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1、 电动车跷跷板摘要：本设计采用两片STC89C52单片机作为电动车的检测和控制核心，实现电动车在跷跷板上行驶、平衡，选择正确的行进路线、倒退等功能。电路分为路面检测模块，平衡控制模块，电机驱动模块，显示模块，速度方向控制模块等几部分。路面检测模块采用反射式红外发射-接收器来检测黑线；平衡控制模块采用角度传感器；电机驱动模块通过单片机输出相应控制信号，灵活方便地对车速进行控制；转向控制模块通过两个步进电机的转速差实现小车的转向。步进电机控制核心采用STC89C52单片机，与主系统之间通过串行通信来实现同步控制。采用稳定且独特的软件算法，实现了对小车在行进过程中的运动位置、速度、运动方向和运动时间
2、等的精确控制。关键词：智能控制 电动车 跷跷板 步进电机 平衡控制 光电检测一、 系统方案论证1.1题目解析根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中控制部分包括：电机驱动模块，显示模块，控制器模块，计时和状态标志模块。信号检测部分包括：平衡控制模块，路面检测模块。电机驱动模块可以选择集成电机驱动芯片L298N，显示模块可以选择液晶或者数码管，平衡控制模块可以选择角度传感器，路面检测模块可以选择光电传感器。1.2各种方案比较与选择方案一：方案一系统方框图如图1所示。图1系统方框图方案一采用ATMEL公司的AT89S52作为核心控制器，传感器输出的信号通过单片机的处理，实现液晶显示
3、，电机驱动电路采用PWM技术控制直流电机的速度和转向。但迫于其MCU功能和速度有限，没有足够的剩余资源用来做进一步的开发。再者，虽然直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，但精度不高，快速启动性能较差；根据题目要求，要使电动车爬上跷跷板，需使电动车具有快速启动性能，若采用直流电机则很难达到题目要求。方案二：方案二系统方框图如图2 所示。图2系统方框图方案二采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。采用左右双步进电机控制两边的后轮，用左右电机的转速差来控制转向。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且
4、可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车做出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路图布线复杂，加重了电路设计和实际焊接工作。方案三：方案三系统方框图如图3所示。图3系统方框图方案三 本方案基于模块化思想，采用两片STC89C52单片机作为小车的控制核心，一片STC89C52单片机控制两个电机，另一片STC89C52单片机用于其余的控制。两片单片机之间通过串行通信来实现同步控制。采用左右双步进电机控制两
5、边的后轮，用左右电机的转速差来控制转向。各传感器信号经单片机综合分析处理，同时显示行驶阶段和时间。本方案中所采用的MCUSTC89C52是宏晶推出的性价比极高的单片机，具有8K以上的大容量ROM可供程序编写，这极大方便了液晶这样需要大容量信息存储的硬件的使用。而且这款基于MCS-51内核的单片机支持ISP下载，在工作时可以不分频，速度是加同样晶振的普通51的12倍，况且这种单片机的功耗又很低，能够满足题目要求。对比以上三种方案，第一种方案在MCU上性能不足，很难达到预期的设计要求。而第二种方案在控制和设计上难度较大。综合比较后，我们决定采用第三种方案。二、系统硬件设计2.1系统总体设计经过仔细
6、分析和论证，决定系统各模块的最终方案如下：（1） 控制器模块：采用两片STC89C52单片机控制；（2） 平衡控制模块：采用角度传感器；（3） 路面检测模块：采用光电传感器；（4） 方向控制模块：采用两个步进电机；（5） 电机驱动模块：采用集成电机驱动芯片L298N； （6） 计时显示模块：采用液晶显示器； 设计完毕的整体系统结构图如图4所示。图4 整体系统结构图2.2主要单元电路的设计2.1.1 微控制器模块的设计我们利用自己制作的STC89C52单片机最小系统板作为控制模块。STC89C52单片机最小系统板原理图见附录。2.2.2 电机驱动电路的设计电机驱动电路控制安装在左右后轮的两个步进
7、电机，实现智能小车的前进后退和转向。驱动电路原理图见附录。考虑到电压、电流的等级尺寸、外观等因素，采用L298N构成的电机驱动电路。L298N驱动芯片是性能优越的小型电机驱动芯片之一，是一种高压，大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器，圆筒形线圈，直流电动机和步进电动机。在44.6V的电压下，可以提供2A的驱动电流。L298N芯片具有两抑制输入来使器件不受输入信号的影响。每个桥的三极管的射极是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298N还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能，符合电
8、机驱动的需要。 L298N原理方框图如图6 所示。图6 L298N原理方框图电路的控制逻辑如表2所示。表2 电路的控制逻辑输入功能Ven = 1C = 1 ， D = 0正转C = 0 ， D = 1反转C = D快停Ven = 0C，D任意自由停止只要通过控制电路对C、D两个输入端输入TTL电平的0或1即可控制电机的正转、反转及停止。当向C、D两端输入同样电平时，可实现电机的快速停止。2.2.3路面检测电路的设计根据题目，小车在起始端300mm以外，90扇形区域内某一指定位置自动驶上跷跷板，要求小车根据路面自动调整方向，回到跷跷板的运动轨迹上，系统需要将车体的运动状态及时地以电信号的形式反馈
9、到控制部分，控制部分控制两个电机的速度、正转或反转。 本设计中总共使用三个集成的反射式光电传感器TCRT5000装在车体的前方。反射式光电传感器电路原理图如图7所示。图7 反射式光电传感器电路原理图2.2.4平衡控制电路的设计本设计中采用角度传感器WYH-1判断电动车在跷跷板上所处的位置，WYH-1角度传感器采用新型磁敏感元件，将机械转动或角位移转化为电信号输出，可无电触点的测量转动角度的变化，输出模拟电压信号。与线绕式、金属膜式、导电膜式结构相比，具有特点无触点、高灵敏度、极长寿命、高可靠性、360连续转动等特点。基本指标如表3所示。 表3角度传感器WYH-1基本指标型 号工作电压线性量程灵
10、敏度温度系数分辨率WYH-1DC3.3V8V4540mV/10.01/连 续输出特性曲线如图8所示。图8 输出特性曲线三、系统软件设计3.1 主程序流程图主程序流程图如图9所示。图9 主程序流程图四、系统功能测试4.1 测试仪器及设备测试仪器及设备如表4所示。表4 测试仪器及设备仪器名称型号数量直流稳压电源DF1731SL3A 1双踪示波器DS5022M1电脑 3万用表UT8032卷尺1秒表14.2 功能测试 4.2.1 基本功能测试我们在硬件和软件部分制作完成后，对系统进行了测试，共进行8次，所得数据如表5。表5 电动车跷跷板测试数据记录（基本部分）测试次数 第1次第2次第3次第4次第5次待
11、添加的隐藏文字内容1第6次第7次第8次驶到中心点时间（s)89889898达到平衡时间( s) 5051525053515253测试结果成功成功成功成功成功成功成功成功成功率接近100%，数码管显示正常，整体性能非常稳定，没有出现越界现象。4.2.2 发挥功能及其他功能测试 我们在完成基本部分后，又完成了发挥部分的要求，电动车能够自动驶上跷跷板，并在跷跷板上取得平衡。测试8次，所得数据如表6。表6 电动车跷跷板测试数据记录（发挥部分）测试次数 第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8 次是否达到平衡是是是是是是是是平衡保持时间（s） 56865868测试结果成功成功成功成功成功成功成功成
12、功 成功率接近100%，数码管显示正常，整体性能非常稳定，没有出现越界现象。五、结论经过对系统的光电检测部分、驱动电路、角度传感器等的测试，本设计能够达到设计制作的要求。 六、致谢 在为期四天三夜的比赛过程中，我们克服了种种困难，完成了题目的基本要求和发挥部分，自身得到了极大的锻炼，使我们的工作能力，实践能力，集体协作能力得到了很大的提高。感谢大赛组委会为我们提供参加电子设计大赛的机会，感谢队友们的大力支持，感谢学校为我们的成才所付出的努力。谢谢。附录附录1 总电路原理图微控制器模块原理图电机驱动电路原理图附录2 印刷电路板图最小系统板PCB图附录3 配件表最小系统板元件列表名称规格封装数量M
13、CUSTC89C52DIP401芯片74HC573DIP201发光二级管黄、绿E080511数模转换器DAC0832DIP201模数转换器ADC0832DIP201芯片MAX232DIP161串口DB9DB9SLE1按键浮动KEY-411电位器10K2电位器2K1电阻1KAXIAL-0.45电阻10KAXIAL-0.44晶振12MHz1瓷片电容30p08053瓷片电容10408056电解电容10uF/16VCAPJ2排针若干电机驱动电路元件列表规格封装数量MCUSTC89C52DIP401芯片L298NDIP152稳压芯片78L05BCY-W3/E41稳压二极管IN4007BAT-216电阻2
14、00AXIAL-0.42瓷片电容33pCAPR2.54-5.1x3.23电解电容10uF/25VCAPPR2-5x6.81排阻10kHDR1X91晶振24MHzDIP21散热片1排针若干光电传感器电路元件列表规格封装数量光电传感器TCRT50003电位器202VR53电阻10kAXIAL-0.43排针若干目 录一、 系统方案论证21.1题目解析21.2各种方案比较与选择2二、系统硬件设计42.1系统总体设计42.2主要单元电路的设计42.1.1 微控制器模块的设计42.2.2 电机驱动电路的设计52.2.3路面检测电路的设计52.2.4平衡控制电路的设计6三、系统软件设计73.1 主程序流程图7四、系统功能测试74.1 测试仪器及设备74.2 功能测试84.2.1 基本功能测试84.2.2 发挥功能及其他功能测试8五、结论8六、致谢8
