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.doc

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：翘翘板状态测量电 机 驱 动 微 控 制 器STC89C52 声 光和 时间 显 示路面黑线探 测对各模块的实现，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AT89C52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。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，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，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。经上述比较选择方案二。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。（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 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： AD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（1）主程序流程图开始初始化Y右转左偏否？N左转右偏否？YN到平衡点否？Y停5SY左偏否？右转 YYNN右偏否？左转退回起点到终点否？停车5S停车结束（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0.01s2. 测试数据及结果分析（1） A点到C距离与时间次数 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 62 24 24 0.85 53 23 24 0.83 4.8 （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点停车时间 1 46 42 4.8 2 43 42 5.2 3 44 43 5.3（3）B点到A时间次数 到达A