基于51單片機(jī)的電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)

　　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(dòng)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(dòng)車在規(guī)定時(shí)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(shí)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(gè)基本模塊：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(huì)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(jià)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(hào)的影響，會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。再加上時(shí)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(diǎn)，只須調(diào)節(jié)探頭上的一個(gè)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(hào)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(gè)，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(dòng)狀態(tài)使蹺蹺板達(dá)到動(dòng)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(hào)，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(gè)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(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

　　根據(jù)題目中小車行駛?cè)痰臅r(shí)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(dòng)力矩，不會(huì)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(dòng)模塊方面有以下兩種方案：一是采用專用驅(qū)動(dòng)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(jià)格較高。二是采用晶體三極管驅(qū)動(dòng)電路。由于電動(dòng)車所要求的功能比較簡單，用晶體三極管驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)電池)。這樣供電比較簡單，但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用5節(jié)5號(hào)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(hào)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)框圖如圖4所示。

　　圖4 電動(dòng)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(hào)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(hào)線)，只要將信號(hào)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(shí)則檢測到白紙，當(dāng)為低電平時(shí)則檢測到黑線區(qū)域。小車前進(jìn)(倒退)時(shí)，始終保持黑線在車頭(車尾)兩個(gè)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，探測器一旦探測到有黑線，單片機(jī)就會(huì)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(shí)，車頭(車尾)兩個(gè)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(huì)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(dòng)幅度在正負(fù)4度角時(shí)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(gè)變化范圍只有0.1度角，任何輕微的干擾都會(huì)使測量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。用A/D轉(zhuǎn)換又會(huì)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(dòng)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(hào)電路，根據(jù)信號(hào)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)電路中的J1接電機(jī)，MOT1和MOT2接高低電平來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制電機(jī)的前進(jìn)和后退以及左右轉(zhuǎn)向。

　　圖6 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　4. 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。(詳細(xì)軟件流程圖見附錄)

　　圖7 軟件結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，然后系統(tǒng)判斷工作模式，當(dāng)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(jìn)入自動(dòng)計(jì)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

　　模式1為電動(dòng)車運(yùn)行及方向調(diào)整程序，使電動(dòng)車按預(yù)定路線運(yùn)行，并且在小車偏離軌道后自動(dòng)調(diào)整走向使小車自動(dòng)返回預(yù)定路線，并且控制LCD實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行時(shí)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(dòng)尋找平衡點(diǎn)，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行正向或反向運(yùn)行，最終達(dá)到動(dòng)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(shí)測量往返一次全程的時(shí)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(shí)際測得的時(shí)間與顯示時(shí)間有偏差，可能是人的反應(yīng)時(shí)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(shí)間。測試數(shù)據(jù)如表2：

　　表2 蹺蹺板往返一次時(shí)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(jìn)入平衡態(tài)所需的總時(shí)間逐漸減小，而平衡態(tài)時(shí)最大振幅基本不變。這是因?yàn)榕渲匚锵蛑行目繑n，對于支點(diǎn)的力矩不斷減小，慣性亦減小，致使平衡態(tài)所需的總時(shí)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(jìn)方向的前頭兩個(gè)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(shí))，小車前方探頭還未接觸定位線甚至剛開始起跑就會(huì)停車，觀察現(xiàn)象分析原因，當(dāng)尋跡線彎度較大，小車不能有效糾正過大偏差時(shí)，導(dǎo)致前方兩探頭有可能先后同時(shí)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(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了題目的要求，具有較好的使用價(jià)值。