基于51單片機(jī)的電動(dòng)車(chē)蹺蹺板設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2012-07-16
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2.3 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的選擇
根據(jù)題目中小車(chē)行駛?cè)痰臅r(shí)間要求，可知小車(chē)的行駛速度很慢，普通的電機(jī)很難滿足此速度要求，而直流減速電機(jī)可以滿足此要求，且具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，不會(huì)在傾斜面出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。故我們采用直流減速電機(jī)。
在選用驅(qū)動(dòng)模塊方面有以下兩種方案：一是采用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片集成度高，占用空間小，主要應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速場(chǎng)合，但價(jià)格較高。二是采用晶體三極管驅(qū)動(dòng)電路。由于電動(dòng)車(chē)所要求的功能比較簡(jiǎn)單，用晶體三極管驅(qū)動(dòng)就可以了，故我們最后決定用第二種方案。
2.4 信息顯示模塊
若采用LED，缺點(diǎn)是占用單片機(jī)接口太多，顯示信息量少，需要循環(huán)顯示，占用太多程序資源。而采用LCD，只占用單片機(jī)6條I/O線，同時(shí)顯示信息量大，靈活多變顯示多種信息。因此，我們擬采用后者。
2.5 電源選擇
方案一：所有器件采用單一電源(5節(jié)五號(hào)電池)。這樣供電比較簡(jiǎn)單，但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，使之不能完成預(yù)定行程。
方案二：雙電源供電。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用5節(jié)5號(hào)電池(大容量2.3Ah電池)，單片機(jī)及其外圍電路電源采用另一組3節(jié)5號(hào)電池(大容量2.3Ah電池)供電，兩路電源完全分開(kāi)，這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
我們認(rèn)為本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定可靠性更為重要，故擬采用方案二。
經(jīng)過(guò)一番仔細(xì)的論證比較，我們最終確定的電動(dòng)車(chē)蹺蹺板系統(tǒng)框圖如圖4所示。
圖4 電動(dòng)車(chē)蹺蹺板系統(tǒng)框圖
3.系統(tǒng)分立模塊設(shè)計(jì)及工作原理
3.1尋跡線探測(cè)電路
采用型號(hào)為E3F-DS30C4集成斷續(xù)式光電開(kāi)關(guān)探測(cè)器，該探頭輸出端只有三根線(電源線、地線、信號(hào)線)，只要將信號(hào)線接在單片機(jī)的I/O口，然后不停地對(duì)該I/O口進(jìn)行掃描檢測(cè)，當(dāng)其為高電平時(shí)則檢測(cè)到白紙，當(dāng)為低電平時(shí)則檢測(cè)到黑線區(qū)域。小車(chē)前進(jìn)(倒退)時(shí)，始終保持黑線在車(chē)頭(車(chē)尾)兩個(gè)傳感器之間，當(dāng)小車(chē)偏離黑線時(shí)，探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車(chē)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車(chē)路徑予以糾正。當(dāng)小車(chē)回到了軌道上時(shí)，車(chē)頭(車(chē)尾)兩個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車(chē)?yán)^續(xù)直線行走，否則小車(chē)會(huì)持續(xù)進(jìn)行方向調(diào)整操作，直到小車(chē)恢復(fù)正常。
3.2平衡狀態(tài)檢測(cè)電路
圖5 分壓比較式平衡檢測(cè)電路
在平衡檢測(cè)電路中，我們運(yùn)用了高精度角度傳感器，此傳感器通過(guò)對(duì)自身偏離水平角度的測(cè)量，對(duì)應(yīng)線性輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。依據(jù)題目的要求，我們分析得出小車(chē)隨蹺蹺板上下擺動(dòng)幅度在正負(fù)4度角時(shí)即認(rèn)為其處于平衡狀態(tài)。而此角度傳感器在此區(qū)間內(nèi)的靈敏度最高，其輸出電壓為2.45-2.55伏之間。將此輸出電壓經(jīng)比較放大，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通入到單片機(jī)中。但是由于整個(gè)變化范圍只有0.1度角，任何輕微的干擾都會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。用A/D轉(zhuǎn)換又會(huì)使精度降低，干擾過(guò)大，又因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很難做到真正的靜態(tài)平衡，所以我們最終決定采用動(dòng)態(tài)尋找平衡的方式，因此用分壓電路和電壓比較器制作信號(hào)電路，根據(jù)信號(hào)端的變化控制小車(chē)，使角度傳感器的電壓輸出保持在2.45-2.55伏之間，經(jīng)多次測(cè)試與精心調(diào)試，該電路可很好的滿足要求。平衡檢測(cè)電路如圖5所示。
3.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)電路中的J1接電機(jī)，MOT1和MOT2接高低電平來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制電機(jī)的前進(jìn)和后退以及左右轉(zhuǎn)向。
圖6 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
4. 軟件設(shè)計(jì)
軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。(詳細(xì)軟件流程圖見(jiàn)附錄)
評(píng)論