基于ＡＴ８９Ｓ５２單片機的電動車蹺蹺板系統設計

摘 要：介紹電動車蹺蹺板系統的設計與實現。該系統包括單片機系統電路、尋跡檢測電路、平衡檢測電路、步進電機驅動電路、數碼顯示電路等。在系統中，以AT89S52單片機為電動小車控制核心，使用反射式紅外發射接收器來檢測軌跡，步進電機作為動力源實現小車前進后退和轉向控制，用2個水銀開關控制完成平衡狀態的檢測，用數碼管分階段實時顯示電動車行駛所用時間。3次實驗數據表明，這里所提出的平衡檢測方案是有效可行的。

關鍵詞：尋跡檢測電路；步進電機；蹺蹺板系統；平衡檢測電路

中圖分類號：TP271.4文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-163-03

Design of Seesaw System with Electric Vehicle Based on AT89S52 Single Chip Computer

ZHANG Jianhua，CHEN Yue，XIONG Yongchao

(Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou，221008，China)

Abstract：Design and implementation of seesaw system based on electric vehicle are introduced.The control system consists of AT89S52 single chip computer system，autonomous tracing circuit，balance detection circuit，driving circuit of stepping motor and LED display circuit.Centering on AT89S52，the track detection is realized by reflective infrared emitter and receiver and the steering of the vehicle is driven by stepping motor.The detection of balance state is implemented by two mercury switches and the travel time is displayed with LED separately.The scheme is proved to be effective and practical by experimental results during three tests.

Keywords：autonomous tracing circuit;stepping motor;seesaw;balance detection circuit

1 引 言

2007年全國大學生電子設計大賽的F題目是 “電動車蹺蹺板”^［1］；題目要求設計并制作一個電動車蹺蹺板，使得電動小車從圖1所示蹺蹺板起始端A出發在30 s內到達中心點C并保持平衡5 s，之后在30 s內到達蹺蹺板末端B并停留5 s，最后在1 min內退回到起始端A。在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，并分階段實時顯示電動車行駛所用的時間。所要求平衡的定義為A，B兩端與地面的距離差d=∣dA-dB∣不大于40 mm。

2 系統方案設計

在系統設計中，根據競賽要求電動小車設計車體長為26 cm，寬為18 cm，電動小車采用左右兩輪分別驅動、萬向輪轉向的方案，即左右輪分別用兩個轉速和力矩相同的步進電機進行驅動，萬向輪安裝在聚乙烯底板的前部。當小車運動時，左右兩驅動輪與萬向輪形成了三點結構，這種結構使得小車在運動時比較平穩。

AT89S52單片機采用CHMOS工藝及高密度、非易失性存儲技術制造，內部包括1個8位CPU，1個片內振蕩器及時鐘電路，3個16位定時計數器，4個8位并行I／O口， 8個中斷源，1個可編程全雙工串行口，8 kB可插除FLASH和256 B的RAM，且內置看門狗電路，一旦程序跑飛則復位系統^［2］。因此，設計中采用8位AT89S52單片機負責系統的控制與協調工作，同時它還不斷處理紅外對管傳感器送來的地面標志信號，這些信號主要控制小車的加速、減速、限速、剎車、倒車等狀態。此外，在系統設計中當利用片內的定時器作為小車行駛計時，并為LED驅動集成電路提供時鐘和數據，電動車上的水銀開關傳感器根據擺動裝置的擺動狀態來反饋小車的平衡位置，能夠很好地反映小車在翹翹板上的運動情況。系統的原理框圖如圖2所示。

系統模塊設計主要包括以下部分。

2.1 電源模塊

方案一：采用12 V蓄電池作為電源。蓄電池雖然具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能，但是蓄電池的體積較大且較重，如若采用蓄電池則電動小車重心控制較難。

方案二：采用11.1 V /2 200 mAh可充電式鋰電池作為電源，經LM7805電壓變換電路為單片機供電。采用鋰電池供電后，單片機和傳感器工作穩定，且電池的體積較小，重量也較小，能夠滿足系統的要求，因此采用方案二。

2.2 傳感器的選擇

方案一：用紅外發射管和接收管作為尋跡傳感器。紅外發射管發出紅外線，當發出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發射管發出的光線則輸出高電平。但是紅外對管工作不夠穩定，且容易受外界光線的影響。

方案二：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度的硅平面光電三極管。如圖3所示，當發光二極管發出的光反射回來時，三極管導通運算放大器輸出高電平。該光電對管調理電路簡單，工作性能穩定，因此這里選擇方案二。

2.3 電機驅動電路

方案一：采用直流電機。直流電機具有優良的調速特性，調速平滑方便，調整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可以實現頻繁的啟動、制動、反轉。但是制動、反轉慣性大，精密度低，控制起來比較困難，很難達到近距離調速的目的。

方案二：采用步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通過控制脈沖個數控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。由于步進電機能夠較好地滿足系統要求，因此選擇此方案。系統中采用常州寶來電器有限公司生產的42BYGH023型步進電機，采用BL-210驅動器^［3］驅動步進電機，其步距角可通過驅動器上的細分開關進行調整。

2.4 平衡檢測電路

方案一：采用角度傳感器或傾角傳感器。角度傳感器價格較貴，也不容易控制，對微小的角度變化不敏感。

方案二：采用霍爾元件集成片和無線發射模塊。把磁鐵放在蹺蹺板的一端，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，可以產生電流的變化，然后通過無線電把信號發送給小車上的接收模塊，單片機根據接收到的信號來控制小車的前進或后退，以達到平衡的目的，如圖1所示。

方案三：采用水銀水平開關來控制。該系統中，在小車上裝一對水銀開關，位置如圖4所示。小車上坡時開關2接通開關1斷開P2.0，P2.1輸出10信號，小車前進。小車下坡時開關1接通開關2斷開P2.0，P2.1輸出01信號，小車后退，從而使小車在平衡處附近來回運動，達到動態平衡。

2.5 數碼顯示電路

方案一：采用LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優點：工作電流比LED小幾個數量級，故其功耗很低；尺寸小厚度薄，顯示精美。但其控制比較復雜。

方案二：采用LED數碼顯示器。LED數碼管亮度高，醒目。原理簡單易于控制。由于顯示模塊只是用來顯示時間，都為一些數字，這就使數碼管的使用變成了可能。本設計采用第二種方案。

2.6 系統軟件設計

電動小車的控制器使用Atmel公司生產的 AT89S52，采用Keil軟件用C語言^［4］編程實現。在程序設計中，采用定時器T0實現時間的分階段實時顯示。在小車前進同時，通過光電管實時調整小車的狀態，當到達平衡位置時，調用平衡調整子程序直至給出平衡標示。通過P3.2檢測小車到達蹺蹺板末端后，停留5 s后，調用小車后退子程序使小車返回起始點，完成整個設計要求。

所設計的軟件的主程序流程圖如圖5所示。

3 測試數據與結果分析

對于電動車蹺蹺板系統，進行了3次實驗，用電子秒表分別測量起始端A到平衡點C的時間、平衡點平衡時間TC、平衡點C到末端B的時間TCB以及末端B到起始點A的時間TBA，測量結果如表1所示。測試結果表明，各段行駛時間符合大賽基本要求。但是實驗過程發現，由于單片機要完成尋跡檢測、電機控制和實時顯示等任務，LED顯示不太穩定有閃爍現象。當系統達到平衡狀態時，3次實驗測量蹺蹺板始端A、末端B與地面的距離差分別為5 cm，4 cm和3 cm，結果表明距離差符合大賽要求。

4 結 語

基于單片機的蹺蹺板系統設計，采用光電實時尋跡，采用步進電機驅動小車的前進與后退，以LED實時分階段顯示所用時間，并能在規定時間內找到蹺蹺板的平衡位置，設計完全滿足大賽的基本要求，最后獲得全國電子設計大賽江蘇賽區二等獎。但由于大賽時間有限，本次大賽未能完成發揮部分的內容，且LED實時顯示亮度不夠有閃爍現象。如果采用2個單片機協同完成控制任務，或采用高性能的AVR單片機^［5］作為控制器，控制效果應能進一步提高。

參考文獻

［1］全國大學生電子設計競賽組委會.電動車蹺蹺板（F題）［DB/OL］.http://www.nuedc.com.cn/exam/2007/F.htm，2007.

［2］孫育才.Atmel新型AT89S52系列單片機及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］常州寶來電器有限公司.BL-210說明書［DB/OL］.http://www.baolai-cn.com/productshow.asp?showid=153，2006.

［4］趙亮，侯國銳．單片機C語言編程與實例［M］．北京：人民郵電出版社，2002.

［5］錢平.伺服系統.北京：機械工業出版社，2005.

［6］盧文科，朱長純，方建安.霍爾元件與電子檢測應用電路.北京：中國電力出版社，2005.

［7］趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例.北京：人民郵電出版社，2002.

作者簡介 張建化 男，1979年出生，河南靈寶人，助教，碩士。主要研究方向為工業自動化、網絡控制與網絡計算。