摘 要：介紹電動(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)電路、尋跡檢測(cè)電路、平衡檢測(cè)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼顯示電路等。在系統(tǒng)中，以AT89S52單片機(jī)為電動(dòng)小車控制核心，使用反射式紅外發(fā)射接收器來(lái)檢測(cè)軌跡，步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)向控制，用2個(gè)水銀開關(guān)控制完成平衡狀態(tài)的檢測(cè)，用數(shù)碼管分階段實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)車行駛所用時(shí)間。3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這里所提出的平衡檢測(cè)方案是有效可行的。

關(guān)鍵詞：尋跡檢測(cè)電路；步進(jìn)電機(jī)；蹺蹺板系統(tǒng)；平衡檢測(cè)電路

中圖分類號(hào)：TP271.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)24-163-03

Design of Seesaw System with Electric Vehicle Based on AT89S52 Single Chip Computer

ZHANG Jianhua，CHEN Yue，XIONG Yongchao

(Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou，221008，China)

Abstract：Design and implementation of seesaw system based on electric vehicle are introduced.The control system consists of AT89S52 single chip computer system，autonomous tracing circuit，balance detection circuit，driving circuit of stepping motor and LED display circuit.Centering on AT89S52，the track detection is realized by reflective infrared emitter and receiver and the steering of the vehicle is driven by stepping motor.The detection of balance state is implemented by two mercury switches and the travel time is displayed with LED separately.The scheme is proved to be effective and practical by experimental results during three tests.

Keywords：autonomous tracing circuit;stepping motor;seesaw;balance detection circuit

1 引 言

2007年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的F題目是 “電動(dòng)車蹺蹺板”^［1］；題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電動(dòng)車蹺蹺板，使得電動(dòng)小車從圖1所示蹺蹺板起始端A出發(fā)在30 s內(nèi)到達(dá)中心點(diǎn)C并保持平衡5 s，之后在30 s內(nèi)到達(dá)蹺蹺板末端B并停留5 s，最后在1 min內(nèi)退回到起始端A。在整個(gè)行駛過(guò)程中，電動(dòng)車始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)車行駛所用的時(shí)間。所要求平衡的定義為A，B兩端與地面的距離差d=∣dA-dB∣不大于40 mm。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)競(jìng)賽要求電動(dòng)小車設(shè)計(jì)車體長(zhǎng)為26 cm，寬為18 cm，電動(dòng)小車采用左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)、萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案，即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩相同的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，萬(wàn)向輪安裝在聚乙烯底板的前部。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得小車在運(yùn)動(dòng)時(shí)比較平穩(wěn)。

AT89S52單片機(jī)采用CHMOS工藝及高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，內(nèi)部包括1個(gè)8位CPU，1個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位并行I／O口， 8個(gè)中斷源，1個(gè)可編程全雙工串行口，8 kB可插除FLASH和256 B的RAM，且內(nèi)置看門狗電路，一旦程序跑飛則復(fù)位系統(tǒng)^［2］。因此，設(shè)計(jì)中采用8位AT89S52單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)工作，同時(shí)它還不斷處理紅外對(duì)管傳感器送來(lái)的地面標(biāo)志信號(hào)，這些信號(hào)主要控制小車的加速、減速、限速、剎車、倒車等狀態(tài)。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中當(dāng)利用片內(nèi)的定時(shí)器作為小車行駛計(jì)時(shí)，并為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)集成電路提供時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，電動(dòng)車上的水銀開關(guān)傳感器根據(jù)擺動(dòng)裝置的擺動(dòng)狀態(tài)來(lái)反饋小車的平衡位置，能夠很好地反映小車在翹翹板上的運(yùn)動(dòng)情況。系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)主要包括以下部分。

2.1 電源模塊

方案一：采用12 V蓄電池作為電源。蓄電池雖然具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，但是蓄電池的體積較大且較重，如若采用蓄電池則電動(dòng)小車重心控制較難。

方案二：采用11.1 V /2 200 mAh可充電式鋰電池作為電源，經(jīng)LM7805電壓變換電路為單片機(jī)供電。采用鋰電池供電后，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，且電池的體積較小，重量也較小，能夠滿足系統(tǒng)的要求，因此采用方案二。

2.2 傳感器的選擇

方案一：用紅外發(fā)射管和接收管作為尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則輸出高電平。但是紅外對(duì)管工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響。

方案二：用RPR220型光電對(duì)管。RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管。如圖3所示，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通運(yùn)算放大器輸出高電平。該光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，因此這里選擇方案二。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑方便，調(diào)整范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)。但是制動(dòng)、反轉(zhuǎn)慣性大，精密度低，控制起來(lái)比較困難，很難達(dá)到近距離調(diào)速的目的。

方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)控制角位移量，通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于步進(jìn)電機(jī)能夠較好地滿足系統(tǒng)要求，因此選擇此方案。系統(tǒng)中采用常州寶來(lái)電器有限公司生產(chǎn)的42BYGH023型步進(jìn)電機(jī)，采用BL-210驅(qū)動(dòng)器^［3］驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，其步距角可通過(guò)驅(qū)動(dòng)器上的細(xì)分開關(guān)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 平衡檢測(cè)電路

方案一：采用角度傳感器或傾角傳感器。角度傳感器價(jià)格較貴，也不容易控制，對(duì)微小的角度變化不敏感。

方案二：采用霍爾元件集成片和無(wú)線發(fā)射模塊。把磁鐵放在蹺蹺板的一端，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，可以產(chǎn)生電流的變化，然后通過(guò)無(wú)線電把信號(hào)發(fā)送給小車上的接收模塊，單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)來(lái)控制小車的前進(jìn)或后退，以達(dá)到平衡的目的，如圖1所示。

方案三：采用水銀水平開關(guān)來(lái)控制。該系統(tǒng)中，在小車上裝一對(duì)水銀開關(guān)，位置如圖4所示。小車上坡時(shí)開關(guān)2接通開關(guān)1斷開P2.0，P2.1輸出10信號(hào)，小車前進(jìn)。小車下坡時(shí)開關(guān)1接通開關(guān)2斷開P2.0，P2.1輸出01信號(hào)，小車后退，從而使小車在平衡處附近來(lái)回運(yùn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

2.5 數(shù)碼顯示電路

方案一：采用LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點(diǎn)：工作電流比LED小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故其功耗很低；尺寸小厚度薄，顯示精美。但其控制比較復(fù)雜。

方案二：采用LED數(shù)碼顯示器。LED數(shù)碼管亮度高，醒目。原理簡(jiǎn)單易于控制。由于顯示模塊只是用來(lái)顯示時(shí)間，都為一些數(shù)字，這就使數(shù)碼管的使用變成了可能。本設(shè)計(jì)采用第二種方案。

2.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)小車的控制器使用Atmel公司生產(chǎn)的 AT89S52，采用Keil軟件用C語(yǔ)言^［4］編程實(shí)現(xiàn)。在程序設(shè)計(jì)中，采用定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)時(shí)間的分階段實(shí)時(shí)顯示。在小車前進(jìn)同時(shí)，通過(guò)光電管實(shí)時(shí)調(diào)整小車的狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡位置時(shí)，調(diào)用平衡調(diào)整子程序直至給出平衡標(biāo)示。通過(guò)P3.2檢測(cè)小車到達(dá)蹺蹺板末端后，停留5 s后，調(diào)用小車后退子程序使小車返回起始點(diǎn)，完成整個(gè)設(shè)計(jì)要求。

所設(shè)計(jì)的軟件的主程序流程圖如圖5所示。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

對(duì)于電動(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)，進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，用電子秒表分別測(cè)量起始端A到平衡點(diǎn)C的時(shí)間、平衡點(diǎn)平衡時(shí)間TC、平衡點(diǎn)C到末端B的時(shí)間TCB以及末端B到起始點(diǎn)A的時(shí)間TBA，測(cè)量結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，各段行駛時(shí)間符合大賽基本要求。但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，由于單片機(jī)要完成尋跡檢測(cè)、電機(jī)控制和實(shí)時(shí)顯示等任務(wù)，LED顯示不太穩(wěn)定有閃爍現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，3次實(shí)驗(yàn)測(cè)量蹺蹺板始端A、末端B與地面的距離差分別為5 cm，4 cm和3 cm，結(jié)果表明距離差符合大賽要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)的蹺蹺板系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用光電實(shí)時(shí)尋跡，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車的前進(jìn)與后退，以LED實(shí)時(shí)分階段顯示所用時(shí)間，并能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)找到蹺蹺板的平衡位置，設(shè)計(jì)完全滿足大賽的基本要求，最后獲得全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽江蘇賽區(qū)二等獎(jiǎng)。但由于大賽時(shí)間有限，本次大賽未能完成發(fā)揮部分的內(nèi)容，且LED實(shí)時(shí)顯示亮度不夠有閃爍現(xiàn)象。如果采用2個(gè)單片機(jī)協(xié)同完成控制任務(wù)，或采用高性能的AVR單片機(jī)^［5］作為控制器，控制效果應(yīng)能進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

［1］全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).電動(dòng)車蹺蹺板（F題）［DB/OL］.http://www.nuedc.com.cn/exam/2007/F.htm，2007.

［2］孫育才.Atmel新型AT89S52系列單片機(jī)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］常州寶來(lái)電器有限公司.BL-210說(shuō)明書［DB/OL］.http://www.baolai-cn.com/productshow.asp?showid=153，2006.

［4］趙亮，侯國(guó)銳．單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例［M］．北京：人民郵電出版社，2002.

［5］錢平.伺服系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［6］盧文科，朱長(zhǎng)純，方建安.霍爾元件與電子檢測(cè)應(yīng)用電路.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［7］趙亮，侯國(guó)銳.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例.北京：人民郵電出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介 張建化 男，1979年出生，河南靈寶人，助教，碩士。主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。