用51單片機設(shè)計電動車蹺蹺板

1.引言

本設(shè)計為參加電子設(shè)計競賽而作，較好地解決了電動車在蹺蹺板上的運行和控制問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，控制比較準確。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計、比較與論證

根據(jù)題目的基本要求，設(shè)計任務(wù)主要完成電動車在規(guī)定時間內(nèi)按規(guī)定路徑穩(wěn)定行駛，并能具有保持平衡功能，同時對行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進行處理顯示。為完成相應(yīng)功能，系統(tǒng)可以劃分為以下幾個基本模塊：電動機驅(qū)動模塊、尋跡線探測

模塊、平衡狀態(tài)檢測模塊、信息顯示模塊。見圖1

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1尋跡線探測模塊

探測路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到反射光強弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機判斷是否到達黑線或偏離跑道。

方案一：由可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收電路，如圖2所示。該方案成本較低，易于制作，但其缺點在于周圍環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判;如果采用超高亮發(fā)光管和高靈敏度光敏管可以降低一定的干擾，但又將增加額外的功率損耗。

圖2 方案一電路

方案二：自制紅外探頭電路。此種方法簡單，價格便宜，靈敏度可調(diào)，但易受到周圍環(huán)境影響，特別是較強光照對檢測信號的影響，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。再

加上時間有限，制作分立電路較繁瑣。

方案三：集成式紅外探頭。可以采用集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器，它具有集成度高、工作性能可靠的優(yōu)點，只須調(diào)節(jié)探頭上的一個旋鈕即可以控制探頭的靈敏度。此種探頭還能有效地防止普通光源(如日光燈等)的干擾。紅外探測器E3F-DS30C4見圖3。

圖3 集成紅外探測頭

基于上述考慮，為了提高系統(tǒng)信號采集檢測的精度，我們采用方案三。

2.2平衡狀態(tài)檢測模塊

方案一：斷續(xù)式光電開關(guān)。在蹺蹺板兩頭的地面上各放置一個，調(diào)節(jié)靈敏度使其在一定范圍內(nèi)接收不到反射光產(chǎn)生低電平，從而認為達到平衡狀態(tài)，由單片機控制小車運動狀態(tài)使蹺蹺板達到動態(tài)平衡。然而此方案平衡控制不靈敏，難以調(diào)節(jié)，還需用導(dǎo)線與單片機傳輸信號，使小車失去獨立性。

方案二：采用角度傳感器。該集成芯片為專用的水平傾角測量芯片，具有體積小、靈敏度高、簡單、可靠等優(yōu)點，可高度滿足該題對平衡角度的精確要求。

經(jīng)過以上兩個方案比較，方案二明顯優(yōu)于方案一，故采用方案二。

2.3 電動機及其驅(qū)動模塊的選擇

根據(jù)題目中小車行駛?cè)痰臅r間要求，可知小車的行駛速度很慢，普通的電機很難滿足此速度要求，而直流減速電機可以滿足此要求，且具有很大的轉(zhuǎn)動力矩，不會在傾斜面出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。故我們采用直流減速電機。

在選用驅(qū)動模塊方面有以下兩種方案：一是采用專用驅(qū)動芯片。該芯片集成度高，占用空間小，主要應(yīng)用于電機調(diào)速場合，但價格較高。二是采用晶體三極管驅(qū)動電路。由于電動車所要求的功能比較簡單，用晶體三極管驅(qū)動就可以了，故我們最后決定用第二種方案。

2.4 信息顯示模塊

若采用LED，缺點是占用單片機接口太多，顯示信息量少，需要循環(huán)顯示，占用太多程序資源。而采用LCD，只占用單片機6條I/O線，同時顯示信息量大，靈活多變顯示多種信息。因此，我們擬采用后者。

2.5 電源選擇

方案一：所有器件采用單一電源(5節(jié)五號電池)。這樣供電比較簡單，但是由于電動機啟動瞬間電流很大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴重時可能會造成單片機系統(tǒng)掉電，使之不能完成預(yù)定行程。

方案二：雙電源供電。電動機驅(qū)動電源采用5節(jié)5號電池(大容量2.3Ah電池)，單片機及其外圍電路電源采用另一組3節(jié)5號電池(大容量2.3Ah電池)供電，兩路電源完全分開，這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

我們認為本設(shè)計的穩(wěn)定可靠性更為重要，故擬采用方案二。

經(jīng)過一番仔細的論證比較，我們最終確定的電動車蹺蹺板系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 電動車蹺蹺板系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)分立模塊設(shè)計及工作原理

3.1尋跡線探測電路

采用型號為E3F-DS30C4集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器，該探頭輸出端只有三根線(電源線、地線、信號線)，只要將信號線接在單片機的I/O口，然后不停地對該I/O口進行掃描檢測，當其為高電平時則檢測到白紙，當為低電平時則檢測到黑線區(qū)域。小車前進(倒退)時，始終保持黑線在車頭(車尾)兩個傳感器之間，當小車偏離黑線時，探測器一旦探測到有黑線，單片機就會按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。當小車回到了軌道上時，車頭(車尾)兩個探測器都只檢測到白紙，則小車繼續(xù)直線行走，否則小車會持續(xù)進行方向調(diào)整操作，直到小車恢復(fù)正常。

3.2平衡狀態(tài)檢測電路

圖5 分壓比較式平衡檢測電路

在平衡檢測電路中，我們運用了高精度角度傳感器，此傳感器通過對自身偏離水平角度的測量，對應(yīng)線性輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。依據(jù)題目的要求，我們分析得出小車隨蹺蹺板上下擺動幅度在正負4度角時即認為其處于平衡狀態(tài)。而此角度傳感器在此區(qū)間內(nèi)的靈敏度最高，其輸出電壓為2.45-2.55伏之間。將此輸出電壓經(jīng)比較放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通入到單片機中。但是由于整個變化范圍只有0.1度角，任何輕微的干擾都會使測量結(jié)果產(chǎn)生嚴重的偏差。用A/D轉(zhuǎn)換又會使精度降低，干擾過大，又因為現(xiàn)實中很難做到真正的靜態(tài)平衡，所以我們最終決定采用動態(tài)尋找平衡的方式，因此用分壓電路和電壓比較器制作信號電路，根據(jù)信號端的變化控制小車，使角度傳感器的電壓輸出保持在2.45-2.55伏之間，經(jīng)多次測試與精心調(diào)試，該電路可很好的滿足要求。平衡檢測電路如圖5所示。

3.3 電動機驅(qū)動電路

電動機驅(qū)動電路如圖6所示。該驅(qū)動電路中的J1接電機，MOT1和MOT2接高低電平來控制電機的正反轉(zhuǎn)，進而控制電機的前進和后退以及左右轉(zhuǎn)向。

圖6 電動機驅(qū)動電路

4. 軟件設(shè)計

軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。(詳細軟件流程圖見附錄)

圖7 軟件結(jié)構(gòu)

當開機時，系統(tǒng)復(fù)位，然后系統(tǒng)判斷工作模式，當選定工作模式1或工作模式2后，系統(tǒng)等待5秒鐘，然后進入自動計時運行狀態(tài)。

模式1為電動車運行及方向調(diào)整程序，使電動車按預(yù)定路線運行，并且在小車偏離軌道后自動調(diào)整走向使小車自動返回預(yù)定路線，并且控制LCD實時顯示運行時間。模式2為平衡檢測及平衡保持程序，在此程序控制下小車自動尋找平衡點，并在平衡點附近進行正向或反向運行，最終達到動態(tài)平衡。

5.系統(tǒng)測試

5.1 測試儀器

自制蹺蹺板：長1600mm、寬300mm，蹺蹺板底距地面或桌面的距離為70mm。中間畫有50mm寬的黑色尋跡線。

卷尺：精度1mm。

秒表：精度0.01s，兩塊。

5.2 測試結(jié)果與分析

5.2.1蹺蹺板水平狀態(tài)時測量往返一次全程的時間。測試數(shù)據(jù)如表1：

表1 蹺蹺板水平狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)

分析：實際測得的時間與顯示時間有偏差，可能是人的反應(yīng)時間誤差。

5.2.2 蹺蹺板自由狀態(tài)下測量往返一次全程的時間。測試數(shù)據(jù)如表2：

表2 蹺蹺板往返一次時間檢測

分析同上。

5.2.3蹺蹺板自由狀態(tài)下小車保持平衡測試。(配重200克) 測試結(jié)果如表3：

表3 蹺蹺板保持平衡測試

分析：由以上數(shù)據(jù)可得，隨著配重物距A端距離的不斷增加系統(tǒng)進入平衡態(tài)所需的總時間逐漸減小，而平衡態(tài)時最大振幅基本不變。這是因為配重物向中心靠攏，對于支點的力矩不斷減小，慣性亦減小，致使平衡態(tài)所需的總時間逐漸減小。

5.2.4 壓線定位測試。測試數(shù)據(jù)如下表：

表4 蹺蹺板壓線定位測試

分析：絕大部分定位都是小車前進方向的前頭兩個探頭全部壓上定為線方才恰好停車，在極少數(shù)情況下(蹺蹺板上尋跡線彎度較大時)，小車前方探頭還未接觸定位線甚至剛開始起跑就會停車，觀察現(xiàn)象分析原因，當尋跡線彎度較大，小車不能有效糾正過大偏差時，導(dǎo)致前方兩探頭有可能先后同時檢測到黑色尋跡線，以致小車停車。

檢測結(jié)果表明本設(shè)計成功地實現(xiàn)了題目的要求，具有較好的使用價值。

參考文獻

【1】全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會 編《全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編》[M].北京理工大學(xué)出版社.2006年

【2】吳少軍、劉光斌.《單片機實用低功耗設(shè)計》[M]. 人民郵電出版社.2005年

【3】周航慈.《單片機應(yīng)用程序設(shè)計》[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社.2006年

【4】高吉祥.《全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)教程》[M].模擬電子線路設(shè)計.2007年.第九章

【5】黃正瑾.《電子設(shè)計競賽賽體解析》[M].東南大學(xué)出版社. 2003年.第五章

【6】何立民.《單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)》[M].北京航空航天大學(xué)出版社. 2003年.第二章.

【7】童詩白、華成英. 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》[M]. 高等教育出版社. 2000年.第六章.

【8】李朝青.《單片機原理及接口技術(shù)》[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2005年.第四章.