基于单片机的电动车跷跷板设计论文

摘 要本设计采用STC89C52单片机作为电动车在跷跷板上运行的检测和控制核心，路面的黑线、黑区、白区、斑马线区采用七个反射式红外传感器进行检测，完成设计所要求的上跷跷板、直行、停止、倒车。采用五个光敏二极管完成跷跷板平衡位置的检测。利用正反转控制技术、PWM技术动态控制电动车的运行情况，很好的实现了设计任务。关键词: STC89C52单片机、电动小车、检测一、 系统方案(一) 实现方法与系统设计选用能够实现正、反转，双电动机驱动速度平稳的电动车。根据题目要求制作出准确的黑白路线，用七个反射式光电传感器作为位置、方向的检测，由于光电传感器和光敏二极管的检测电路输出高电平在0.9V3.8V之间。为此采用LM358构成比较器进行整形，使检测输出信号逻辑性强。用五个光敏二极管作为跷跷板的平衡检测，并以数字形式指示平衡状态。以STC89C52单片机作为控制和定时部分，用PWM方法进行调速。用图5 所示的电路作为电动机的驱动部分。上述硬件电路在软件的配合下就能完成题目所要求的所有任务。 (二) 方案论证 根据设计题目要求，系统可以划分为几个基本的模块，如图1所示。根据要求对的各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案：LED显示电机驱动方向检测平衡检测位置检测声光指示单 片 机图1 总体方案框图1电动机驱动调速模块l 方案一：采用继电器对电动机的转向进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点在于电路比较简单，缺点是继电器的响应速度慢、机械结构已损坏、寿命较短、可靠性不高。l 方案二：采用电阻网络或数字电位器调整电动机得分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。l 方案三：采用有达林顿管组成的H性PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机的转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种很广泛采用的PWM调速技术。基于上述理论分析，拟选择方案三。2路面探测模块 路面探测大致原理是：光线照射的路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同可根据接收到的反射光强弱判断是否是黑线和白纸。l 方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点是其它环境光源会对光敏二极管的工作产生很大的干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判断和漏判。图2D1D2D3D4D5D6D7l 方案二：采用七个红外反射式传感器按右图所示安装在电动车的地盘上。与附图一所示的路面图配合，能够很容易实现电动车在路面和跷跷板上的运动及始点、终点的检测。经过对比以上二种方案，拟采用方案二。2 跷跷板的平衡检测模块l 方案一：使用电位器来检测跷跷板的平衡。方法是，电位器的轴固定在跷跷板上，电位器的外壳固定在支架上。可以计算出跷跷板平衡时对应的电阻Rg。通过控制电动车正反转使测量的电阻值Rx与Rg大小近似相等，即可使跷跷板平衡。但是在平衡点处转动的角度很小，使电位器输出的阻值变化量也很小，同时电位器的重复性不高，测量时难度很大。l 方案二：使用编码器来检测跷跷板的平衡。方法是，从跷跷板起始位置（A点着地）起到平衡位置的转动角度对应的编码器输出的脉冲数Ng作为给定值，当输出脉冲数Nx不等于Ng时，则根据Z信号来控制电动机的正反转，直至使跷跷板平衡为止。但是，在平衡点处跷跷板微小的上下摆动使编码器输出信号变化的很复杂。用以产生误判。l 方案三：使用两对光电管来检测跷跷板的平衡。（如图3）BA如图3很显然，跷跷板微小的上下摆动能够在跷跷板的两端产生较大位移。按照本题目尺寸，跷跷板变化0.5度，其端点产生7毫米的位移。 其方法具体是：电动车从A点向前行驶时，跷跷板在上光电管的上方，当跷跷板第一次阻挡住上光电管光时，说明跷跷板已经到达平衡区域，通过判断跷跷板在光电检测区的位置，调节电动车的运动方向，这样就可以控制跷跷板处于平衡状态。l 另外还可以选用陀螺仪、电子水平仪等来检测跷跷板的平衡。综合比较上述方案后，选择方案三。二、 理论分析与计算(一) 测量与控制方法1.电动机运行方向和位置的测量如附图一所示的路线图，在跷跷板上运行。从A点通过D1、D3的检测来控制电动车又转、左转、直行，使电动车作直线运动，同时开始计时，显示到达C点的时间，开始保持平衡点的5秒，显示从C点到B点的运行时间，然后继续前进，当D1、D2、D3检测到B点开始减速，检测到B点时停车。保持5秒后，通过检测D5、D7直线倒车，当第二次D5、D6、D7同时检测到黑线时，表示到达A点。如图所示的反射式光电管安装尺寸图(装在电动车的底部)。 2.电动车如何从地面上跷跷板 如附图一所示，把地面区分为黑区、白纸区和斑马线区。当电动车的检测到D1D7全为暗时说明是在黑区，让电动车向右行驶，当D1、D2、D3均为亮时，说明到达白区，控制电动车调整到D4和D6也在白区，直行即可走上跷跷板。当电动车在斑马线区时D1D7不全暗让电动车向左行驶，当D1、D2、D3均为亮时，说明到达白区，控制电动车调整到D4和D6也在白区，直行即可走上跷跷板。(二) 理论计算 直流电动机转速n的表达式为(1)式中：U电枢端电压; 电枢电流; 电枢电路总电阻; 每极磁通量; VCCD电动机图4 图4所示为利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。 当三极管的基极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，基极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，基极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前进的过程。这样，对应着输入的电平低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为(2)式中：占空比，t1/T。占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为。由式2可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变值就可以改变电压的平均值，从而达到调速的。 脉宽调采用定频率方式。系统中的定斩波频率为20Hz，而周期T=50ms。软件中利用定时的T2实现脉冲宽调制。如图所示，设占空比为，即t1/T， t1=T*单片机晶振为12Hz，T2工作于定时器方式，则在输出为高电压t1期间，定时器T2的定式时间常数为：。当T2定时到，再设定时器T2定时时间为t2。而时间常数。PWM斩波控制程序如下： MOV T2CON,#00H ;T2工作与定时器方式 SETB ET2 MOV TH2，#N1H MOV TL2，#N1L SETB TR2 SETB EA SETB P2.1 ;脉冲调制波输出 SETB 03H ; 位03H为标志位 T2INT：CPL 03H JB NOXT1 ;输出高电平？ MOV TH2，#N2H MOV TL2，#N2L CLR P2.0 AJMP NOXT2NOXT1：MOV TH2，#N1H MOV TL2，#N1LNOXT2：CLK TF2 RETI三、 电路与程序设计(一) 检测与驱动电路设计1. 电机驱动控制图5电机驱动控制原理图本系统在小车电机的控制部分利用C2073、A940等不同三极管的组合，构成一座“桥”，实现了对驱动电机的轻松控制。电机驱动电路如图5所示，其控制过程如下（P1.0为正反转控制端，P1.1为启停止控制端）。 电机的运行：当P1.0为低电平时，则Q7基极为低电平，由Q1构成的反向器使Q1集电极为高电平。于是，Q2、Q3、Q4导通，Q5、Q6、Q7截止。其中Q2为激励级，Q3、Q4为功放级。电流从+9v经Q3到电机“+”端再到“-”端最后经Q4入地端，电机正转。当P1.0为高电平时，则反之，Q5、Q6、Q7导通，Q2、Q3、Q4截止，电机反转。当P1.1为低点平时 Q1集电极和Q5基极均为低电平，电机停转。该“桥”的优点是原理简单、易控制、带负载能力强，在单片机的配合下，通过脉宽整流的方法，实现了对驱动电机的轻松调速，可以使电动车适应各种不同的电源。2. 路面探测模块发光管、光电管驱动电路如图6所示，小车在运动过程中，发光管发光并反射由光电管接受，产生使放大器的正向电压变化，经过电压比较器整形后送至单片机进行处理。 图6 光电检测原理图(二) 总体电路图 见附图二所示(三) 软件设计与工作流程图 软件主要由工作流程图来说明，系统工作流程图如附图三所示。四、 结果分析(一) 结果实现1. 经过测试，从A点出发22秒行驶到C点附近。2. 10秒钟跷跷板保持平衡。3. 15秒行驶到B点处。4. 32秒回到A点。5. 分阶段时间显示清楚。6. 平衡状态时，A、B两端与地面的距离差d=|dA-dB|<32mm,并有数字声光指示。(二) 创新发挥1. 距A点600mm的位置上，电动车准确自动上跷跷板。2. 在跷跷板上，取得平衡保持10秒以上。3. 重新移动配重块，电动车又取得平衡，保持10秒以上。4. 上述过程在两分26秒完成任务。5. 平衡状态时，A、B两端与地面的距离差d=|dA-dB|<32mm,并有数字声光指示。五、 参考文献1. 王小明.电动机的单片机控制.北京航空航天出版社.2002.052. 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计. 北京航空航天出版社.199050mm1600mm10mm10mm150mmBBCA附图一：电动车引导图：附图二：总电路图：附图三：主程序流程图基本功能流程图：发挥功能程序流程图：- 1 -