基于單片機(jī)AT89S52的電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)

摘要：該文通過(guò)采用AT89S52作為控制核心，設(shè)計(jì)了整個(gè)電動(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件部分主要包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、平衡檢測(cè)模塊、光電檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊以及紅外遙控模塊；軟件部分則采用高效的C語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)了平衡檢測(cè)和校正功能?？傮w來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合要求，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)車蹺蹺板；AT89S52；平衡檢測(cè)；角度傳感器

0 引言
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的電動(dòng)車蹺蹺板問(wèn)題，要求電動(dòng)車能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)蹺蹺板的中心點(diǎn)C處，并保持平衡，隨后電動(dòng)車到達(dá)蹺蹺板的末端B處，停留之后返回始端A處。另外，如果將蹺蹺板重新配重，則要求電動(dòng)車在規(guī)定范圍內(nèi)駛上蹺蹺板，同時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)平衡，如果再加一塊重物之后蹺蹺板重新達(dá)到平衡。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制與信號(hào)檢測(cè)，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。主要包括單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、平衡檢測(cè)模塊、光電檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊以及紅外遙控模塊。

    系統(tǒng)通過(guò)平衡檢測(cè)來(lái)判斷電動(dòng)車是否處于平衡狀態(tài)，使電動(dòng)車停留在C處附近，采用光電檢測(cè)模塊使電動(dòng)車行駛至B處停止，采用尋黑線方法使電動(dòng)車直線前行以及由末端B處能夠直線后退到始端A處。紅外遙控啟動(dòng)系統(tǒng)，液晶顯示各階段用時(shí)以及溫度時(shí)間。在配重情況下通過(guò)黑線檢測(cè)的方法使電動(dòng)車在規(guī)定區(qū)域內(nèi)的任意指定位置順利駛上蹺蹺板。此方案用平衡檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡，用尋黑線調(diào)整車身與蹺蹺板同向，總體設(shè)計(jì)完全達(dá)到題目要求，可行性很高。
1．2 硬件選型
    通過(guò)比較并結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)最終選擇AT89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心部分。該款單片機(jī)與MCS51系列完全兼容，易于開(kāi)發(fā)調(diào)試。其片內(nèi)帶有FLASH存儲(chǔ)器且可在線下載程序，片上各種資源完全能滿足本系統(tǒng)的要求。
    本方案中選用普通反射式紅外光電開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)蹺蹺板上黑線。在沒(méi)有探測(cè)到黑線時(shí)，探頭輸出始終保持低電平。當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，輸出立刻由低電平跳變到高電平。紅外光電開(kāi)關(guān)送來(lái)的信號(hào)經(jīng)放大整形后送單片機(jī)分析處理，如圖2所示。

    為保證小車在蹺蹺板上能嚴(yán)格地沿黑線前進(jìn)和倒退，本方案共采用了前邊8個(gè)探頭，后面2個(gè)探頭的方案。前邊8個(gè)探頭可以保持小車在前進(jìn)時(shí)完全保持車身在板內(nèi)，高精度的轉(zhuǎn)向使小車前進(jìn)時(shí)距板邊沿嚴(yán)格控制在4 cm以內(nèi)；考慮到小車后退要求較簡(jiǎn)單，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)后邊2個(gè)探頭足以使小車保持在板內(nèi)。
1．3 軟件設(shè)計(jì)
1．3．1 平衡檢測(cè)模塊方案設(shè)計(jì)
    方案一：采用角度傳感器直接測(cè)量系統(tǒng)角度的變化，當(dāng)角度變化不超過(guò)所定范圍即認(rèn)為達(dá)到平衡。角度測(cè)量精確，靈敏度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，構(gòu)造簡(jiǎn)單。
    方案二：置一裝有適量水的小水罐于車上，當(dāng)上坡時(shí)水體傾斜，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)水體幾乎水平，利用液位傳感器檢測(cè)液面高度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡。此方案可行，但會(huì)增加電動(dòng)車載重，靈敏度不是很高，要求液體不出現(xiàn)振蕩。
    比較兩種方案，方案一具有明顯優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案一。
1．3．2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)方案設(shè)計(jì)
    方案一：直流電機(jī)，即采用H型PWM驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，改變電機(jī)電壓極性實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，PWM占空比控制轉(zhuǎn)速，由于電壓難達(dá)到很高的精度，其轉(zhuǎn)速也達(dá)不到本系統(tǒng)的精度。
    方案二：步進(jìn)電機(jī)，按照接收脈沖數(shù)控制其步數(shù)，按照給定步進(jìn)電機(jī)的步序和步數(shù)直接控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可以提高精確性，適合平衡狀態(tài)及位置檢測(cè)。
    比較兩種方案，選擇方案二。
1．3．3 黑線檢測(cè)方案設(shè)計(jì)
    方案一：可見(jiàn)光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射一接收電路。該方案缺點(diǎn)在于易受外界環(huán)境光源的干擾，容易造成誤判，準(zhǔn)確度不高。
    方案二：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。采用交流分量調(diào)制信號(hào)減少干擾，但需要控制占空比，要求有較大的電流，在本系統(tǒng)中不可取。
    方案三：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。受外界干擾小，靈敏度高。
    比較三種方案，方案三的準(zhǔn)確度高，明顯優(yōu)于其他兩種方案，所以選擇方案三。
1．3．4 位置檢測(cè)方案設(shè)計(jì)
    方案一：從始端到末端用康銅絲水平置于木板一側(cè)，通過(guò)采樣檢測(cè)電壓值檢測(cè)是否已經(jīng)行駛到蹺蹺板末端B處，此方案要求與車相連，需要一定轉(zhuǎn)換時(shí)間。
    方案二：由鼠標(biāo)工作原理采用光電碼盤測(cè)量行駛距離是否已接近板長(zhǎng)，或者將板長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為接收到的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，以此檢測(cè)電動(dòng)車是否行駛到末端。
    比較兩種方案，方案二簡(jiǎn)便可行，測(cè)量效果較好，所以選擇方案二。
1．3．5 程序設(shè)計(jì)
    程序需要完成以下的功能：
    (1)不同階段設(shè)定不同的行駛速度，小車在上坡和中間尋求平衡的時(shí)候必須要求不同的速度，已達(dá)到在規(guī)定時(shí)間使蹺蹺板平衡，利用軟件檢測(cè)和調(diào)節(jié)使小車在不同階段具有不同的速度。
    (2)綜合多傳感器以提高測(cè)量精度，確保小車在蹺蹺板上有比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
    (3)使用軟件濾波器消除小車在行進(jìn)時(shí)的抖動(dòng)所造成的電壓輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題。
    程序流程如圖3所示。

2 測(cè)試及誤差分析
2．1 測(cè)試方法
    測(cè)試工具：兩塊秒表(最小精度為0．1 s)、卷尺(最小精度為0．01 m)、數(shù)字萬(wàn)用表(MASTECH MY-65)。

    將小車放在蹺蹺板A端，如圖4所示，開(kāi)啟電源，記錄以下各段時(shí)間并觀察平衡指示(以下稱測(cè)試條件1)；將小車及配重分別放在規(guī)定范圍內(nèi)的任意位置，重復(fù)上述工作(以下稱測(cè)試條件2)。其中T1表示小車從A點(diǎn)到中點(diǎn)C的時(shí)間；T2表示小車找平衡的時(shí)間；T3表示小車的平衡保持時(shí)間；T4表示小車從平衡點(diǎn)到蹺蹺板末端B的時(shí)間；T5表示小車在B點(diǎn)停留的時(shí)間(測(cè)試條件1)，表示第二次增加配重保持平衡的時(shí)間(測(cè)試
條件2)；T6表示小車從B點(diǎn)返回A點(diǎn)的時(shí)間；T7表示小車總行程的時(shí)間。
2．2 誤差分析
    (1)蹺蹺板所處位置可能不水平，給測(cè)量角度帶來(lái)偏差，可以使用其他水平測(cè)試儀檢測(cè)位置是否水平。
    (2)由于電動(dòng)車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的振蕩導(dǎo)致所測(cè)角度有一定偏差，可以將電動(dòng)車座板牢固焊接在車體上或者將角度傳感器安裝在蹺蹺板上。
    (3)蹺蹺板板面不夠粗糙，摩擦力不夠大，會(huì)使電動(dòng)車產(chǎn)生一定的滑動(dòng)，將板面用摩擦系數(shù)比較大的紙張貼在上面增大摩擦力。

3 結(jié)論
    本文采用角度傳感器直接測(cè)量系統(tǒng)角度的變化完成小車的平衡檢測(cè)，PWM技術(shù)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使小車可以穩(wěn)定準(zhǔn)確地達(dá)到平衡及通過(guò)蹺蹺板。通過(guò)多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，可以很好地完成任務(wù)。