到饱和值，并不随曝光量的增加而增加。曝光量等于光强乘以积分时间，即 (2.1) 式中，为光强；为积分时间，即起始脉冲的周期。暗电荷输出为无光照射时CCD的输出电荷。一只良好的CCD传感器，应具有低的暗电荷输出。

19 图像传感器 （2）灵敏度和灵敏度不均匀性 CCD图像传感器的灵敏度或称为量子效率，标志着器件光敏区的光电转换效率，用在一定光谱范围内单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。实际上，图2.3中CCD光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度，即 (2.2) 理想情况下，CCD器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD器件的输出幅度出现不均匀现象。

20 2.1.2 图像传感器 （3）分辨率 分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同的表示方式：
图像传感器 （3）分辨率 分辨率是用来表示分辨图像中明细细节的能力的。它通常有两种不同的表示方式： ① 极限分辨率。一黑一白两个线条称为一个“线对”，透过对应光的亮度为一明一暗。而极限分辨率是指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数（1 P/mm）来表示。 ② 调制传递函数。每毫米长度上所包含的线对数称为空间频率，其单位是1 P/mm。设调幅波信号的最大值为 最小值为 ，平均值为 ，振幅为 ，如图2.4所示，定义调制度 M 为

21 图像传感器 (2.4) 图2.4 调制度的定义

22 图像传感器 调幅波信号通过器件传递输出后，通常调制度受到的损失减小。一般来说，调制度随空间频率增加而减小。为了客观地表示CCD传感器的分辨率，一般采用调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）来表示。MTF的定义为：在各个空间频率下，CCD器件的输出信号的调制度与输入信号的调制度的比值，即 (2.5) 式中， 为空间频率。

23 2.1.2 图像传感器 （4）CCD的噪声 CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。 ① 散粒噪声
图像传感器 MTF能够客观地反映CCD器件对于不同频率的目标成像的清晰程度。随着空间频率的增加，MTF值减小。当MTF减小到某一值时，图像就不能够清晰分辨，该值对应的空间频率为图像传感器能分辨的最高空间频率。 （4）CCD的噪声 CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、暗电流噪声和转移噪声。 ① 散粒噪声 光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看成是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，这一微小波动的起伏便形成散粒噪声，又称为白噪声。

24 图像传感器 ② 暗电流噪声 暗电流噪声可以分为两部分：其一是耗尽层热激发产生的，可用泊松分布描述；其二是复合产生中心非均匀分布，特别是在某些单元位置上形成暗电流尖峰。由于器件工作时各个信号电荷包的积分地点不同，读出路径也不同，这些尖峰对各个电荷包贡献的电荷量不等，于是形成很大的背景起伏，这就是常称的固定图像噪声的起因。 ③ 转移噪声 转移噪声产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界面态俘获引起的噪声和体态俘获引起的噪声。输出结构采用浮置栅放大器，噪声最小。

25 图像传感器 3．摄像头的工作原理 摄像头以隔行扫描的方式采样图像，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言（参见图2.5），摄像头连续地扫描图像上的一行，就输出一段连续的视频信号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3 V），并保持一段时间。这样相当于紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。

26 图像传感器 然后扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的信号，接着会出现一段场消隐信号。其中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有一个消隐脉冲远宽于其他的消隐脉冲（即该消隐脉冲的持续时间远长于其他的消隐脉冲的持续时间），该消隐脉冲又称为场同步脉冲，标志着新的一场的到来。摄像头每秒扫描25帧图像，每帧又分奇、偶两场，故每秒扫描50场图像。

27 图像传感器 图2.5 摄像头视频信号

28 图像传感器 通常，摄像头产品说明上会给出有效像素和分辨率，但通常不会具体介绍视频信号行的持续时间、行消隐脉冲的持续时间等参数，而这些参数又关系到图像采样的时序控制。因此需要设计软、硬件方法对这些参数进行实际测量。表2.1给出了常见的1/3 OmniVision CMOS摄像头的时序参数，以供参考。

29 图像传感器 表2.1 常见的1/3 OmniVision CMOS摄像头的时序参数

30 测速传感器 在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：霍尔传感器和光电式脉冲编码器。 1．霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。

31 测速传感器 （1）霍尔效应原理 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图2.6所示，假设薄片为型半导体，磁场方向垂直于薄片，磁感应强度为。在薄片左右两端通以电流（称为控制电流），那么半导体中的截流子（电子）将沿着与电流的相反方向运动。由于外磁场的作用，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后两个端面之间形成电场。

32 测速传感器 图2.6 霍尔效应原理图

33 测速传感器 这时，在半导体前后两个端面之间（即垂直于电流和磁场的方向）建立的电场称为霍尔电场，相应的电势就称为霍尔电势 。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器， 的大小正比于控制电流和磁感应强度，即 (2.6) 式中， 为霍尔系数， ，其中 为载流体的电阻率； 为载流子的迁移率； 为灵敏度， 。 若磁场方向与元件平面成角度 时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即 ，则有 (2.7)

34 测速传感器 由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍尔电势 的大小 正比于控制电流 和磁感应强度 ，灵敏度 表示在单 位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小， 一般要求越大越好，元件的厚度d越薄， 就越大，所 以霍尔元件的厚度都很薄。当载流电流材料和几何尺寸 确定后，霍尔电势的大小只和控制电流I和磁感应强度B 有关，因此霍尔式传感器可用来探测磁场和电流，由此 可测量压力、振动等。

35 测速传感器 （2）霍尔元件的基本结构 霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，从中引出四根引线，其中两根引线上施加激励电压或电流，称为激励电极（控制电极），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。 （3）霍尔式转速传感器的结构 图2.7是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分辨率。

36 测速传感器 图2.7 三种不同结构的霍尔式转速传感器 图2.7 三种不同结构的霍尔式转速传感器

37 测速传感器 2．光电式脉冲编码器 光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。 光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲，如图2.8所示光电式脉冲编码器，在发光元件和光电接收元件中间，有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上时，转动码盘，在码盘的另一侧就形成光脉冲，脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。

38 测速传感器 图2.8 光电式脉冲编码器结构

39 测速传感器 光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分辨率，取决于刻线数。目前，已能生产径向线宽为6.7×10-8 rad的码盘，其精度达1×10-8，比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数量级。如进一步采用光学分解技术，可获得更多位的光电编码器。 光电编码器按其结构的转动方式可分为直线型的线性编码器和转角型的轴角编码器两种类型，按脉冲信号的性质可分为有增量式和绝对式两种类型。

40 测速传感器 增量式编码器码盘图案和光脉冲信号均匀，可将任意位置为基准点，从该点开始按一定量化单位检测。该方案无确定的对应测量点，一旦停电则失掉当前位置，且速度不可超越计数器极限相应速度，此外由于噪声影响可能造成计数积累误差。该方案的优点是其零点可任意预置，且测量速度仅受计数器容量限制。

41 测速传感器 绝对式编码器的码盘图案不均匀，编码器的码盘与码道位数相等，在相应位置可输出对应的数字码。其优点是坐标固定，与测量以前状态无关，抗干扰能力强，无累积误差，具有断电位置保持，不读数时移动速度可超越极限相应速度，不需方向判别和可逆计数，信号并行传送等；其缺点是结构复杂、价格高。要想提高光电编码器的分辨率，需要提高码道数目或者使用减速齿轮机构组成双码盘机构，将任意位置取作零位时需进行一定的运算。

42 2.2 电路设计 2 2.2.2 电机驱动 电路 3 2.2.3 传感器接口 电路 1 2.2.1 电源系统

43 2.2.1 电源系统 1．直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源电路一般由电源变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成，如图2.9所示。
电源系统 在智能车设计中，电源关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节将介绍直流稳压电源的基本原理和三端固定式正压集成稳压器的典型电路设计。 1．直流稳压电源的基本原理 直流稳压电源电路一般由电源变压器、整流滤波器电路及稳压电路组成，如图2.9所示。 图2.9 直流稳压电源电路

44 电源系统 电源变压器的作用是将220 V的交流电压变成整流电路所需要低压的交流电压。整流电路的作用是将交流电压变换成脉动的直流电压，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二极管构成的整流桥堆来执行。常见的整流二极管有1N4007和1N5148等，桥堆有RS210等。滤波电路的作用是将脉动直流中的纹波滤除获得纹波小的直流，常见的有滤波、滤波、Π型滤波等电路，常选用的是滤波电路。其中各参量的关系为 (2.8) 式中，为变压器的变比。 ～

45 2.2.1 电源系统 每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压为 (2.9) 对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流为 (2.10)
电源系统 每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压为 (2.9) 对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流为 (2.10) 滤波电路中，的选择应适应下式，即放电时间常数应满足 (2.11) 式中，为输入交流信号的周期；为整流滤波电路的等效负载电阻。 稳压电路的作用是将滤波电路输出电压进行稳压，输出较稳定的电压。常见的稳压电路有三端稳压器、串联式稳压电路等。

46 电源系统 2．三端固定式正压稳压器 国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出端和公共接地端）固定式正压稳压器均命名为78系列，该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有5 V, 6 V, 8 V, 9 V, 10 V, 12 V, 15 V, 18 V和24 V共9种输出电压），各厂家用78和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100 mA，M表示500 mA，如不插入字母则表示1.5 A。此外，78(L, M)XX的后面往往还附有表示输出电压容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3金属和TO-220的塑料封装，金属封装形式的稳压器的输出电流可以达到5 A。

47 电源系统 78系列三端固定式稳压器的基本应用电路如图2.10所示，只要把正输入电压加到MC7805的输入端，MC7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压。在实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出根部接小容量（0.1～10 μF）电容, 到地。用于抑制芯片自激振荡，用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。和的具体取值应随芯片输出电压的高低及应用电路的方式不同而异。

48 2.2.1 电源系统 图 系列三端稳压器基本应用电路

49 电机驱动电路 在智能车竞赛中，智能车的速度较快，通常达到2 m/s以上，因此对电机驱动电流的要求较高，电机驱动电路必不可少。图2.11是一个典型实用的简单直流电机调速驱动电路，功率管的选择由电机的功率决定，其标称电流是电机正常工作时电流的3～5倍（电机启动的时候存在较大的浪涌电流）。PWM信号的占空比决定电机的转速，故电机的调速可通过改变PWM信号的占空比实现。 直流电动机正、反转控制在很多场合会碰到。下面将介绍用功率管驱动直流电机正、反转的常用两种方法。

50 电机驱动电路 图2.11 直流电机调速驱动电路

51 电机驱动电路 图2.12 功率管驱动直流电机正、反转

52 电机驱动电路 如图2.12所示电路中电机的转动方向由I/O1和I/O2的电平来决定。当I/O1和I/O2为00时，VT1，VT2导通，VT3, VT4截止，加在电机两端上的电压差为0 V，电机不转。当I/O1和I/O2为01时，VT1, VT4导通，VT2, VT3截止；当I/O1和I/O2为10时，VT1, VT4截止，VT2, VT3导通。这两种情况流经电机上的电流方向互为相反，电机转动方向也相反。当I/O1和I/O2为11时，VT1, VT2截止，VT3, VT4导通，加在电机两端上的电压差为0 V，电机不转。

53 电机驱动电路 当I/O1和I/O2悬空时，+5 V经R1, TLP521的内部发光二极管、LED1, R4, VT3形成零点几毫安的电流，使VT3一定程度地导通，该电流使光耦TLP521输出端微弱导通，从而拉低VT1基极点的电位，使VT1一定程度地导通；同理，VT2和VT4也一定程度地导通，从而+V电源经过VT1, VT3和VT2, VT4短路到地，会损坏功率管，故I/O1和I/O2不允许悬空。R1和R8阻值的选择原则是，使流经发光二极管的电流为10～15 mA；R3, R4, R5, R6的选择原则是，能够为功率管提供足够的驱动电流；功率管的选择由电机的工作电压和工作电流决定，因电机启动瞬间存在浪涌电流，故功率管的电流限额应是电机正常工作电流的4～5倍。

54 传感器接口电路 除了要正确选择传感器的类型外，还要设计最佳的接口电路。所谓接口电路，就是要把传感器与后续的有关电路联系起来的电路。接口电路的设计需要考虑两个问题：一个是传感器的输出与计算机的输入匹配问题；另一个是选择器件的问题。一般传感器的输出信号有三种形式：数字开关量、数字脉冲和模拟信号。 （1）数字开关量信号分为电压输出型和触点型。如果传感器的输出电压信号为0 V或2 V，可以直接和控制装置相连接，但是由于这种信号有抖动，所以在与计算机连接时要采用消除抖动电路。 （2）数字脉冲电路用计数器计数后送入计算机，通过对脉冲的计数来达到对信息的采集。一般计算机要对计数器拥有清零的功能，以便计数器重新计数。

55 传感器接口电路 （3）模拟信号比较复杂，由于模拟信号不能直接与控制器相连接，所以首先要通过适当的A/D转换器变为合适的输入电压，必要时还要在A/D前面对信号进行放大、分压等，一般称为信号的预处理。预处理后的信号经过A/D转换器后和控制器直接连接，完成接口电路的设计。 器件的选择，要兼顾成本和技术指标进行综合考虑。传感器信号要有比较好的降噪电路，一般减少噪声的方法是：传感器与预处理放大电路的接线要尽量短；传感器信号接线要采用屏蔽线，外皮接地；放大电路的输入和输出之间尽量远；放大电路的增益不要太大，以免产生振荡；放大电路要远离传感器，以免产生电场和磁场的干扰等。

56 思考题 1．请简述光电式传感器的基本原理。 2．图像传感器分为哪几类？请简述摄像头的工作原理。
3．请说出制作测速传感器的几种方案，并对各种方案的优缺点进行比较。 4．利用78系列芯片设计一个直流稳压电路，要求：输入12 V，输出5 V。 5．利用MC33886设计一个直流电机驱动电路，能控制电机正、反转。