基于51單片機的電動(dòng)車(chē)蹺蹺板設計

　　1.引言

　　本設計為參加電子設計競賽而作，較好地解決了電動(dòng)車(chē)在蹺蹺板上的運行和控制問(wèn)題，系統結構比較簡(jiǎn)單，控制比較準確。

　　2.系統方案設計、比較與論證

　　根據題目的基本要求，設計任務(wù)主要完成電動(dòng)車(chē)在規定時(shí)間內按規定路徑穩定行駛，并能具有保持平衡功能，同時(shí)對行程中的有關(guān)數據進(jìn)行處理顯示。為完成相應功能，系統可以劃分為以下幾個(gè)基本模塊：電動(dòng)機驅動(dòng)模塊、尋跡線(xiàn)探測模塊、平衡狀態(tài)檢測模塊、信息顯示模塊。見(jiàn)圖1

　　圖1 系統框圖

　　2.1尋跡線(xiàn)探測模塊

　　探測路面黑色尋跡線(xiàn)的原理：光線(xiàn)照射到路面并反射，由于黑線(xiàn)和白紙的反射系數不同，可根據接受到反射光強弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過(guò)單片機判斷是否到達黑線(xiàn)或偏離跑道。

　　方案一：由可見(jiàn)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?chē)h(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(jiǎn)單，價(jià)格便宜，靈敏度可調，但易受到周?chē)h(huán)境影響，特別是較強光照對檢測信號的影響，會(huì )造成系統不穩定。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?？梢圆捎眉蓴嗬m式光電開(kāi)關(guān)探測器，它具有集成度高、工作性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，只須調節探頭上的一個(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(jiàn)圖3。

　　圖3 集成紅外探測頭

　　基于上述考慮，為了提高系統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：斷續式光電開(kāi)關(guān)。在蹺蹺板兩頭的地面上各放置一個(gè)，調節靈敏度使其在一定范圍內接收不到反射光產(chǎn)生低電平，從而認為達到平衡狀態(tài)，由單片機控制小車(chē)運動(dòng)狀態(tài)使蹺蹺板達到動(dòng)態(tài)平衡。然而此方案平衡控制不靈敏，難以調節，還需用導線(xiàn)與單片機傳輸信號，使小車(chē)失去獨立性。

　　方案二：采用角度傳感器。該集成芯片為專(zhuān)用的水平傾角測量芯片，具有體積小、靈敏度高、簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可高度滿(mǎn)足該題對平衡角度的精確要求。

　　經(jīng)過(guò)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)機及其驅動(dòng)模塊的選擇

　　根據題目中小車(chē)行駛全程的時(shí)間要求，可知小車(chē)的行駛速度很慢，普通的電機很難滿(mǎn)足此速度要求，而直流減速電機可以滿(mǎn)足此要求，且具有很大的轉動(dòng)力矩，不會(huì )在傾斜面出現堵轉情況。故我們采用直流減速電機。

　　在選用驅動(dòng)模塊方面有以下兩種方案：一是采用專(zhuān)用驅動(dòng)芯片。該芯片集成度高，占用空間小，主要應用于電機調速場(chǎng)合，但價(jià)格較高。二是采用晶體三極管驅動(dòng)電路。由于電動(dòng)車(chē)所要求的功能比較簡(jiǎn)單，用晶體三極管驅動(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6條I/O線(xiàn)，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節五號電池)。這樣供電比較簡(jiǎn)單，但是由于電動(dòng)機啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì )造成電壓不穩、有毛刺等干擾，嚴重時(shí)可能會(huì )造成單片機系統掉電，使之不能完成預定行程。

　　方案二：雙電源供電。電動(dòng)機驅動(dòng)電源采用5節5號電池(大容量2.3Ah電池)，單片機及其外圍電路電源采用另一組3節5號電池(大容量2.3Ah電池)供電，兩路電源完全分開(kāi)，這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機驅動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統穩定性。

　　我們認為本設計的穩定可靠性更為重要，故擬采用方案二。

　　經(jīng)過(guò)一番仔細的論證比較，我們最終確定的電動(dòng)車(chē)蹺蹺板系統框圖如圖4所示。

　　圖4 電動(dòng)車(chē)蹺蹺板系統框圖

　　3.系統分立模塊設計及工作原理

　　3.1尋跡線(xiàn)探測電路

　　采用型號為E3F-DS30C4集成斷續式光電開(kāi)關(guān)探測器，該探頭輸出端只有三根線(xiàn)(電源線(xiàn)、地線(xiàn)、信號線(xiàn))，只要將信號線(xiàn)接在單片機的I/O口，然后不停地對該I/O口進(jìn)行掃描檢測，當其為高電平時(shí)則檢測到白紙，當為低電平時(shí)則檢測到黑線(xiàn)區域。小車(chē)前進(jìn)(倒退)時(shí)，始終保持黑線(xiàn)在車(chē)頭(車(chē)尾)兩個(gè)傳感器之間，當小車(chē)偏離黑線(xiàn)時(shí)，探測器一旦探測到有黑線(xiàn)，單片機就會(huì )按照預先編定的程序發(fā)送指令給小車(chē)的控制系統，控制系統再對小車(chē)路徑予以糾正。當小車(chē)回到了軌道上時(shí)，車(chē)頭(車(chē)尾)兩個(gè)探測器都只檢測到白紙，則小車(chē)繼續直線(xiàn)行走，否則小車(chē)會(huì )持續進(jìn)行方向調整操作，直到小車(chē)恢復正常。

　　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，我們運用了高精度角度傳感器，此傳感器通過(guò)對自身偏離水平角度的測量，對應線(xiàn)性輸出一定范圍內的電壓值。依據題目的要求，我們分析得出小車(chē)隨蹺蹺板上下擺動(dòng)幅度在正負4度角時(shí)即認為其處于平衡狀態(tài)。而此角度傳感器在此區間內的靈敏度最高，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(guò)A/D轉換器轉換成數字量通入到單片機中。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 )使測量結果產(chǎn)生嚴重的偏差。用A/D轉換又會(huì )使精度降低，干擾過(guò)大，又因為現實(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電路，根據信號端的變化控制小車(chē)，使角度傳感器的電壓輸出保持在2.45-2.55伏之間，經(jīng)多次測試與精心調試，該電路可很好的滿(mǎn)足要求。平衡檢測電路如圖5所示。

　　3.3 電動(dòng)機驅動(dòng)電路

　　電動(dòng)機驅動(dòng)電路如圖6所示。該驅動(dòng)電路中的J1接電機，MOT1和MOT2接高低電平來(lái)控制電機的正反轉，進(jìn)而控制電機的前進(jìn)和后退以及左右轉向。

　　圖6 電動(dòng)機驅動(dòng)電路

　　4. 軟件設計

　　軟件結構如圖7所示。(詳細軟件流程圖見(jiàn)附錄)

　　圖7 軟件結構

　　當開(kāi)機時(shí)，系統復位，然后系統判斷工作模式，當選定工作模式1或工作模式2后，系統等待5秒鐘，然后進(jìn)入自動(dòng)計時(shí)運行狀態(tài)。

　　模式1為電動(dòng)車(chē)運行及方向調整程序，使電動(dòng)車(chē)按預定路線(xiàn)運行，并且在小車(chē)偏離軌道后自動(dòng)調整走向使小車(chē)自動(dòng)返回預定路線(xiàn)，并且控制LCD實(shí)時(shí)顯示運行時(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(chē)自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行正向或反向運行，最終達到動(dòng)態(tài)平衡。

　　5.系統測試

　　5.1 測試儀器

　　自制蹺蹺板：長(cháng)1600mm、寬300mm，蹺蹺板底距地面或桌面的距離為70mm。中間畫(huà)有50mm寬的黑色尋跡線(xiàn)。

　　卷尺：精度1mm。

　　秒表：精度0.01s，兩塊。

　　5.2 測試結果與分析

　　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。測試數據如表1：

　　表1 蹺蹺板水平狀態(tài)檢測數據

　　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。測試數據如表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(chē)保持平衡測試。(配重200克) 測試結果如表3：

　　表3 蹺蹺板保持平衡測試

　　分析：由以上數據可得，隨著(zhù)配重物距A端距離的不斷增加系統進(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。這是因為配重物向中心靠攏，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(xiàn)定位測試。測試數據如下表：

　　表4 蹺蹺板壓線(xiàn)定位測試

　　分析：絕大部分定位都是小車(chē)前進(jìn)方向的前頭兩個(gè)探頭全部壓上定為線(xiàn)方才恰好停車(chē)，在極少數情況下(蹺蹺板上尋跡線(xiàn)彎度較大時(shí))，小車(chē)前方探頭還未接觸定位線(xiàn)甚至剛開(kāi)始起跑就會(huì )停車(chē)，觀(guān)察現象分析原因，當尋跡線(xiàn)彎度較大，小車(chē)不能有效糾正過(guò)大偏差時(shí)，導致前方兩探頭有可能先后同時(shí)檢測到黑色尋跡線(xiàn)，以致小車(chē)停車(chē)。

　　檢測結果表明本設計成功地實(shí)現了題目的要求，具有較好的使用價(jià)值。