摘 要：介紹傾角傳感器AMEB002在自動(dòng)平衡系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)以AT89C52為控制核心，采用PWM技術(shù)對(duì)電動(dòng)小車進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)傾角傳感器測(cè)量的角度，電動(dòng)小車沿軌跡自動(dòng)在蹺蹺板上行駛，實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)參數(shù)并保存，系統(tǒng)平衡時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。詳細(xì)論述系統(tǒng)的硬件組成及各部分電路設(shè)計(jì)，給出系統(tǒng)的軟件流程和測(cè)試過(guò)程。利用傾角傳感器實(shí)現(xiàn)高精度的平衡控制是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：傾角傳感器；PWM；光電開(kāi)關(guān)；平衡調(diào)整

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1619203

Automatic Balance System Based on Obliquity Sensor

ZHAO Jian.1，WU Shunwei.1，REN Zhibo.2

(1.Taishan University，Taian，271021，China;2.Shandong University of Science and Technology，Taian，271000，China)

Abstract：This paper introduces the application of obliquity sensor AME-B002 in automatic balance system.The system uses AT89C52 as controlling core，adjusts speed of electromotion dolly adopting PWM，with angle measured by obliquity sensor，electromotion dolly runs on the seesaw following the contrail，shows and caves all parameters at times，sends out sounds and lights for alarm at time of balance.And discusses hardware constitutes and circuits design of all parts in detail，gives software flow and testing process of the system.Using obliquity sensor realizes high accuracy balance cortrol is the main innovation spot of system design.

Keywords：obliquity sensor;PWM;photoelectricity switch;balance adjust

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

1.1 傾角傳感器

采用傾角傳感器，測(cè)量蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，判斷其是否平衡。傳感器采用非接觸式傾角傳感器AMEB002。該傳感器的主要特點(diǎn)包括：角度范圍0°～360°；模擬輸出模式，電壓范圍0.5～＋4.5 V；分辨率12位，精度10位；溫度范圍－40°~＋100°；供電電壓5 V＋10％。傾角傳感器輸出模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到控制核心AT89C52。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的帶串行控制的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549。該芯片采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSB Max（4.8 mV）等特點(diǎn)。芯片輸出為串行信號(hào)，占用控制核心的口資源較少。傾角傳感器安裝在蹺蹺板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，將蹺蹺板的傾角信息實(shí)時(shí)傳送給控制核心，作為判斷蹺蹺板平衡的依據(jù)。

1.2 引導(dǎo)軌跡

為了讓電動(dòng)小車在蹺蹺板上沿直線運(yùn)動(dòng)，在板面上加入引導(dǎo)軌跡。引導(dǎo)軌跡采用黑色膠帶，寬度為20 mm，粘貼在蹺蹺板板面中間，其他部分為白色。電動(dòng)小車通過(guò)傳感器可以檢測(cè)黑線，并沿著軌跡前進(jìn)。

1.3 電動(dòng)小車

1.3.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用三極管設(shè)計(jì)的H橋型PWM電路。電路實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)彎和轉(zhuǎn)速控制。工作時(shí)用單片機(jī)控制三極管工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由于三極管工作在飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，效率非常高，其開(kāi)關(guān)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)。電路如圖2所示。在圖2中，當(dāng)Q₁，Q₄導(dǎo)通時(shí)，VCC正向加在直流電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q₂，Q₃導(dǎo)通時(shí)，VCC反向加在直流電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。圖2中4個(gè)二極管可以在控制電壓由低變高時(shí)，形成電動(dòng)機(jī)電圈感應(yīng)電壓的回路，起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用?？刂葡到y(tǒng)采用5 V電壓供電，因此若三極管基極直接由單片機(jī)控制，則控制電壓最高5 V，再加上三極管本身的壓降，加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4 V左右，減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。基于上述考慮，采用光電耦合器TLP521，將控制部分和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)，不僅增加了各模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。

1.3.2 軌跡檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測(cè)軌跡的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到反射光強(qiáng)弱判斷是否是黑線。采用反射式紅外發(fā)射接收傳感器，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)黑線的位置。在電動(dòng)小車的前方并排安裝3個(gè)反射式紅外發(fā)射接收傳感器，中間傳感器檢測(cè)到黑線表明小車沿著軌跡前進(jìn)；左邊傳感器檢測(cè)到黑線，表明小車向右偏離軌跡；右邊傳感器檢測(cè)到黑線，表明小車向左偏離軌跡。小車的后方并排安裝2個(gè)反射式紅外發(fā)射接收傳感器，與前方中間一個(gè)配合，確定倒車時(shí)小車軌跡。這樣，根據(jù)傳感器提供的小車運(yùn)行信息，及時(shí)對(duì)小車的前進(jìn)或倒車方向做出調(diào)整。

1.3.3 速度測(cè)量模塊

采用槽式光電開(kāi)關(guān)，測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速。該槽式光電開(kāi)關(guān)采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)適合檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體，并且它能分辨透明與半透明物體，使用安全可靠。小車車軸上固定槽式光電開(kāi)關(guān)，在車軸齒輪上均勻分布8個(gè)小孔，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小孔依次通過(guò)溝槽，光電開(kāi)關(guān)便得到通斷相間的高低電平信號(hào)，得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整形放大，發(fā)送至單片機(jī)，用來(lái)計(jì)算車速。根據(jù)測(cè)得的車速，算出平均值，乘上小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間便得到小車運(yùn)動(dòng)路程。

1.4 計(jì)時(shí)模塊

若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源；另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)的資源。系統(tǒng)采用專用時(shí)鐘芯片DS12C887，其特點(diǎn)：在掉電方式下持續(xù)工作十年以上，內(nèi)部包含鋰電池，時(shí)鐘和輔助電路系統(tǒng)，記量秒、分、小時(shí)、星期、日期、月、年和潤(rùn)年直到2100年，用二進(jìn)制或BCD碼表示時(shí)間，日歷和鬧鐘，地址、數(shù)據(jù)管腳復(fù)用，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，便于控制。

1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)中要存儲(chǔ)的信息包括小車速度、行駛時(shí)間、行駛路程、行駛狀態(tài)（前進(jìn)、后退、平衡）和調(diào)整平衡時(shí)間等。要求掉電后數(shù)據(jù)不丟失，一方面，小車行駛過(guò)程中突然斷電，上電后可以按照斷電前系統(tǒng)存儲(chǔ)的狀態(tài)繼續(xù)行駛；另一方面，便于分析小車行駛狀態(tài)參數(shù)，特別是小車自動(dòng)調(diào)整平衡過(guò)程中小車狀態(tài)參數(shù)。

系統(tǒng)采用AT24C02作為存儲(chǔ)芯片。AT24C02 是一個(gè)2 k位串行E.2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8 位字節(jié)，通過(guò)I.2C總線接口進(jìn)行操作，占用單片機(jī)接口少，1.8 ~6.0 V工作電壓范圍， 1百萬(wàn)次編程/擦除周期，可保存數(shù)據(jù)100 年。

1.6 電源模塊

方案1：?jiǎn)我浑娫垂╇姟？刂瓢搴碗姍C(jī)驅(qū)動(dòng)板使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單組電源（可充電電池）。這樣供電比較簡(jiǎn)單；但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電；

方案2：雙電源供電。6 V可充電池為單片機(jī)系統(tǒng)供電，1節(jié)9 V電池為電動(dòng)機(jī)供電。將電動(dòng)機(jī)電源與單片機(jī)以及其周邊電路完全隔離，利用光電偶合器傳輸信號(hào)。這樣可以將電動(dòng)機(jī)工作所造成的干擾徹底消除，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，系統(tǒng)采用雙電源供電。

1.7 聲光提示模塊

系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)出聲光提示信息。聲音提示由ISD1400芯片提供，它有20 s的錄放時(shí)間。事先將“系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)”語(yǔ)音信息存儲(chǔ)到ISD1400芯片內(nèi)部，系統(tǒng)平衡時(shí)播放。光提示由發(fā)光二極管提供，發(fā)光二極管閃爍表示系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程圖

從起始點(diǎn)到平衡狀態(tài)流程圖，如圖3所示。

2.2 關(guān)鍵部分軟件調(diào)試

2.2.1 平衡調(diào)整

使蹺蹺板達(dá)到平衡是本設(shè)計(jì)控制最復(fù)雜且要求實(shí)時(shí)性較高的部分。要達(dá)到平衡，需要多次微調(diào)小車位置，采用兩級(jí)減速的方法實(shí)現(xiàn)。

一級(jí)減速 在蹺蹺板中點(diǎn)之前設(shè)置黑線作為減速標(biāo)志，小車檢測(cè)到黑線立即減速。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，減速標(biāo)志設(shè)置在距蹺蹺板中點(diǎn)50 mm處，其寬度為20 mm，與小車行駛方向垂直。減速后，小車速度v=10 mm/s。

二級(jí)減速 根據(jù)傾角傳感器提供的蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)角度，微調(diào)小車位置。小車在出發(fā)點(diǎn)時(shí)，蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)角度值（傾角傳感器輸出經(jīng)TLC1549轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量）設(shè)為m₀，經(jīng)測(cè)試此值在全過(guò)程中最?。恍≤囋谛旭傊?，蹺蹺板轉(zhuǎn)動(dòng)角度值設(shè)為m。當(dāng)m-m₀大于等于3時(shí)，二級(jí)減速，使小車速度v=5 mm/s。循環(huán)讀取m值，判斷m-m₀大小，處理如表1。

2.2.2 小車速度計(jì)算

用單片機(jī)的定時(shí)器T1計(jì)算槽式光電開(kāi)關(guān)輸出的脈沖個(gè)數(shù)。T1工作在方式2，初始值TH1=0，TL1=0。產(chǎn)生一次T1溢出中斷，變量count加1。定時(shí)器T0定時(shí)1 s。1 s到達(dá)時(shí)計(jì)算脈沖總數(shù)，公式如為N=count*65 536+TH1*256+TL1。車輪上均勻分布8個(gè)小孔，則路程計(jì)算公式為S=N/8*L，其中L=215 mm為車輪周長(zhǎng)。速度v=S=N/8*215，單位為mm/s。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試設(shè)備

蹺蹺板：總長(zhǎng)AB=1 600 mm， 寬度300 mm，C為中點(diǎn)，平衡時(shí)距地面70 mm，小車從A點(diǎn)出發(fā)，AC之間下方可放配重物體。示意圖如圖4所示。

小車：長(zhǎng)250 mm，寬150 mm。卷尺：精度1 mm。秒表：精度0.01 s。

3.2 測(cè)試過(guò)程

3.2.1 無(wú)配重測(cè)試

小車起始速度20 mm/s，無(wú)配重，從A點(diǎn)出發(fā)，達(dá)到平衡時(shí)，保持5 s，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)到B點(diǎn)，停留5 s，倒車，返回到A點(diǎn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2。

3.2.2 有配重測(cè)試

小車起始速度20 mm/s，無(wú)配重，從A點(diǎn)出發(fā)，達(dá)到平衡時(shí)，在AC之間加配重，重量70 g，小車重新找平衡，平衡時(shí)保持5 s，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)到B點(diǎn)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在硬件上，使用高精度的傾角傳感器，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性；PWM技術(shù)的使用則解決了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率問(wèn)題。軟件上充分利用AT89C52的控制和運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了路面檢測(cè)、速度控制、傾角測(cè)量和復(fù)雜的速度計(jì)算等功能。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［3］馮建華，趙亮.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介 趙 健 男，1982年出生，助教，在讀碩士研究生。主要從事計(jì)算機(jī)及電子應(yīng)用方面的教學(xué)與科研工作