張志強(qiáng),陳 丹,程道來(lái),儀垂杰

摘 要:為設(shè)計(jì)一可以在蹺蹺板上自動(dòng)找到平衡的電動(dòng)小車,采用凌陽(yáng)SPCE061A作為電動(dòng)車的控制核心,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),將無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器加重錘改造后自制成角度傳感器檢測(cè)平衡點(diǎn),黑線作為方向引導(dǎo),車載LCD為狀態(tài)顯示界面,并由相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)進(jìn)行平衡提示,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車自動(dòng)尋找蹺蹺板和板上平衡點(diǎn)的自動(dòng)尋找等功能。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證,電動(dòng)車均能很好地找到蹺蹺板上的平衡點(diǎn),證明該設(shè)計(jì)方案可行。該設(shè)計(jì)新思想具有簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:SPCE061A;平衡點(diǎn);角度傳感器;尋線;LCD;語(yǔ)音

中圖分類號(hào):U469.72;TP273+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-106-04

Design and Realization of Electric Vehicle on Seesaw with Sunplus SPC061A Control Core

ZHANG Zhiqiang1,3,CHEN Dan2,CHENG Daolai3,YI Chuijie1

(1.Qingdao R&D; Center of Energy and Environment,Qingdao Technological University,Qingdao,266033,China;

2.School of Computer Science and Technology,Beijing Technology and Business University,Beijing,100037,China;

3.School of Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai,200233,China)

Abstract:To design an electric vehicle which could search balance on seesaw,Sunplus SPCE061A as the control core of the electric vehicle in the design,driven by DC motor,and the non-contact magnetic potentiometer modified with small hammer is made into the angle sensor to detect equilibrium point.Black line guiding scheme is used to make electric vehicle automatically find seesaw and balance board.Vehicle-load LCD board is adopted as status display screen in the system.The corresponding voice broadcast balance is indicated.The design function is implemented and tested repeatedly,results are good.The new design idea of the electric vehicle on seesaw is brought forward,it has the characteristics of briefness,convenience and practicality.

Keywords:SPCE061A;balance point;angle sensor;LCD;voice

在多次全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽中,電動(dòng)車的設(shè)計(jì)一直都是熱點(diǎn),從歷屆的電動(dòng)車設(shè)計(jì)作品來(lái)看,電動(dòng)車的車體往往做得大而重,且常常需要依靠車體以外的模塊輔助才能完成,這對(duì)于車來(lái)說(shuō)就不夠智能化了。本文中電動(dòng)車設(shè)計(jì)所采用的方案,車體小巧靈活,不需借助任何的附加設(shè)備即可工作,而且對(duì)蹺蹺板的要求很低。

1 總方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分[1]。其中,控制部分由控制器模塊、電源模塊、電機(jī)模塊、顯示模塊、語(yǔ)音模塊等模塊構(gòu)成;信號(hào)檢測(cè)部分由平衡檢測(cè)模塊、引導(dǎo)模塊構(gòu)成。采用單控制器,控制器和角度傳感器直接安裝在車體上,角度傳感器的角度信號(hào)傳送給控制器,控制器根據(jù)信號(hào)來(lái)判斷電動(dòng)車當(dāng)前的狀態(tài),做出相應(yīng)的反應(yīng)(前進(jìn)、后退、停車、平衡指示等)。采用單控制器使小車能夠更加靈活的行駛,避免了長(zhǎng)信號(hào)線或者無(wú)線通信帶來(lái)的信號(hào)采集不準(zhǔn)確問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),證明車體能夠輕松找到平衡點(diǎn)。

系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

該設(shè)計(jì)電動(dòng)車蹺蹺板實(shí)物圖如圖2所示,從中可以看到,現(xiàn)在電動(dòng)小車的狀態(tài)為平衡點(diǎn)附近,這是因?yàn)檐E蹺板的平衡是一種絕對(duì)的動(dòng)態(tài)平衡,即平衡時(shí),小車在板上平衡點(diǎn)做振動(dòng)運(yùn)動(dòng),因?yàn)檫@樣的運(yùn)動(dòng)幅度非常小,可以認(rèn)為是一種偽靜態(tài)。

圖2 電動(dòng)車蹺蹺板實(shí)物圖

2 各模塊具體實(shí)現(xiàn)方案及硬件電路

2.1 車體設(shè)計(jì)及電機(jī)控制模塊

該設(shè)計(jì)采用的車體由鋁合金車架及兩個(gè)直流電機(jī)組成,具有堅(jiān)固穩(wěn)定的特點(diǎn),并且直流電機(jī)帶有驅(qū)動(dòng)電路及減速箱,減速箱的減速比為64∶1。設(shè)計(jì)中使用L298搭建了驅(qū)動(dòng)電路,經(jīng)過(guò)調(diào)試車速可以分級(jí)控制。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 控制器模塊

該設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī),SPCE061A是16位結(jié)構(gòu)的微控制器。該單片機(jī)具有驅(qū)動(dòng)能力高和集成度高,易擴(kuò)展,可靠性高,功耗低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。SPCE061A的CPU時(shí)鐘為032~49152 MHz,內(nèi)置32 KB FLASH和2 KWords的SRAM,速度可以滿足電機(jī)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求; SPCE061A還可以通過(guò)在線調(diào)試器Probe和EZ Probe實(shí)現(xiàn)在線程序下載和調(diào)試,極大地提高開(kāi)發(fā)效率;另外SPCE061A尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域,可方便地用來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放,只要調(diào)用庫(kù)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)音頻編程,可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放功能,比別的單片機(jī)更有特色。因此選擇此方案。

2.3 電源模塊

該設(shè)計(jì)采用6節(jié)1.2 V可充電式鎳氫電池串聯(lián)共7.2 V給直流電機(jī)和傳感器供電,經(jīng)過(guò)7805的電壓變換后為單片機(jī)供電。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用此種供電方式后,只有一組電源,便于安裝,且直流電機(jī)工作良好,單片機(jī)、傳感器的性能穩(wěn)定。電路原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 電源電路

2.4 引導(dǎo)模塊

該系統(tǒng)采用黑線引導(dǎo)法,在地面和蹺蹺板上均畫(huà)有黑線,用尋跡的方式引導(dǎo)電動(dòng)車。尋跡采用RG149A光電對(duì)管。RG149A通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)的不同來(lái)區(qū)分黑白,信號(hào)經(jīng)LM324整形[2]后傳輸給控制器。LM324需外接一個(gè)滑動(dòng)變阻器,以找到合適的阻值,使得輸出高低電平信號(hào)能被正確識(shí)別。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),尋線效果良好,在直線和彎道都能很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)尋線,而且該管市面上容易購(gòu)得。其硬件電路圖見(jiàn)圖5。

圖5 RG149A對(duì)管檢測(cè)電路

2.5 語(yǔ)音模塊

在語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)中直接使用凌陽(yáng)61A板自帶語(yǔ)音模塊。正如前文介紹,61 板具有強(qiáng)大的語(yǔ)音處理功能,擁有語(yǔ)音的MIC 輸入端,自帶自動(dòng)增益(AGC)控制, 具有語(yǔ)音輸出接口,可外接喇叭。根據(jù)音頻處理模塊功能的強(qiáng)弱,在錄制語(yǔ)音時(shí),需要選擇采樣率和音頻格式,同時(shí)還要注意音頻文件的大小。

2.6 顯示模塊

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的64×128液晶顯示屏模塊,該模塊自帶液晶顯示驅(qū)動(dòng),只需在程序中建立相應(yīng)字庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)顯示。因?yàn)樵陲@示模塊上的工作可以近似認(rèn)為是一種實(shí)時(shí)性的,并且數(shù)據(jù)量大,這就需要在軟件的編寫(xiě)上進(jìn)行合理的安排,以使CPU及時(shí)響應(yīng)和協(xié)調(diào)各功能子模塊的正常工作。

2.7 平衡模塊

該設(shè)計(jì)使用無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器自制重錘角度傳感器。在電位器上加一重錘,通過(guò)重錘的擺動(dòng)角度帶來(lái)電位器角度的變化,以實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的測(cè)量。該角度傳感器安裝在電動(dòng)車上,當(dāng)蹺蹺板處在非平衡狀態(tài)時(shí),車體的傾斜角度反映在重錘的轉(zhuǎn)角上,再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將角度信號(hào)采集到處理器中進(jìn)行相關(guān)的處理。在本設(shè)計(jì)中,有三個(gè)關(guān)鍵角度值,即蹺蹺板上平衡區(qū)間的兩端點(diǎn)角度值和平衡區(qū)間中的實(shí)際中點(diǎn)值。小車在自動(dòng)找平衡時(shí),是根據(jù)平衡區(qū)間的端點(diǎn)值判斷自己是否處于平衡區(qū),是則調(diào)用平衡區(qū)功能函數(shù)進(jìn)行工作,直到最終找到真正平衡點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)論證,小車能夠快速準(zhǔn)確地尋找到平衡點(diǎn)。原理圖及實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

圖6 角度傳感器實(shí)物圖及應(yīng)用電路

3 程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 理論分析與計(jì)算

4.1 角度傳感器原理

當(dāng)電動(dòng)車處于水平狀態(tài)時(shí)(此時(shí)蹺蹺板平衡),角度傳感器重錘成自然下垂?fàn)顟B(tài),此時(shí)得到一電壓值作為基準(zhǔn)電壓;而當(dāng)電動(dòng)車處于非水平狀態(tài)時(shí)(此時(shí)蹺蹺板失衡),重錘會(huì)隨著蹺蹺板的傾斜角度而偏離原位置一定角度,從而產(chǎn)生電壓信號(hào)的變化,控制器根據(jù)電壓信號(hào)變化及趨勢(shì)來(lái)控制電機(jī)。

在本系統(tǒng)中當(dāng)角度傳感器的工作電壓為3.3 V時(shí),則應(yīng)用角度傳感器關(guān)鍵值可以參照表1。

表1 傾角與對(duì)應(yīng)電壓值關(guān)系V

角度上坡最大傾角下坡最大傾角完全平衡點(diǎn)電壓值小車動(dòng)態(tài)平衡電壓范圍

電壓2.2552.2422.2322.221~2.213

4.2 過(guò)程邏輯計(jì)算

在不加配重情況下,電動(dòng)車從起始A出發(fā)到中心平衡點(diǎn)C的過(guò)程中,小車從A點(diǎn)快速前行至超過(guò)平衡點(diǎn)的下降點(diǎn)處,會(huì)檢測(cè)到傾斜角度電壓值有突然減小趨勢(shì)。此時(shí),小車停止使角度傳感器穩(wěn)定,之后小車根據(jù)傾角傳感器的電壓值倒車至平衡點(diǎn)附近,然后以小速度不斷調(diào)整尋找實(shí)際平衡點(diǎn),直至平衡。

實(shí)際執(zhí)行方案:先快速前行,當(dāng)電壓信號(hào)(設(shè)為c)小于等于2.232 V時(shí),快速倒車(只執(zhí)行一次,用標(biāo)志位判斷),此后的所有情況為:

當(dāng)c≥2.253 V時(shí),前進(jìn);

當(dāng)c<2.232 V時(shí),后退;

當(dāng)2.232 V

當(dāng)2.238 V

5 創(chuàng)新發(fā)揮與結(jié)果分析

5.1 創(chuàng)新發(fā)揮

該電動(dòng)小車具有語(yǔ)音播報(bào)與語(yǔ)音識(shí)別功能。

(1) 口令控制電動(dòng)車開(kāi)始行進(jìn),有無(wú)配重的兩種情況,通過(guò)不同的口令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2) 語(yǔ)音播報(bào)電動(dòng)車工作狀態(tài),例如到達(dá)平衡、到達(dá)B點(diǎn)等情況。

(3) 語(yǔ)音提示加載第二塊配重和加載完畢。

同時(shí),該小車具有同步顯示電動(dòng)車的里程信息及速度等功能。通過(guò)RG149A光電對(duì)管掃描車輪上的8個(gè)孔來(lái)計(jì)算電動(dòng)車行駛的距離。本系統(tǒng)的車輪周長(zhǎng)為21.336 cm,設(shè)n為掃描的孔數(shù),則掃描n孔行駛的距離為S=21.336/8*n(cm),再通過(guò)計(jì)時(shí)器得到電動(dòng)車行駛時(shí)間,從而算得電動(dòng)車的速度。將距離、時(shí)間、速度顯示在LCD屏上。

5.2 結(jié)果分析

第一階段時(shí)間測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果(一)

次數(shù)到達(dá)C點(diǎn)附近時(shí)間 /s尋找平衡時(shí)間 /s到達(dá)B電時(shí)間/s返回A點(diǎn)時(shí)間 /s

115871231

216451628

317631439

從測(cè)試結(jié)果可以看出,平衡點(diǎn)的尋找時(shí)間具有很大的隨機(jī)性,以至于時(shí)間超出了預(yù)計(jì)范圍。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察分析,問(wèn)題出在車速等級(jí)之間變化過(guò)快上。這里提出兩套解決方案:一是加減速齒輪,但是在原來(lái)完整的車體上加減速齒輪機(jī)械上做起來(lái)比較困難,這個(gè)方案很快被否決了;第二套方案是不使用凌陽(yáng)單片機(jī)自帶的PWM波,而是通過(guò)軟件自行制作占空比可調(diào)范圍更廣的方波,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)變速。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果(二)

次數(shù)到達(dá)C點(diǎn)時(shí)間 /s尋找平衡時(shí)間 /s到達(dá)B點(diǎn)時(shí)間 /s返回A點(diǎn)時(shí)間 /s

118341333

216391530

318301432

由表2可看出,電動(dòng)車已經(jīng)可以在短時(shí)間內(nèi)找到平衡點(diǎn),因?yàn)椴捎脽o(wú)級(jí)變速,使得電動(dòng)車在平衡點(diǎn)附近也能進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)整,而不像之前在平衡區(qū)間只能始終采用一種速度。

上板測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 上板測(cè)試結(jié)果

角度 /(°)測(cè)試次數(shù)成功次數(shù)失敗次數(shù)

6010100

9010100

1201091

1501091

平衡測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 平衡測(cè)試結(jié)果

次數(shù)第一平衡點(diǎn)停5 s第二平衡點(diǎn)停5 s全程時(shí)間 /s

1成功成功126

2成功成功148

3成功成功121

4成功成功135

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,本系統(tǒng)的性能接近預(yù)想狀態(tài)。

6 結(jié) 語(yǔ)

電動(dòng)車以凌陽(yáng)SPCE061A作為電動(dòng)車的控制核心,將無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器加重錘改造后自制成角度傳感器檢測(cè)平衡點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車自動(dòng)尋找蹺蹺板和板上平衡點(diǎn)自動(dòng)尋找等功能。從測(cè)試結(jié)果可以看出,該設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果。角度傳感器的自行設(shè)計(jì)是關(guān)鍵點(diǎn)所在,語(yǔ)音播報(bào)與語(yǔ)音識(shí)別功能和同步顯示電動(dòng)車的里程信息及速度等功能是一大亮點(diǎn)。

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