用51單片機(jī)設(shè)計(jì)電動車蹺蹺板

1.引言

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

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、比較與論證

根據(jù)題目的基本要求，設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)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(qiáng)弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機(jī)判斷是否到達(dá)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(diǎn)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(qiáng)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?？梢圆捎眉蓴嗬m(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(diǎn)，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(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài)，由單片機(jī)控制小車運(yùn)動狀態(tài)使蹺蹺板達(dá)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(jī)傳輸信號，使小車失去獨(dú)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(diǎn)，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(jī)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(jī)很難滿足此速度要求，而直流減速電機(jī)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(jī)。

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(jī)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(diǎn)是占用單片機(jī)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(jī)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(jī)啟動瞬間電流很大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時可能會造成單片機(jī)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(jī)驅(qū)動電源采用5節(jié)5號電池(大容量2.3Ah電池)，單片機(jī)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(jī)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(rèn)為本設(shè)計(jì)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(xì)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(jì)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(jī)的I/O口，然后不停地對該I/O口進(jìn)行掃描檢測，當(dāng)其為高電平時則檢測到白紙，當(dāng)為低電平時則檢測到黑線區(qū)域。小車前進(jìn)(倒退)時，始終保持黑線在車頭(車尾)兩個傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，探測器一旦探測到有黑線，單片機(jī)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(dāng)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?yán)^續(xù)直線行走，否則小車會持續(xù)進(jìn)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(yùn)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(fù)4度角時即認(rèn)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(jī)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(yán)重的偏差。用A/D轉(zhuǎn)換又會使精度降低，干擾過大，又因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)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。