以ATMEL89S52单片机为控制核心采用L298芯片作为两只直流电机的驱动模块

1、全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛 F F 题论文题论文学校：华南理工大学学校：华南理工大学队员：陈英忠队员：陈英忠 郑喜辉郑喜辉 谢千里谢千里奖项：全国二等奖奖项：全国二等奖 摘要:本系统以 ATMEL89S52 单片机为控制核心，采用 L298 芯片作为两只直流电机的驱动模块，运用 PWM 软件控制,使小车能实现无反应式的近直线行进，和利用单摆原理进行跷跷板角度的检测,采用近模糊算法实现了平衡点的检测,到达题目的平衡要求.并且本钱低.同时利用反射式的红外传感电路实现对跷跷板的边沿检测,使得在不加任何引导的情况下都能使小车不跑出跷跷板,实现 A,B 点的检测.同时利用 52 内部的

2、定时器实现题目所需的准确定时. 本小车系统利用简单的硬件和先进的算法完成了题目根本和扩展功能的各项要求.同时自制的单摆平衡系统是本系统的亮点.关键词：AT89S52AT89S52 限幅限幅- -逼进算法逼进算法 高阻尼单摆倾角测量器高阻尼单摆倾角测量器 目录目录1 1 方案论证与比拟方案论证与比拟1.1 模型方案论证21.2 单片机方案论证.21.3 电源方案论证.21.4 翘翘板边沿检测模块方案论证.31.5 电源制作方案论证.3 1.6 平衡指示模块方案论证.31.7 时间显示模块方案论证.32 2 系统设计系统设计2.1 总体设计.42.2 单元电路设计.4 单片机最小系统单元电路设计.

3、42.2.2 电机驱动单元电路设计.42.2.3 翘翘板边沿检测模块的电路设计.5 角度传感器设计与实现单元电路设计.5 无线发送状态电路设计.53 软件设计 3.1 程序流程图.6限幅-逼进算法7 3.3 无引导自动识别上板.74 系统测试 4.1 根本功能测试.74.2 扩展功能测试.85 结论.86 6 附录91 方案论证与比拟从题目的要求来看,要求设计的系统的难点在于保持电动车的平衡,所以这题的重点是平衡系统的选择与制作,而其中，平衡器件是最为重要的一环。 下面是各模块的方案: 1 11 1 小车模型方案论证小车模型方案论证方案一方案一:采用自制的三轮小车, 自制的三轮车可以安装有反应

4、的电动机，可以很精确的控制车的速度和走的距离。但本钱高且难以做的两边车速平衡，以及工程量大，适宜的元件短时间内难以买齐，而且自制的车体积可能比拟庞大，不利于在不是很宽的板上行走。方案二方案二: 从题目看出车的速度要求，抛开车身长度，从 A 点出发后要到达 C 点，最小平均车速应该在 750mm/30S=25mm/S 以上, 如果用购置的坦克玩具车改装，那么由经验可知，经过改装的玩具车走直线性能好，容易控制，这是因为坦克自带 3 级齿轮,具有直流减速电机的效果,装上自己的控制电路就可以很好地进行控制,并且体积小巧，外形好看。基于上述分析，我们拟选择方案二。1 12 2 单片机方案论证单片机方案论

5、证方案一方案一：采用凌阳 SPCE061A 单片机实现，该 16 位单片机内部资源丰富，集成了A/D，D/A，易于数据的采集，但由于它开发起来比拟复杂，大局部资源被封装成库，无法看到源代码，而且 IO 口操作极不方便。对于电子设计竞赛这种时间紧，任务急的开发来说是极为不利的。而且价格高，PLCC 封装需双层电路板，不利于快速制板。方案二方案二：采用 89S52 单片机实现，51 系列单片机简单易用，各种控制算法和逻辑控制相对能够容易地编程实现。虽然 89S52 需外接模数转换器来满足数据采样，但硬件电路并不复杂,而且其价格廉价。 基于上述分析，我们拟选择方案二。1 13 3 电源方案论证电源方

6、案论证由于整个电路非常简单，所以功耗很低，除了 AD 那里对电源有一点要求之外，其他的局部对电源要求并不高，分别对电动机和其他局部供电,目的是使控制电路不受较大功率的电机的干扰。在 AD 转换的参考电压那里我们采用 LC 滤波，其电路图如下：1 14 4 翘翘板边沿检测模块方案论证翘翘板边沿检测模块方案论证方案一方案一：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。采用带有交流分量的调制信号，可以大幅的减少环境光源的直流分量的干扰，但由于该红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，该最大电流需要通过调节占空比来调节；而且需要添加额外的电路和程序，此题中并不需要很大的电流，故不需要采用该管子。 方案二方案二：

7、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，可以有效的降低环境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助装置的要求最少，对人眼无伤害，采用不调制的反射式红外发射-接收器完全可以有效的降低干扰，而且方便可行，能够准确的实施检测。基于上述考虑，我们决定采用方案二。 1 15 5 角度传感器方案论证角度传感器方案论证方案一方案一：用专用的倾角传感器 IC，其精度高，稳定性好，对角度的线性好；但万事万物总有其优缺点，专用的倾角传感器易受加速度影响，而且价格非常高，即使是学校出钱买，我们也不想用，因为其不能表达我们的动手能力，所以我们放弃该 IC。方案二方案二：利用地球重力，做一个

8、单摆，水平固定在车上。当车倾斜时，单摆受到地心引力的作用就会和车有相对的转动。利用这一特点，我们就可以测出这一变化，进而测出车的倾斜度。我们将单摆悬挂在一个可调电阻可旋转的那个脚上，可调电阻两端接一个电压，我们对电阻可调的那个脚进行采样，就可根据那脚的电压值计算出单摆摆过的角度。由于我们有一个旋转角度的传感器，里面的结构就是一个可调电阻，阻值非常均匀，无疑是最正确选择。一般的可调电阻转度，电压可变化V 左右 (度以下。由于这个方案简单，测量精度也够高。所以我们选择了这方案。1 16 6 平衡指示模块方案论证平衡指示模块方案论证利用蜂鸣器，电路简单，又容易控制，再加上 LCD液晶显示。到达平衡时

9、，蜂鸣器响，同时 LCD1602 液晶显示端和端的高度差。1 17 7 时间显示模块方案论证时间显示模块方案论证LCD1602 液晶显示，能显示 16*2 个字符。容易，简单，实惠。2 系统设计根据题目要求和上述论证，本系统的系统框图如图:主控89S52单片机MEGA8L单摆传传器数据采集和处理自制单摆传感器翘翘板边沿检测模块蜂鸣器指平衡状态LCD1602 时间数据显示L298N 电机驱动模块2 22 2 单元电路设计单元电路设计单片机最小系统单片机最小系统 略。2.2.22.2.2 电机驱动模块电路的实现电机驱动模块电路的实现 我们采用 L298N 驱动电路: LM298 最大电流可达 2A

10、,发热量少,不需要加散热片,而且外围相当的简单,空载时两路输电流总共才 20mA, 负载时最大电流也只有 350mA,非常省电.2.2.32.2.3 翘翘板边沿检测模块的电路设计与实现翘翘板边沿检测模块的电路设计与实现用红外对管和运放 LM324 搭成探测器，如上图，红外发射管的发射有一定距离限制，一旦距离越远，那么反射回来的信号那么越弱,所以调节 LM324 的正相输入端的比拟电压,就可以调节对管的范围,在车的四个角上装上,调节好电位器,就能使照在板上的时候接收管通,LM324 输出高电平,而对管探到板子边沿时,由于反射信号微弱以致接收头几乎不导通,于是电位升高,LM324 输出低电平.LM

11、324 有四路输出,接到单片机,单片机跟据这些信号来判断转向,确保车不会掉下去.2.2.42.2.4 角度传感器设计与实现角度传感器设计与实现这是整个平衡系统的核心核心局部,它的好坏决定着整个系统的性能.本来打算将单摆悬挂在一个可调电阻可旋转的那个脚上，可调电阻两端接上电压，我们对电阻可调的那个脚进行 AD 采样，再根据转动脚的电压值计算出单摆摆过的角度。但问题并没有这么简单。首先，可调电阻的阻值存在不均匀的问题，AD 采样存在精度问题。而学校的实验室里除了倾角 IC 外,还有转动角传感器，它输出模拟电压，如果用 10位 AD 采集，其精度可达度。所以这可调电阻可以用转动传感器代替。那 AD

12、芯片呢？按照题目的要求，翘翘板两端之差不能超过 40，即其倾角不能超过 arcsin(40/1600)度。所以采样必须要到达 10 位以上。由于一块位芯片就要十几元以上。但一块ATMEGA8 才，其自带通道 10 位精度的 AD 装换。本来用 ATMEGA48 就可以了的，但当时没有 ATMEGA48，只有两块 ATMEGA8L。所以就直接用 ATMEGA8L，虽然有点大材小用。用ATMEGA8L 的 AD 采集还有一个好处，因为对速度要求不是很高,于是可以对采样到的信号进行初步处理之后再通过串口送到主控芯片进行处理。这就比用普通的 AD 芯片明显要好。其次单摆的灵敏度和稳定问题，就是说单摆既

13、要很容易摆动，又要摆动之后能很快停下来，这是一个矛盾，必须从中找出一个折中的平衡点。这平衡点就要求单摆的力臂不能太长，也不能太短。太长，摆动之后就很难停下来，太短又很难摆动。悬挂的重物也不能太重不能太轻。太重，摆动之后就很难停下来，太轻，很难摆动。经过我们无数次的试验，我们发现不能用线挂重物,因为用线挂重物时,重心全部落在重上,导致力矩过大,那么一旦起摆,将很难停下来。所以我们改用金属条,利用它的质量均匀分布的特点,使重心落在中间位置，不仅起摆迅速,而且一旦车停下来,它停摆的速度也是很快的。用金属条代替了力臂和重物，收到了明显的成效。我们称这样的单摆为高阻尼单摆高阻尼单摆.无线发送状态电路设计

14、无线发送状态电路设计采用不带协议的 315MHz 频段的无线收发模块,自行编写通信协议,及时将坦克所处状态发回观测台上的液晶 12864.这种收发模块只需占用单片机一个 IO 口.3软件设计3 3. .1 1程程 序序 流流 程程 图图扩展功能扩展功能扩展功能根本功能程序开始程序开始按下按下 A 键键全速前进全速前进采集角度量采集角度量求出平衡角度量求出平衡角度量化平均值和车从化平均值和车从前倾点退到后倾前倾点退到后倾点所用的时间点所用的时间可变低速限幅逼可变低速限幅逼进所求出的平衡进所求出的平衡角度量化平均值角度量化平均值在平衡点附近静在平衡点附近静止止 5 秒并蜂口鸣秒并蜂口鸣指示指示离开

15、原地全离开原地全速直奔速直奔 B 点点探测到木板探测到木板端点的边沿端点的边沿停止停止 5 5 秒秒并蜂鸣并蜂鸣全速直退全速直退回回 A 点点停车停车,根本功根本功能结束能结束按下按下 B 键键前进前进摆幅突然增大摆幅突然增大,坦克上板坦克上板,停车停车等待稳定等待稳定跟据四个红外跟据四个红外对管调整车的对管调整车的方向方向加重物加重物等待等待说明:程序一共设置两种模式,按 A 键是开始演示根本功能,按 B 键是开始演示扩展功能.3.23.2 限幅限幅- -逼进算法逼进算法由于翘翘板有一个这样的特性:重物在平衡点附近运动时振荡很大,而在非平衡点的其它地方运动时板根本不动,车难以在短时间内平衡静

16、止因而算法上排除了动态来回快速振动法,且 mega8 采集到的数据比拟稳定,数值幅度小,因而采用离散的限幅-逼进算法,保持车在一个非常微小的倾角振动范围内趋向平衡时的角度值,一旦由于车运动而产生的大于该振动范围的倾角振动,那么停车并等待振幅减小,一量振幅减小到所定的范围以内,那么车继续运动,将板渐渐压向水平,当板的倾角接近水平时,那么限幅要越来越小直至到达所要求的精度,由于车在进行限幅-逼进运动时,速度已调得较慢,故车需要先对平衡点进行快速模糊查找,我们采用两边压板求角度平均值,同时模糊地将平衡点定在两个压板点的中间.(注:压板点是车爬上板时刚能把板翘起的一边压下去的点,总共有两个这样的点,分

17、别位于转轴两边.车只需进行一次这样的查找,即可开始限幅-逼进,此时速度与当前倾角值挂钩).3.33.3 无引导自动识别上板无引导自动识别上板根据题目,自动上板时,是车头对着板的,只是有一定的角度.虽然题目为了降低难度而允许添加外界引导措施,但是我们设计了一个方案,不用添加任务引导, 在题目规定的 90 度范围,只要是向着板,就能平安上板.因为板与地的交界处存在角度差,不平坦,坦克一旦开到此处,那么会引起单摆的摆幅急剧增大,这一瞬间,就可以断定坦克开到了板的边沿,稍为延时一下,坦克就上板了,此时由于坦克的方向有可能是向着边沿的,最往前开就会掉出去,所以这时应先停下来交给四路红外对管作板边沿探索,

18、重新定向,使坦克走上正道.4 4 系统测试系统测试 根本功能测试根本功能测试高阻尼单摆角度测量A 端离地高度012345678910111213AD 采集到的数据9190888785848381807979787675根本功能(1)(坦克从起始端 A 出发,行驶到中心点 C 附近)测试次数 12345678910所用时间/s8878789878根本功能(2)(坦克在中心点附近使翘翘板处于平衡状态)测试次数 12345678910所用时间/s30292527332829272728根本功能(3)(坦克从(2)中的平衡点出发,行驶到翘翘板末端 B 处)测试次数 12345678910所用时间/s5655555555根本功能(4)(坦克在 B 点倒退回起始端 A 点,完成整个行程)测试次数 12345678910所用时间/s91010101010101010