基于STC89C52單片機的電動車蹺蹺板的設計論文

1、 電動車蹺蹺板摘要：本設計采用兩片stc89c52單片機作為電動車的檢測和控制核心，實現(xiàn)電動車在蹺蹺板上行駛、平衡，選擇正確的行進路線、倒退等功能。電路分為路面檢測模塊，平衡控制模塊，電機驅動模塊，顯示模塊，速度方向控制模塊等幾部分。路面檢測模塊采用反射式紅外發(fā)射-接收器來檢測黑線；平衡控制模塊采用角度傳感器；電機驅動模塊通過單片機輸出相應控制信號，靈活方便地對車速進行控制；轉向控制模塊通過兩個步進電機的轉速差實現(xiàn)小車的轉向。步進電機控制核心采用stc89c52單片機，與主系統(tǒng)之間通過串行通信來實現(xiàn)同步控制。采用穩(wěn)定且獨特的軟件算法，實現(xiàn)了對小車在行進過程中的運動位置、速度、運動方向和運動時間

2、等的精確控制。關鍵詞：智能控制 電動車 蹺蹺板 步進電機 平衡控制 光電檢測一、 系統(tǒng)方案論證1.1題目解析根據題目要求，系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號檢測部分。其中控制部分包括：電機驅動模塊，顯示模塊，控制器模塊，計時和狀態(tài)標志模塊。信號檢測部分包括：平衡控制模塊，路面檢測模塊。電機驅動模塊可以選擇集成電機驅動芯片l298n，顯示模塊可以選擇液晶或者數碼管，平衡控制模塊可以選擇角度傳感器，路面檢測模塊可以選擇光電傳感器。1.2各種方案比較與選擇方案一：方案一系統(tǒng)方框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)方框圖方案一采用atmel公司的at89s52作為核心控制器，傳感器輸出的信號通過單片機的處理，實現(xiàn)液晶顯示

3、，電機驅動電路采用pwm技術控制直流電機的速度和轉向。但迫于其mcu功能和速度有限，沒有足夠的剩余資源用來做進一步的開發(fā)。再者，雖然直流電機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣，但精度不高，快速啟動性能較差；根據題目要求，要使電動車爬上蹺蹺板，需使電動車具有快速啟動性能，若采用直流電機則很難達到題目要求。方案二：方案二系統(tǒng)方框圖如圖2 所示。圖2系統(tǒng)方框圖方案二采用fpga（現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。采用左右雙步進電機控制兩邊的后輪，用左右電機的轉速差來控制轉向。fpga可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且

4、可應用eda軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。由檢測模塊輸出的信號并行輸入fpga，fpga通過程序設計控制小車做出相應的動作，但由于本設計對數據處理的速度要求不高，fpga的高速處理的優(yōu)勢得不到充分的體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路圖布線復雜，加重了電路設計和實際焊接工作。方案三：方案三系統(tǒng)方框圖如圖3所示。圖3系統(tǒng)方框圖方案三 本方案基于模塊化思想，采用兩片stc89c52單片機作為小車的控制核心，一片stc89c52單片機控制兩個電機，另一片stc89c52單片機用于其余的控制。兩片單片機之間通過串行通信來實現(xiàn)同步控制。采用左右雙步進電機控制兩

5、邊的后輪，用左右電機的轉速差來控制轉向。各傳感器信號經單片機綜合分析處理，同時顯示行駛階段和時間。本方案中所采用的mcustc89c52是宏晶推出的性價比極高的單片機，具有8k以上的大容量rom可供程序編寫，這極大方便了液晶這樣需要大容量信息存儲的硬件的使用。而且這款基于mcs-51內核的單片機支持isp下載，在工作時可以不分頻，速度是加同樣晶振的普通51的12倍，況且這種單片機的功耗又很低，能夠滿足題目要求。對比以上三種方案，第一種方案在mcu上性能不足，很難達到預期的設計要求。而第二種方案在控制和設計上難度較大。綜合比較后，我們決定采用第三種方案。二、系統(tǒng)硬件設計2.1系統(tǒng)總體設計經過仔細

6、分析和論證，決定系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1） 控制器模塊：采用兩片stc89c52單片機控制；（2） 平衡控制模塊：采用角度傳感器；（3） 路面檢測模塊：采用光電傳感器；（4） 方向控制模塊：采用兩個步進電機；（5） 電機驅動模塊：采用集成電機驅動芯片l298n； （6） 計時顯示模塊：采用液晶顯示器； 設計完畢的整體系統(tǒng)結構圖如圖4所示。圖4 整體系統(tǒng)結構圖2.2主要單元電路的設計2.1.1 微控制器模塊的設計我們利用自己制作的stc89c52單片機最小系統(tǒng)板作為控制模塊。stc89c52單片機最小系統(tǒng)板原理圖見附錄。2.2.2 電機驅動電路的設計電機驅動電路控制安裝在左右后輪的兩個步進

7、電機，實現(xiàn)智能小車的前進后退和轉向。驅動電路原理圖見附錄。考慮到電壓、電流的等級尺寸、外觀等因素，采用l298n構成的電機驅動電路。l298n驅動芯片是性能優(yōu)越的小型電機驅動芯片之一，是一種高壓，大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準ttl邏輯電平信號和驅動電感負載的，例如繼電器，圓筒形線圈，直流電動機和步進電動機。在44.6v的電壓下，可以提供2a的驅動電流。l298n芯片具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號的影響。每個橋的三極管的射極是連接在一起的，相應的外接線端可用來連接外設傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。l298n還有過熱自動關斷功能，并有反饋電流檢測功能，符合電

8、機驅動的需要。 l298n原理方框圖如圖6 所示。圖6 l298n原理方框圖電路的控制邏輯如表2所示。表2 電路的控制邏輯輸入功能ven = 1c = 1 ， d = 0正轉c = 0 ， d = 1反轉c = d快停ven = 0c，d任意自由停止只要通過控制電路對c、d兩個輸入端輸入ttl電平的0或1即可控制電機的正轉、反轉及停止。當向c、d兩端輸入同樣電平時，可實現(xiàn)電機的快速停止。2.2.3路面檢測電路的設計根據題目，小車在起始端300mm以外，90扇形區(qū)域內某一指定位置自動駛上蹺蹺板，要求小車根據路面自動調整方向，回到蹺蹺板的運動軌跡上，系統(tǒng)需要將車體的運動狀態(tài)及時地以電信號的形式反饋

9、到控制部分，控制部分控制兩個電機的速度、正轉或反轉。 本設計中總共使用三個集成的反射式光電傳感器tcrt5000裝在車體的前方。反射式光電傳感器電路原理圖如圖7所示。圖7 反射式光電傳感器電路原理圖2.2.4平衡控制電路的設計本設計中采用角度傳感器wyh-1判斷電動車在蹺蹺板上所處的位置，wyh-1角度傳感器采用新型磁敏感元件，將機械轉動或角位移轉化為電信號輸出，可無電觸點的測量轉動角度的變化，輸出模擬電壓信號。與線繞式、金屬膜式、導電膜式結構相比，具有特點無觸點、高靈敏度、極長壽命、高可靠性、360連續(xù)轉動等特點?；局笜巳绫?所示。 表3角度傳感器wyh-1基本指標型 號工作電壓線性量程靈

10、敏度溫度系數分辨率wyh-1dc3.3v8v4540mv/10.01/連 續(xù)輸出特性曲線如圖8所示。圖8 輸出特性曲線三、系統(tǒng)軟件設計3.1 主程序流程圖主程序流程圖如圖9所示。圖9 主程序流程圖四、系統(tǒng)功能測試4.1 測試儀器及設備測試儀器及設備如表4所示。表4 測試儀器及設備儀器名稱型號數量直流穩(wěn)壓電源df1731sl3a 1雙蹤示波器ds5022m1電腦 3萬用表ut8032卷尺1秒表14.2 功能測試 4.2.1 基本功能測試我們在硬件和軟件部分制作完成后，對系統(tǒng)進行了測試，共進行8次，所得數據如表5。表5 電動車蹺蹺板測試數據記錄（基本部分）測試次數 第1次第2次第3次第4次第5次第

11、6次第7次第8次駛到中心點時間（s)89889898達到平衡時間( s) 5051525053515253測試結果成功成功成功成功成功成功成功成功成功率接近100%，數碼管顯示正常，整體性能非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)越界現(xiàn)象。4.2.2 發(fā)揮功能及其他功能測試 我們在完成基本部分后，又完成了發(fā)揮部分的要求，電動車能夠自動駛上蹺蹺板，并在蹺蹺板上取得平衡。測試8次，所得數據如表6。表6 電動車蹺蹺板測試數據記錄（發(fā)揮部分）測試次數 第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8 次是否達到平衡是是是是是是是是平衡保持時間（s） 56865868測試結果成功成功成功成功成功成功成功成功 成功率接近100%

12、，數碼管顯示正常，整體性能非常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)越界現(xiàn)象。五、結論經過對系統(tǒng)的光電檢測部分、驅動電路、角度傳感器等的測試，本設計能夠達到設計制作的要求。 六、致謝 在為期四天三夜的比賽過程中，我們克服了種種困難，完成了題目的基本要求和發(fā)揮部分，自身得到了極大的鍛煉，使我們的工作能力，實踐能力，集體協(xié)作能力得到了很大的提高。感謝大賽組委會為我們提供參加電子設計大賽的機會，感謝隊友們的大力支持，感謝學校為我們的成才所付出的努力。謝謝。附錄附錄1 總電路原理圖微控制器模塊原理圖電機驅動電路原理圖附錄2 印刷電路板圖最小系統(tǒng)板pcb圖附錄3 配件表最小系統(tǒng)板元件列表名稱規(guī)格封裝數量mcustc89c52d

13、ip401芯片74hc573dip201發(fā)光二級管黃、綠e080511數模轉換器dac0832dip201模數轉換器adc0832dip201芯片max232dip161串口db9db9sle1按鍵浮動key-411電位器10k2電位器2k1電阻1kaxial-0.45電阻10kaxial-0.44晶振12mhz1瓷片電容30p08053瓷片電容10408056電解電容10uf/16vcapj2排針若干電機驅動電路元件列表規(guī)格封裝數量mcustc89c52dip401芯片l298ndip152穩(wěn)壓芯片78l05bcy-w3/e41穩(wěn)壓二極管in4007bat-216電阻200axial-0.42瓷片電容33pcapr2.54-5.1x3.23電解電容10uf/25vcappr2-5x6.81排阻10khdr1x91晶振24mhzdip21散熱片1排針若干光電傳感器電路元件列表規(guī)格封裝數量光電傳感器tcrt50003電位器202vr53電阻10kaxial-0.43排針若干目 錄一、