电动车跷跷板设计方案

电动车跷跷板柳州运输职业技术学院1摘要该电动车以凌阳SPCE061A作为控制及数据处理的核心，通过传感器检测、控制电动车电机的快慢、启停。电动车可以在跷跷板上自动寻找平衡点，并具有实时显示电动车行驶时间及任务完成之后自动播报从起始端自动行走到末端及返回所需时间或从起始端自动行走到电动车保持平衡所需时间。关键字：SPCE061A倾角传感器光电传感器PWM2一、方案设计与论证本项目按设计要求可分为五部分，分别为控制模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、显示模块，如图1所示。控制模块循迹模块平衡检测模块电机驱动模块显示模块图1系统模块框图（一）控制模块方案一：采用AT89C51系列单片机作为控制的核心。51单片机按单纯的控制和数据处理是比较经济实惠的，但本项目触及到A/D转换和PWM控制，如果要具备这两个功能必须要有专用的A/D芯片和PWM控制电路，这无疑是提高了成本。方案二：采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制的核心。SPCE061A具有10位A/D转换和PWM控制功能，且具备语音播报功能，使作品更加智能化。综上分析，选择方案二。（二）平衡检测模块方案一：采用水银开关检测跷跷板平衡点。其内部是由两根导线组合而成，只要当水银流动到导线的两端即水银把两根导线短接在一起。但当跷跷板平衡时，有可能水银开关还未闭合，可靠性不高。方案二：采用AccuStarⅡ倾角传感器检测跷跷板平衡点。此倾角传感器是通过改变角度来改变其输出电压，具有良好的线性变化，如图2所示，通过读取输出电压的值来控制小车的速度，有助于电动车找到平衡点。3因此选择方案二。（三）电机驱动模块方案一：采用分立元件构成的H桥式电机驱动电路。该驱动电路的优点是成本低，缺点是电路制作比较麻烦，可靠性不高。方案二：采用L293D驱动电机。使用该芯片驱动的好处是在额定的电压和电流内使用非常方便可靠，可以缩小PCB板。用SPCE061A自带的PWM控制电机效果更好，使电动车更容易的寻找到跷跷板的平衡点。为了使电动车行驶稳定故采用方案二。（四）循迹模块采用光电传感器进行循迹。利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在电动车行驶过程中红外发射管不间断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动车上的接收管接收，电平拉低；如果遇到黑线则红外光被吸收，接收管接收不到红外光，电平拉高。通过比较器处理，当传感器检测到黑线，比较器输出高电平，检测到白线输出低电平，再通过单片机来判断小车是否跑出引导线，如果跑出就复位。光电传感器采用TCRT5000。（五）显示模块方案1：采用数码管显示。用数码管显示已满足本产品的设计要求，且数码管显示亮度高，远程观测也比较醒目。方案2：采用LCD液晶显示。用LCD显示使本产品更加人性化，但要实现实时显示小车行走时间比较难，且产品已具有语音播报功能，使用LCD显示就显得有点浪费了。4因此选择方案一。二、硬件设计系统硬件电路连接图见图3。启动键光电检测信号输入显示驱动××××IOA0IOB3IOB2IOB1IOB0IOA9IOA8IOA7IOA6IOA5IOA4IOA3IOA2IOA1IOB14IOB15IOA10IOA11IOA12IOA13IOA14IOA15IOB8IOB7IOB6IOB5IOB4IOB13IOB12IOB11IOB10IOB9××××SPCE061A××××PWM电机控制驱动信号×××平衡检测模拟信号输入图3系统电路连接图（一）光电检测电路设计我们设计的光电对管检测及调理电路，采用了比较器。电路原理图如下图4所示：图4光电对管检测电路图在图4中，可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相5当规则，可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。（二）寻迹光电传感器的安装根据设计要求，本次电动车设计用6个光电传感器来完成要求，车头和车尾分别有3个传感器，用来校正电动车的寻迹路线，保证电动车前进和后退直线行走。传感器安装位置如图5所示：a)车头传感器b)车尾传感器图5传感器安装示意图（三）PWM电机驱动模块通过驱动电路控制电机的正转和反转，实现电动车的前进和倒退。本设计采用L293D作为驱动芯片，驱动电路设计如图6所示：EN11EN29IN12IN27IN310IN415OUT13OUT26OUT311OUT414VC8VCC16GND4GND5GND12GND13U1L293D12345678910P1IOB8~IOB1512P3VCC+6V+6VVCC12P412P5PWM1PWM2PWM1PWM2图6L293D电机驱动电路图PWM电机驱动控制原理：当L293D的EN1、EN2的输入PWM脉宽相同，IN1—IN4的左电机右电机6输入信号分别为1010，则电动车前进，若为0101则电动车后退。当小车偏离引导线，则改变一个PWM的脉宽，N1—IN4的输入信号不变，如电动车左偏离引导线则只需改变PWM2的脉宽。（四）平衡检测电路由于倾角传感器是成品，只需读它的模拟电压输出值，然后通过A/D转换为单片机可以处理的数字信号，再确定电动车基本保持平衡时的数字信号值的范围，当A/D转换过来的值接近这个范围时，电动车则开始减速，当进入这个范围内时，则判断为电动车已保持平衡。工作原理如图7。AccuStarⅡ倾角传感器单片机（信号处理）电机驱动电路控制电机的快慢A/D转换（单片机内部自带有）图7由于AccuStarⅡ倾角传感器反应较缓慢，所以电动车需前进0.5秒暂停1—2秒。三、软件设计（一）主程序流程图我们设计软件的主流程图如图8所示。开始初始化启动键按下执行IRQ5、IRQ6中断小车任务完成语音播报结束YNNY图8主程序流程图7（二）IRQ6中断服务子函数流程图IRQ6中断的作用是保证电动车直线前进、后退，判断跷跷板是否保持平衡，以及控制电动车的启停快慢。具体流程图如图9.执行IRQ6中断读取光电传感器状态值调用AD转换子函数小车快速向前行走Second=5Fen=0小车暂停1.5秒慢速前进0.5秒保持平衡声音提示小车暂停5秒快速向后到达起点小车停止语音播报结束NNNYYY图9四、测试说明（一）测试指标将设计题目所要求的各基本功能和发挥部分进行分项测试。（二）测试仪器卷尺：量程3.5m。秒表8（三）基本功能测试基本功能分两部分测试：（1）从起始端自动行走到末端及返回所需时间；（2）从起始端自动行走到小车保持平衡所需时间。跷跷板长为1600mm,电动车长为235mm，则电动车实际行走距离1365mm。表1为多次测试的纪录（在不加重物的情况下）。（1）（2）测试次数起始端到末端返回起始端到平衡点112.50s10.75s45.30s212.05s10.51s18.75s311.94s10.63s20.30s五、结束语经过了20天的努力，基本要求和发挥部分都已基本实现，虽然在完成的过程中困难重重，有很多问题以前都没遇到过。例如在电动车寻找平衡点时需要时走时停，当在中断用一般的延时程序时（while语句循环延时）发现会影响计时中断（中断级别比前者高），在老师的指导和自己的思考下才解决了这个难题。这次项目虽然基本完成，但还有很多需要改进的地方，如果改善了这些地方，相信这个项目将会更加智能化和人性化。六、参考文献：[1]李晓白秦红磊朱俊杰潘泽．凌阳16位单片机C言语开发．北京航空航天大学出版社，2006[2]粘宝卿黄衍镇.AccuStarll倾角传感器的调零和定标.气象水文海洋仪器,2000[3]高峰编。单片微型计算机原理与接口技术。北京：科学出版社，2003[4]21IC中国电子网