本设计采用两块单片机-本设计采用两块单片机(四c52和89cm51)作为

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1、 摘 要本设计采用微处理器 STC89C52 做为控制电动车在翘翘板上运动的核心 器件，该系统分为路面黑线检测模块，电机驱动模块，时间显示模块，翘翘板 平衡状态测量模块等几部分，路面黑线检测模块利用反射式红外光电传感器探 测路面黑线并通过比较器比较输出给微处理器以及时控制小车直行，电机驱动 采用 PWM 技术，可及时并方便地对电动机的转速进行控制，翘翘板平衡状态 测量模块利用角度传感器测量小车的平衡状态并通过基于这些完备而可靠的硬 件设计并使用一套独特的软件算法，实现了小车在翘翘板上的行驶过程中使翘 翘板达到平衡，最后完成整个设计的要求。 本设计的主要特色： 高效的 H 型 PWM 电路，提高

2、电源利用率 用了高灵敏角度传感器 品字型光电检测导迹模块 一、方案的选择与论证 根据题目要求，该系统可以划分为几个基本模块，如图所示：对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案： 1控制核心部件的选择 方案一：采用可编程逻辑期间 CPLD作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂 的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能 扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制 系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也 不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案二：采用 ATMEL 公司的 AT89C

3、52 单片机，它是 8 位控制器，具有体积 小、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、普及性高等特点。处理速度适中， 尤其适用于小型控制系统和家用电器。由于 AT89C51 单片机使用广泛，价格便宜，所以本次系统设计中采用了它列作为控制核心。 2.翘翘板状态测量方案比较 方案一：陀螺定位测量。陀螺可以精确测量运动物体的各种参数，广泛运用 于导弹置导、航空航天。是较理想的翘翘板状态测量方案。翘翘 板状 态测 量微 控 制 器 STC89C52路面 黑线 探 测电 机 驱 动声 光 和 时 间 显 示2方案二：采用角度传感器 SCA100T。它是高精度双轴倾角传感器，具有体积 小、采集速度快。刚好用

4、于测量翘翘板摆动时的倾角度，且价格便宜，应用较 多。 由于翘翘板的特殊性和性价比来考虑，我们采用了方案二 3电机的选择方案的比较 方案一：采用普通直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、 ，可调范围广，具有较强的带载能力，能承受频繁的负载冲击，可实现频繁的 无级快速启动、制动、反转等功能。 方案二：采用步进电机。步进电机的显著特点就是具有快速启动能力，如 果负荷不超过步进电机所能提供的动态转距值，就能够使步进电机启动和反转。 另一个显著特点就是正反转控制灵活且转换精度高。 经过对题目要求的考虑，我们采用了方案一做为本次系统设计的方案。 4.电动机驱动模块的方案比较方案：采用电阻网络或数

5、字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的 目的。但是电阻网络只能实现有级调连，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。 更主要的问题在于一报电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率， 而巳实现很困难。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车 的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间 慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案三：采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。L298N 是一个具有高电压 大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电 机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，

6、稳定性好， 性能优良。并利用 PWM 技术来有效的控制电机的转速，以达到可以平稳的在 翘翘板上行走。 与方案一、二比较，方案三的电路简单，且容易实现，故采用方案三。 5.路面黑线探测模块 红外反射传感器的大致原理是：当光线照射到翘翘板上，板上并反射，可根据 接收到的反射光强弱判断是否到达黑线。方案：采用发光二极管与光敏二极管组成的发射接收电路。这种方案的缺 点在于：其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改 变，很可能造成误判和漏判；虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰但这又 将增加额外的功率损耗。 方案二：不调制的反射式红外发射接收器。由于采用红外管代替普通可见光 管

7、，可以降低环境光源的干扰；但如果直接用直流电压对光管进行供电，限了管子 的平均功率要求，工作电流只能在 10mA 左右，仍然容易受到干扰。 方案三：采用反射式红外光电传感器并通过比较器来对黑线的检测。反射式光 电传感器的功率大，灵敏度高，可有效检测到黑线，并通过比较器对传感器的信号 进行比较放大后送给控制器，以及时对小车行进路线纠正。 经过以上比较，拟采用方案三做为路面黑线的检测模块的方案。 6.显示模块选择 方案一：液晶显示。液晶显示效果好，而且美观，但因为手上只有并行输入的 液晶显示模块。由于 I/O 口有限所以不好用。 方案二：7279 显示。此引脚较少，且比较好用，相对便宜。3经上述比

8、较选择方案二。 7电源选择 方案一：双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔 离，利用光电锅台器传输信号。这样做虽然可以保证电机驱动和控制部分的电源， 但同时也增加了小车的惯性，尤其会对小车在翘翘板上的行驶并使其达到平衡难度 加大。 方案二：所有器件采用单电源供电(2 节 3.6V 镍镉电池)。这样供电比较简单；且在该系统中除了电机耗电量大外，控制部分的电路耗电量很少，且不会造成 小车机身的重量，也可以很好的实现各器件的正常工作。 经过上述条件的考虑，我们拟采用以单电源的方案进行设计。 经过一番仔细的论证与比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下： 电动机驱动与可调速

9、模块、采用专用芯片做为电动机驱动电路模块、采用红外光电 传感器构成的路面黑线检测模块：采用调制的反射式发射接收器。电源：单电源 供电(2 节 3.6V 电池)。 二、系统的具体设计与实现 1、系统的硬件设计与主要参数的计算 （1） 电动机 PWM 驱动模块的设计及参数计算 该模块采用专用的驱动芯片 L298N 来驱动电机，并采用 PWM 技术控制电机的 转速，由于电机平均功率满足如下公式：P=1/T其中 P 为电机的平均功率，PMAX为电机全速运转的功率。A 为脉宽，可见， 电机的平均功率与脉宽成正比。小车行驶后其平均功率 P=fv； APMAX=Af=fv；v=Avmzx； 由上式知，小车的

10、速度与脉宽成正比，通过单片机的定时器调整占空比即可控 制速度。其具体的电路图 1 所示。4（2） 路面黑线探测模块 我们采用专用反射式红外光电开关 ST198 检测地面黑线，其电压范围为 4.5-15V，我们选择了 5V 电源。本模块设计具有创造性，在小车底部安装了四 对专用反射式红外光电开关 ST198，且位置可以随意调整，使小车适应不同环 境和 路线能很快调整，使其按我们的要求运动。同时另一大亮点是使用了电压比较 器 LM339 放大信号，使信号产生的电压进行调整，来匹配单片机输入信号电压， 从硬件上保证了系统的稳定。其产生信号图和电路原理图如下信号图电路原理图 （3） 翘翘板状态测量模块

11、本模块是以角度传感器 SCA100T 和 12 位串行 AD TLC2543 为核心。这是 整个小车系统的核心部分，小车在翘翘板上的平衡需由它来参与控制。本模块 是由角度传感器来采集状态参数，再通过 A/D 来把角度传感器的模拟量转化成 数字参量，送到 CPU 进行平衡状态控制。原理图如下：5AD 转换电路图角度传感电路图三、系统的软件设计 控制电路以单片机 STC89C52 为核心的的系统，主要负责对电机驱动、光电检 测、左右轮转向、角度传感器的平衡参数采集和处理等控制6（1）主程序流程图开始初始化左偏否？右 转右偏否？左 转到平衡点否？停 5S左偏否？右偏否？退回起点停车 5S右 转左 转

12、到终点否？YNY NYYNYNY7（2）软件特色 速度自动调节程序，由于小车电池电力不同时刻不同，当给 PWM 电路相同占空 比的方波时，小车的速度可能不同，我们采用软件调节程序，自动调节小车的速度。利用多个光电传感器的综合应用提高测量精度，确保小车在行驶过程中有一个比 较好的状态。 软件设计时，采用 C 语言和汇编的调用和嵌套。四、系统测试及结果分析 1. 测试设备 翘翘板：按题目要求设计 卷尺：精度 0.001m 秒表：精度 0.01s 2. 测试数据及结果分析 （1） A 点到 C 距离与时间（2） C 点到 B 点距离与时间次数 到达 B 点显示时间 到达 B 点实际时间/s B 点停

13、车时间1 46 42 4.82 43 42 5.23 44 43 5.3（3）B 点到 A 时间五、结论 本设计在硬件上使用光电传感器的调制技术改善了抗干扰性能， ，采用 PWM 技术解决了电动机驱动的效率问题。软件上充分利用了 STC89C52 的优 点，使用优化算法，克服干扰，实现了车速控制，在翘翘板上保持平衡，和小停车结束次数 到达 C 点显示时间 /s 到达 C 点实际时间/s 测的距离 C 点停车时间/ s1 25 23 0.8 6 2 24 24 0.85 5 3 23 24 0.83 4.8次数 到达 A 点显示时间 /s 到达 A 点实际时间/s 1 76 78 2 78 76 3 77 748车在翘翘板上采集运动状态的一系列功能。从最后结果看，本系统能很好完成 题目设计。