基于STC89C52单片机的电动车跷跷板的设计论文.doc

电动车跷跷板摘要：本设计采用两片stc89c52单片机作为电动车的检测和控制核心，实现电动车在跷跷板上行驶、平衡，选择正确的行进路线、倒退等功能。电路分为路面检测模块，平衡控制模块，电机驱动模块，显示模块，速度方向控制模块等几部分。路面检测模块采用反射式红外发射-接收器来检测黑线；平衡控制模块采用角度传感器；电机驱动模块通过单片机输出相应控制信号，灵活方便地对车速进行控制；转向控制模块通过两个步进电机的转速差实现小车的转向。步进电机控制核心采用stc89c52单片机，与主系统之间通过串行通信来实现同步控制。采用稳定且独特的软件算法，实现了对小车在行进过程中的运动位置、速度、运动方向和运动时间等的精确控制。关键词：智能控制 电动车 跷跷板 步进电机 平衡控制 光电检测一、 系统方案论证1.1题目解析根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中控制部分包括：电机驱动模块，显示模块，控制器模块，计时和状态标志模块。信号检测部分包括：平衡控制模块，路面检测模块。电机驱动模块可以选择集成电机驱动芯片l298n，显示模块可以选择液晶或者数码管，平衡控制模块可以选择角度传感器，路面检测模块可以选择光电传感器。1.2各种方案比较与选择方案一：方案一系统方框图如图1所示。图1系统方框图方案一采用atmel公司的at89s52作为核心控制器，传感器输出的信号通过单片机的处理，实现液晶显示，电机驱动电路采用pwm技术控制直流电机的速度和转向。但迫于其mcu功能和速度有限，没有足够的剩余资源用来做进一步的开发。再者，虽然直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，但精度不高，快速启动性能较差；根据题目要求，要使电动车爬上跷跷板，需使电动车具有快速启动性能，若采用直流电机则很难达到题目要求。方案二：方案二系统方框图如图2 所示。图2系统方框图方案二采用fpga（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。采用左右双步进电机控制两边的后轮，用左右电机的转速差来控制转向。fpga可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用eda软件仿真、调试，易于进行功能扩展。由检测模块输出的信号并行输入fpga，fpga通过程序设计控制小车做出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，fpga的高速处理的优势得不到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路图布线复杂，加重了电路设计和实际焊接工作。方案三：方案三系统方框图如图3所示。图3系统方框图方案三 本方案基于模块化思想，采用两片stc89c52单片机作为小车的控制核心，一片stc89c52单片机控制两个电机，另一片stc89c52单片机用于其余的控制。两片单片机之间通过串行通信来实现同步控制。采用左右双步进电机控制两边的后轮，用左右电机的转速差来控制转向。各传感器信号经单片机综合分析处理，同时显示行驶阶段和时间。本方案中所采用的mcustc89c52是宏晶推出的性价比极高的单片机，具有8k以上的大容量rom可供程序编写，这极大方便了液晶这样需要大容量信息存储的硬件的使用。而且这款基于mcs-51内核的单片机支持isp下载，在工作时可以不分频，速度是加同样晶振的普通51的12倍，况且这种单片机的功耗又很低，能够满足题目要求。对比以上三种方案，第一种方案在mcu上性能不足，很难达到预期的设计要求。而第二种方案在控制和设计上难度较大。综合比较后，我们决定采用第三种方案。二、系统硬件设计2.1系统总体设计经过仔细分析和论证，决定系统各模块的最终方案如下：（1） 控制器模块：采用两片stc89c52单片机控制；（2） 平衡控制模块：采用角度传感器；（3） 路面检测模块：采用光电传感器；（4） 方向控制模块：采用两个步进电机；（5） 电机驱动模块：采用集成电机驱动芯片l298n； （6） 计时显示模块：采用液晶显示器； 设计完毕的整体系统结构图如图4所示。图4 整体系统结构图2.2主要单元电路的设计2.1.1 微控制器模块的设计我们利用自己制作的stc89c52单片机最小系统板作为控制模块。stc89c52单片机最小系统板原理图见附录。2.2.2 电机驱动电路的设计电机驱动电路控制安装在左右后轮的两个步进电机，实现智能小车的前进后退和转向。驱动电路原理图见附录。考虑到电压、电流的等级尺寸、外观等因素，采用l298n构成的电机驱动电路。l298n驱动芯片是性能优越的小型电机驱动芯片之一，是一种高压，大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准ttl逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器，圆筒形线圈，直流电动机和步进电动机。在44.6v的电压下，可以提供2a的驱动电流。l298n芯片具有两抑制输入来使器件不受输入信号的影响。每个桥的三极管的射极是连接在一起的，相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。l298n还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能，符合电机驱动的需要。 l298n原理方框图如图6 所示。图6 l298n原理方框图电路的控制逻辑如表2所示。表2 电路的控制逻辑输入功能ven = 1c = 1 ， d = 0正转c = 0 ， d = 1反转c = d快停ven = 0c，d任意自由停止只要通过控制电路对c、d两个输入端输入ttl电平的0或1即可控制电机的正转、反转及停止。当向c、d两端输入同样电平时，可实现电机的快速停止。2.2.3路面检测电路的设计根据题目，小车在起始端300mm以外，90扇形区域内某一指定位置自动驶上跷跷板，要求小车根据路面自动调整方向，回到跷跷板的运动轨迹上，系统需要将车体的运动状态及时地以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制两个电机的速度、正转或反转。 本设计中总共使用三个集成的反射式光电传感器tcrt5000装在车体的前方。反射式光电传感器电路原理图如图7所示。图7 反射式光电传感器电路原理图2.2.4平衡控制电路的设计本设计中采用角度传感器wyh-1判断电动车在跷跷板上所处的位置，wyh-1角度传感器采用新型磁敏感元件，将机械转动或角位移转化为电信号输出，可无电触点的测量转动角度的变化，输出模拟电压信号。与线绕式、金属膜式、导电膜式结构相比，具有特点无触点、高灵敏度、极长寿命、高可靠性、360连续转动等特点。基本指标如表3所示。 表3角度传感器wyh-1基本指标型 号工作电压线性量程灵敏度温度系数分辨率wyh-1dc3.3v8v4540mv/10.01/连 续输出特性曲线如图8所示。图8 输出特性曲线三、系统软件设计3.1 主程序流程图主程序流程图如图9所示。图9 主程序流程图四、系统功能测试4.1 测试仪器及设备测试仪器及设备如表4所示。表4 测试仪器及设备仪器名称型号数量直流稳压电源df1731sl3a 1双踪示波器ds5022m1电脑 3万用表ut8032卷尺1秒表14.2 功能测试 4.2.1 基本功能测试我们在硬件和软件部分制作完成后，对系统进行了测试，共进行8次，所得数据如表5。表5 电动车跷跷板测试数据记录（基本部分）测试次数 第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8次驶到中心点时间（s)89889898达到平衡时间( s) 5051525053515253测试结果成功成功成功成功成功成功成功成功成功率接近100%，数码管显示正常，整体性能非常稳定，没有出现越界现象。4.2.2 发挥功能及其他功能测试 我们在完成基本部分后，又完成了发挥部分的要求，电动车能够自动驶上跷跷板，并在跷跷板上取得平衡。测试8次，所得数据如表6。表6 电动车跷跷板测试数据记录（发挥部分）测试次数 第1次第2次第3次第4次第5次第6次第7次第8 次是否达到平衡是是是是是是是是平衡保持时间（s） 56865868测试结果成功成功成功成功成功成功成功成功 成功率接近100%，数码管显示正常，整体性能非常稳定，没有出现越界现象。五、结论经过对系统的光电检测部分、驱动电路、角度传感器等的测试，本设计能够达到设计制作的要求。 六、致谢 在为期四天三夜的比赛过程中，我们克服了种种困难，完成了题目的基本要求和发挥部分，自身得到了极大的锻炼，使我们的工作能力，实践能力，集体协作能力得到了很大的提高。感谢大赛组委会为我们提供参加电子设计大赛的机会，感谢队友们的大力支持，感谢学校为我们的成才所付出的努力。谢谢。附录附录1 总电路原理图微控制器模块原理图电机驱动电路原理图附录2 印刷电路板图最小系统板pcb图附录3 配件表最小系统板元件列表名称规格封装数量mcustc89c52dip401芯片74hc573dip201发光二级管黄、绿e080511数模转换器dac0832dip201模数转换器adc0832dip201芯片max232dip161串口db9db9sle1按键浮动key-411电位器10k2电位器2k1电阻1kaxial-0.45电阻10kaxial-0.44晶振12mhz1瓷片电容30p08053瓷片电容10408056电解电容10uf/16vcapj2排针若干电机驱动电路元件列表规格封装数量mcustc89c52dip401芯片l298ndip152稳压芯片78l05bcy-w3/e41稳压二极管in4007bat-216电阻200axial-0.42瓷片电容33pcapr2.54-5.1x3.23电解电容10uf/25vcappr2-5x6.81排阻10khdr1x91晶振24mhzdip21散热片1排针若干光电传感器电路元件列表规格封装数量光电传感器tcrt50003电位器202vr53电阻10kaxial-0.43排针若干目 录一、 系统