电动车跷跷板19

电动车跷跷板 摘要：本作品是基于AT89C51能在跷跷板上行进的智能电动车。系统硬件主要由AT89C51单片机最小系统板、小车左右前轮驱动电路、小车行进轨迹探测电路、角度方向电路，显示电路及报警电路等组成。软件采用汇编语言编写，通过软件产生PWM波控制小车速度，利用插补运算调整小车行进轨迹。经过反复、比较和调测，本系统在硬件、软件及整体性能上已全部达到目的基本要求及发挥项目的部分要求。 关键词: AT89C51,智能电动车 ,软件 Abstract:This work is a smart electric vehicle based on AT89C51 single chip , it  runs on the seesaw. The System hardware make up of AT89C51 minimum system boards, front-wheel driving circuit, the car traveling track detection circuit, direction angle detection circuit and alarm circuit components etc. The software uses assemble language. the software generated wave PWM to control the car speed, using interpolation arithmetic adjusted the trolley track road. The System have achieved the purpose of all basic requirements for the design subject and the part  task of the higher project requirements after repeated analysis, comparison and tuning of the system hardware, software. Key words: AT89C51, a smart electric vehicle , software 1.前言 本作品主要完成小车行驶速度控制、轨迹检测和平衡角度的检测。难点在于协调好小车行驶速度、时间控制、电机转距控制、路程的关系以及速度与倾角的关系，这样才能保证小车在行驶过程中不越界并且很好的找到平衡点。本设计成果可以应用于需无人驾驶的领域，还可以对其进行功能扩充（例如增加超声波传感器，使其具有测距和避障等功能）。 2.设计与论证 根据《电动车跷跷板》题目要求，系统可以划分为信号检测部分和控制部分。其中信号检测部分包括：轨迹检测模块、角度检测模块；控制部分包括：电机驱动模块、控制器模块。系统框图如图1所示。为了实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。 2.1.单片机选择 方案一：选用PIC、或AVR、或凌阳SPCE061A等作为控制核心；这些单片机资源丰富，可以实现复杂的逻辑功能，功能强大，完全可以实现对小车的控制。但对于此题目而言，它们的优势得不到体现，成本也稍高，有点资源浪费。 方案二：采用单片机AT89C51作为系统控制器方案。运算能力强.软件编程灵活、功耗低、技术成熟和成本低。 基于以上分析，本设计选用方案二。 2.2轨迹检测 轨迹检测模块实现小车进入跷跷板时，能正确沿引导线行进而不在跷跷板上跑偏并且能很好的控制小车的启停。探测路面黑色引导线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑和白对光的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光强弱来判断黑白。 方案一：采用光敏传感器。由于其它受光源影响（特别是白天），会造成误判或漏判，效果不会很好。 方案二：采用黑白线反射光电传感器。该传感器检测黑白线效果好，受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便；该传感器检测距离为2cm。在光线比较充足的条件下，检测距离可以扩大到10cm。主要应用于白底黑线或黑底白线的检测和小车或机器人寻迹等领域。小车车轮与传感器的排列如图2所示： 图2 两黑白线检测光电传感器安装示意图 CPU接收到的信号与控制电机的动作如表1所示： 表1 小车动作与接收信号的关系 传感器接收的信号状态 左车轮 右车轮 左传感器 右传感器 1 1 正转 正转 0 1 停止 正转 1 0 正转 停止 0 0 停止 停止         由以上分析可知黑白线反射式光电传感器有很多优点，所以本设计选用方案二。 2.3角度检测 方案一： 方案二：采用倾角传感器，它是一种双轴加速度传感器。其单轴最大输出范围约为±40度，有效输出范围为±30度，在采样频率为8Hz以下时，可获得0.002度的高精度输出且工作电压在5V左右，在设计中可直接利用小车的供电电源。 通过以上分析本系统采用方案二。 2.4电机驱动 方案一：采用步进电机，电脉冲驱动。改变脉冲频率调速，改变相序实现正反转。此方案可以轻松实现前进距离、转向、角度控制、制动定位等功能。但两个轮子电机参数不易匹配，并且加大系统复杂程度。 方案二：采用直流电机，H型脉冲宽度调制（PWM）桥式驱动电路。此方式调速功能较好，可灵活实现小车的行进.倒退.以及找平衡等功能。 基于以上优点本系统采用方案二。 2.5电源 方案一：双电源：将电机驱动电源与控制系统电源分开，光电耦合连接。但由于电路复杂，还要自己设计电源，增加了小车的负载，得不偿失。 方案二：采用单一电池电源供电。这样供电比较简单，经济实惠.效率高.而且小车自身配带电池夹，可以充分利用资源。 第一种比较可靠，但实现难度较大。第二种方案较容易实现，也充分利用了小车的自身资源。基于以上分析本系统采用方案二。 3.系统的硬件设计与实现 3.1系统的硬件的基本组成部分 本次设计的硬件单元模块主要有轨迹检测.角度检测.电机驱动及电源四部分。 3.2主要单元电路的设计 3.2.1轨迹检测电路的设计 小车行进轨迹检测由安装在小车底板前后四个黑白线反射式光电传感器组成。检测到的信号由单片机的I/O口读入,在前进时左轮的状态由P1口的P1.6来读入,右轮的状态由P1口的P1.7来读入,后退时左轮的状态由P1口的P1.4来读入，右轮的状态由P1口的P1.5来读入，单片机通过分析P1.4.P1.5.P1.6及P1.7四口的状态来调整小车的行进方向和启停。检测电路如图3所示：    图3轨迹检测电路 3.2.2角度检测电路的设计 采用SCT100T倾角传感器。目的是随时检测小车上坡、下坡运行状态，通过反馈信号及时调整小车运行速度。为保证此芯片可靠工作，其电源电路需要重新设计。倾角传感器外围连接图如图4所示： 图4倾角传感器的外围连接电路    3.2.3电机驱动模块的设计 电机驱动电路如图5所示：其中MOTOR1A 和MOTOR1B 控制一个H 桥，该H 桥输出J3 接左轮电机，所以MOTOR1A 、MOTOR1B 控制左侧小车电机的前进和后退；MOTOR2A 和MOTOR2B 控制另外一个H 桥，该H 桥输出J5 接右轮电机，所以MOTOR2A 、MOTOR2B 控制右侧小车电机的前进和后退。改变该四路控制信号就可以让小车完成左转、右转、前进、后退、原地待命等功能。 图5电机驱动电路 3.2.4电源的设计 小车自身带有电池夹，可用4节5号电池供电。电源电路如图6所示，其中D1保护作用。          图6电源外围连接电路 4.系统的软件设计 软件由主程序和子程序组成。子程序包括水平前进程序、上、下坡程序、转弯程序、小车寻找平衡程序。主程序和部分子程序流程图如下： 图7 主程序流程图 图8水平前进子程序流程图                        图9找平衡子程序流程图 5.系统测试 5.1测试仪器 秒表    2米卷尺    游标高度尺 5.2指标测试与结果分析 指标测试结果如表2所示。 表2                              测试指标结果 小车状态 题目要求 实测行程 实测运行时间 停止时间 水平前进 在1分钟内走完全程停5秒       水平倒退 在1.5分钟内走完全程       上坡 在1.5分钟走完全程停5秒       下坡 在2分钟走完全程       找平衡 在2分钟内找到平衡点停5秒                 6.总结 本系统设计以AT89C51芯片为核心部件，利用黑白线反射式光电传感器的检测技术实现了小车在跷跷板上运行轨迹探测目的，利用倾角传感器实现了小车行进中找平衡的问题。经过多次的整体软、硬件结合调试，不断地对设计进行优化，本系统在硬件、软件及整体性能上已全部达到设计题目的基本要求及发挥项目的部分要求。此设计成果可应用于无人驾驶、工业机器人等领域。 【参考文献】 [1]高吉祥.模拟电子线路设计.[M].北京：电子工业出版社，2007. [2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.[M].北京：电子工业出版社，2005. [3]张淑清.单片微型机算机接口技述及其应用.[M].北京：国防工业出版社，2001. [4]胡汉才.单片机原理及其接口技术.[M].北京：清华大学出版社，2003. [5]李贵山.检测与控制技术.[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006. [6]周征.传感器原理与检测技术.[M].北京：清华大学出版社，2007. [7]张伟.单片机原理及应用.[M].北京：机械工业出版社，2002. [8] www.21ic.com 附录1:元器件清单 表2 主要元器件清单 名称 型号 数量 倾角传感器 SCT1OOT 1 DC-DC变换 SR5D12/100 1 黑白线传感器 TK-10 4 三端集成稳压器 7805 1 非门 74LS04 2 单片机最小系统 自组装小型电动车1辆       附录2:系统整体电路图 附录3:程序清单