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1、电动车跷跷板（F题）广州大学 吴耀滨 刘浩林 曾文正摘要：该电动车以AT89C51系列单片机作为控制及数据处理的核心，通过红外探测装置实现循迹，同时LED闪烁指示小车的转向。本设计通过ADXL345加速度计检测电动车在跷跷板上行驶时所受到的重力加速度，得知小车的状态，从而控制电动车左右直流电机的正传反转、启实现电动车进退，转向，从而在跷跷板上达到平衡。加上重物后，电动车可以在跷跷板上自动寻找平衡点。在全过程中，LCD实时显示电动车时间每完成一项指标所用的时间。关键字：单片机 ADXL345 光电传感器 直流电机Abstract：The electric car with AT89C51 sin
2、gle chip microcomputer as control series and the data processing, through the core of infrared detection device (mark, and realize the car to flashing LED instructions. This design through the ADXL345 accelerometer detection electric cars on the seesaw vehicle by the gravity acceleration, and know t
3、he state of the car, so as to control electric vehicles or so dc motor of the story of inversion, and realize electric car in a, steering, and on the seesaw balance. After add weight, electric car can be automatic for balance on the seesaw. In the whole process, LCD real-time display electric car ev
4、ery time to complete a index of the amount of time.Key Word：Single-chip microcomputer ADXL345 accelerometer photoelectric sensor dc motor目录一、实现方法与方案论证.11 实现方法.12.方案论证.12.1 显示模块12.2 控制模块22.3 电机驱动模块22.4 循迹模块22.5 平衡检测模块2二、理论分析与计算.3三、电路与程序设计.41 硬件电路设计.41.1 系统硬件电路.41.2 光电检测循迹电路设计41.3 L298N直流电机驱动电路41.4 平衡
5、检测电路51.5 LCD显示电路 52 主程序流程图.5四、测试方案与测试结果.81 测试方案.82 测试指标.83 测试仪器.84 基本功能测试 85 创新发挥 86 结果分析 8五、设计总结9六、参考文献9七、附录.9一、 实现方法与方案论证：1 实现方法：该电动车以AT89C51系列单片机作为控制及数据处理的核心，对整个系统进行控制，并驱动液晶显示器，显示运动所用时间。电动车的动作执行机构采用直流减速电机，左右轮分别驱动的方案。在跷跷板中心设计了黑色的引导线，当电动车在跷跷板上行驶时，通过安装在车头和车尾的红外反射式传感器寻迹，来避免电动车走偏，以至于从跷跷板上跌落的情况。我们在跷跷板的
6、起终点位置设计了边界线，读取红外传感器的检测信息，控制电动车不能越过边界线行驶。当电动车前进到B点（终点）时，延时5秒钟后寻迹后退，退回原点停止。通过ADXL345三轴加速度计测量电动车在斜面上所受到的重力加速度的分量进而转换成跷跷板倾角的大小，当跷跷板处于平衡状态时，角度传感器输出角度近似为0。当在跷跷板上任意放置配重物或者没有配重时，跷跷板分别会在不同的位置取得平衡，由于跷跷板中心支架的圆轴直径仅有32mm，跷跷板的平衡比较难以掌握，因此电动车在平衡位置附近需要小范围的前后运动，来进行平衡调节，直到角度传感器输出角度近似为-1.4至1.4之间时，电动车停车5秒钟，完成系统的要求。本项目按设
7、计要求可分为五部分，分别为：控制模块、循迹模块、电机驱动模块、平衡检测模块、显示模块，如图1所示。图1 系统模块2.方案论证1. 显示模块： 方案1：采用LED数码管显示，数码管采用BCD编码显示数字，硬件电路调试简单。但显示信息容量小，功耗较大，使用时片选信号和段选信号占用端口较多。而题目要求要分时段显示完成每项任务所需的时间，信息量大，编程难度大，难以满足题目要求。方案2：采用1602LCD液晶显示。用LCD显示使本设计更加人性化，由于LCD液晶显示具有体积小，功耗低，图像稳定，并且可使面积较一般数码管大，而且具有能够显示较大量信息，显示效果较好，抗干扰性较强等优点，因此我们选择型液晶显示
8、屏显示小车行驶时间以及平衡指示。因此本设计选择方案二。2. 控制模块：方案一：采用FPGA(现场可编程门列阵)做为控制器，其规模大，密度较高，稳定性也较好，易于进行功能扩展，采用并行的输入输出方式，使得处理速度大幅提高，因此，FPGA适合做为大规模实时系统的控制器，但是其耗电量较大，是普通直流电机的十倍以上，而且其模拟仿真功能不是很完善，这样会大大增加调试的难度，而且在本设计中，我门对控制器的处理速度要求不高，而且FPGA的价格也较为昂贵，因此，此方案不可行。方案二：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简单的且价格经济实惠，性价比高，对I/O口的操
9、作较为简单方便，完全能够满足本设计的要求。综上分析，选择方案二。3 电机驱动模块：3.1 驱动电机：方案一：采用步进电机，可准确控制转速和旋转的角度，但是体积大，质量大，并且需要另配驱动器，成本较高，在电动车上安装比较复杂且转动速度较慢，耗时较长，很难在短时间内实现题目要求。因此，此方案不可行。方案二：采用减速直流电机，体积适中，安装简单，转矩和扭矩较大，转速较步进电机快，车速能够通过改变输入的PWM脉宽来实现准确的控制，能够在短时间内实现小车往返要求。因此采用方案二。3.2驱动电路：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，容易出错，可靠
10、性不高且会占用电路板的较大面积。方案二：采用L298N芯片驱动电机，L298N属H桥集成电路，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，通过PWM控制，容易控制小车的速度与进退，以及转向。因此采用方案二。3. 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反射，反射光被装在电动车上的接收管接收，电平拉低；当红外光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。从而通过单片机来判断小车是否跑出引导黑线，如果跑出黑线，则通过单片
11、机对电机转速进行调节，以达到转弯循迹的目的。方案（一）：自制红外发收探头：优点是成本低，制作简单，缺点是:灵敏度不高，系统不稳定，易受到干扰，难以实现精确循迹的要求。方案（二）：集成式的红外发收探头：灵敏度高，不易受到外界干扰，可靠性高，所需I/O口少，且操作简单，适合本题目的要求。因此采用方案二。4. 平衡检测模块：方案一：方案（一）：倾角传感器。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小、灵敏度高、简单、可靠等优点，但是输出为模拟信号，需要用到DA转换，操作间为复杂，且占用I/O口较多，导致其他模块I/O口不够用，不利于小车整体功能模块的操作，因此，此方案不可行。方案二：采用ADXL3
12、45数字加速度计，ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计，它可以测量电动车在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，进而转换成倾斜角，测量精度较高，能满足本设计的要求。同时使用ADXL345数字加速度计能有效的减轻小车的重量，并且其输出信号为数字信号，避免了A/D转换，操作简单；此外ADXL345通过IIC通信，只需用到两个I/O口，占用资源少，操作简单，能满足本设计的要求。因此选择方案二。二、理论分析与计算距离计算系统要求：跷跷板长：1600mm小车从原点到终点过程行驶的距离：1600减去车长（mm）。本系统的参数:小车从原点到终点的行驶的距离为：L=1600-250.6= 1349.
13、4mm小车的车轮直径：D=37.50mm车轮一圈的线距离：S=3.14*37.50=117.75mm角度计算：系统要求:跷跷板中心半圆轴直径不大于50mm。支架的高度为H=70mm跷跷板的倾斜角：a=arcsin70/800=5.0角度传感器的测量范围是90，可以满足系统要求。二、 电路与程序设计总系统框图：电源单片机ADXL345光电传感器L298驱动电路LED显示LCD显示直流电机1 硬件电路设计：1.1 控制系统电路图见下图：图2 控制系统电路1.2 光电检测循迹电路设计本设计我们采用红外探测模块实现小车循迹。在本设计中我们采用安装在车头的三个红外探测装置对地面上的引导黑线实行监测。当探测装置向黑色物质发射红外光时，光被吸收，电平拉高；当探测装置向其他颜色物质发射红外光时，光被反射，从而被接收装置接受，电平拉低。从而向单片机输入信息，由此控制电机的转向。当输入信号为：010或为：000时两电机正转；当输入信号为：100或为：110时电动车左转；当输入信号为：001或为：011时，电动车向右转；当输入信号
