智能蹺蹺板小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

邱永華

（廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510450）

1 前言

單片機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕和價(jià)格便宜等特點(diǎn)，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表和醫(yī)療器械了。單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中有著舉足輕重的作用，且在各式各樣的智能化產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。智能小車控制系統(tǒng)就是基于單片機(jī)來設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡、角度判斷和聲光提示等功能。

2 設(shè)計(jì)要求與總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電動(dòng)車蹺蹺板，在蹺蹺板起始端A一側(cè)裝有可移動(dòng)的配重。配重的位置可以在從始端開始的200～600 m m范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整步長不大于50 m m；配重可拆卸。電動(dòng)車從起始端A出發(fā)，可以自動(dòng)在蹺蹺板上行駛。電動(dòng)車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 起始狀態(tài)示意圖

圖2 平衡狀態(tài)示意圖

2.1.1 基本要求

在不加配重的情況下，電動(dòng)車完成以下運(yùn)動(dòng)：

1)電動(dòng)車從起始端A出發(fā)，在30 s內(nèi)行駛到中心點(diǎn)C附近；

圖3 自動(dòng)駛上蹺蹺板示意圖

2)60 s之內(nèi)，電動(dòng)車在中心點(diǎn)C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5 s，并給出明顯的平衡指示；

3)電動(dòng)車從2)中的平衡點(diǎn)出發(fā)，30 s內(nèi)行駛到蹺蹺板末端B處(車頭距蹺蹺板末端B不大于50 m m)；

4)電動(dòng)車在B點(diǎn)停止5 s后，1 m in內(nèi)倒退回起始端A，完成整個(gè)行程；

5)在整個(gè)行駛過程中，電動(dòng)車始終在蹺蹺扳上，并分階段實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)車行駛所用的時(shí)間。

2.1.2 發(fā)揮部分

將配重固定在可調(diào)整范圍內(nèi)任意指定位置，電動(dòng)車完成以下運(yùn)動(dòng)：

1)將電動(dòng)車放置在地面距離蹺蹺板起始端A點(diǎn)300 m m以外、90度扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置(車頭朝向蹺蹺板)，電動(dòng)車能夠自動(dòng)駛上蹺蹺板，如圖3所示；

2)電動(dòng)車在蹺蹺板上取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5 s以上；

3)將另一塊質(zhì)量為電動(dòng)車質(zhì)量10%～20%的塊狀配重放置在A至C間指定的位置，電動(dòng)車能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5 s以上；

4)電動(dòng)車在3 m in之內(nèi)完成1)～3)全過程。

2.2 總體設(shè)計(jì)

為了讓電動(dòng)車能保持在蹺蹺板上行駛不致跌落，可以在板上設(shè)置黑色的引導(dǎo)線，利用安裝在電動(dòng)車底板的紅外傳感器來檢測引導(dǎo)線的位置信號并傳送給控制器，控制器通過對電機(jī)運(yùn)行的控制來對電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車在蹺蹺板上沿指定的路線行駛。

為了能檢測到蹺蹺板的平衡狀態(tài)，利用裝載在電動(dòng)車上的光電編碼器和垂直重?cái)[組成的角度傳感器，檢測重?cái)[的擺動(dòng)偏移量，此擺動(dòng)偏移量經(jīng)光電編碼器和LM 629的處理，生成脈沖信號送至控制器，控制器根據(jù)此信號判斷蹺蹺板是否處于平衡狀態(tài)，并控制電動(dòng)車做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

控制器通過對各種信號的融合分析，將有關(guān)狀態(tài)信息送到液晶顯示模塊和聲光指示模塊進(jìn)行提示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)模塊方案選擇

3.1 控制器模塊

系統(tǒng)控制器主要進(jìn)行紅外、角度傳感器信號檢測和處理、電機(jī)控制、時(shí)間的顯示以及達(dá)到平衡位置的聲光提示。采樣Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。C8051F020不僅具有算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，運(yùn)行速度快，結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，并且具有高可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)具有PWM脈沖輸出，便于對智能小車的速度控制。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

雖然步進(jìn)電機(jī)的控制可調(diào)占空比較直流電機(jī)的更為簡單，但是其調(diào)速性能與運(yùn)行穩(wěn)定性不及直流電機(jī)，所以我們選擇使用直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。電動(dòng)車前輪和后輪分別采用獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中前輪電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，后輪電機(jī)控制速度。電動(dòng)車可以靈活地前進(jìn)和后退。

采用集成芯片L298及其外部輔助電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。L298中有兩套H橋電路，為了達(dá)到較好的控制效果，同時(shí)減少小車的總耗時(shí)，使用PWM波調(diào)速，PWM信號由單片機(jī)的硬件產(chǎn)生，通過非門反相接入L298，使單片機(jī)輸出的3.3 V電平轉(zhuǎn)化為5 V電平供給L298。L298集成芯片是雙通道的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。它最大能輸出2 A電流，供電電壓范圍4.5～36 V。

3.3 傳感器模塊

3.3.1 循線檢測模塊

循線檢測可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車沿著黑線軌跡運(yùn)動(dòng),其實(shí)現(xiàn)方案采用紅外光電傳感器，當(dāng)紅外線發(fā)射出去，被黑線吸收時(shí)，傳感器收不到反射紅外線，產(chǎn)生一個(gè)低電平，而當(dāng)紅外線通過白紙，沒有被吸收，傳感器收到發(fā)射回來的紅外線，產(chǎn)生一個(gè)高電平，單片機(jī)根據(jù)高低電平來判斷路面軌跡，保證小車沿著黑線行駛。此方案可以降低可見光的干擾，靈敏度高同時(shí)其尺寸小,質(zhì)量輕,電路簡單，安裝方便。

3.3.2 角度傳感器模塊

用于蹺蹺板平衡狀態(tài)檢測的角度傳感器模塊的原理圖如圖5所示。

圖5 角度傳感器模塊

由于LM 629具有增量式EN C接口，所以角度傳感器輸出的檢測信號可以通過LM 629進(jìn)行脈沖采集處理。LM 629是為使用增量式編碼器作位置反饋信號的各種直流電機(jī)伺服系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，可完成高性能數(shù)字控制所需的集中、實(shí)時(shí)的計(jì)算任務(wù)，可以隨時(shí)向上位機(jī)反饋各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。

3.4 聲光指示與液晶顯示模塊

本系統(tǒng)采用發(fā)光二極管和蜂鳴器進(jìn)行聲光指示，當(dāng)電動(dòng)車停止、轉(zhuǎn)向或者使蹺蹺板到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，會發(fā)出聲光指示；液晶顯示模塊能夠顯示電動(dòng)車在各段路程的行駛時(shí)間。

4 理論分析與計(jì)算

4.1 直流電動(dòng)機(jī)的控制方法與計(jì)算

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制采取脈沖寬度調(diào)制（PWM） 方式，驅(qū)動(dòng)電路則采用H橋電路。假設(shè)直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值為Uo，則

式（1）中：占空比a是一個(gè)重要參數(shù)，在電源電壓Us不變的情況下，改變a值就可以改變電樞端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。改變占空比的方法有以下3種：

1）定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t2，周期和頻率也隨之改變；

2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持t2不變，只改變t1，周期和頻率也隨之改變；

3）定頻調(diào)寬法：保持周期和頻率不變，同時(shí)改變 t1和 t2。

由于前兩種方法在調(diào)速過程中會改變脈沖周期和頻率，但脈沖頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，將引起振蕩，故使用較少。

H橋是電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。L298具有兩套H橋電路，通過改變它的控制信號的輸入方式，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

4.2 角度傳感器檢測蹺蹺板平衡狀態(tài)方法

經(jīng)過計(jì)算可知，蹺蹺板最大的傾斜角約為5度。安裝在電動(dòng)車上的重?cái)[由于始終要保持鉛直狀態(tài)，一旦蹺蹺板不平衡，重?cái)[就會偏移鉛直方向一定的角度擺動(dòng)，直到重?cái)[再次回到鉛直狀態(tài)位置不動(dòng)為止，這時(shí)蹺蹺板也正處于平衡狀態(tài)。重?cái)[擺動(dòng)期間，光電編碼器會檢測到重?cái)[偏移鉛直方向的角度，并將此角度值信號送至LM 629。

LM 629會根據(jù)重?cái)[的偏移角度值大小產(chǎn)生不同數(shù)量的脈沖。由反復(fù)調(diào)試測得，當(dāng)傾斜角為5度的時(shí)候，LM 629大約產(chǎn)生112個(gè)脈沖。單片機(jī)根據(jù)這些脈沖信號分析蹺蹺板的狀態(tài)，并通過PCA0口產(chǎn)生不同占空比的PWM信號，控制直流電動(dòng)車的轉(zhuǎn)速和方向。

通過頻密對光電編碼器產(chǎn)生信號的多次采樣和求平均值，可以準(zhǔn)確地得到蹺蹺板平衡狀況的信息，從而通過單片機(jī)控制直流電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，例如：減慢電動(dòng)車的運(yùn)行速度，并根據(jù)重?cái)[的擺向向前或者向后緩慢尋找蹺蹺板的平衡狀態(tài)，并在確認(rèn)蹺蹺板處平衡狀態(tài)的時(shí)候停止運(yùn)行，給出平衡狀態(tài)提示。實(shí)際上，這個(gè)檢測蹺蹺板平衡狀態(tài)的過程，就是一個(gè)直流動(dòng)機(jī)的伺服控制過程。采用伺服控制的方式，形成一種反饋機(jī)制，可以使得直流電動(dòng)車能夠準(zhǔn)確地找到蹺蹺板的平衡狀態(tài)。

4.3 循線控制方法

在電動(dòng)車底板前后各安裝3個(gè)紅外光電傳感器，單片機(jī)的I/O口通過檢測到的3個(gè)傳感器信號（前進(jìn)時(shí)檢測底板前面3個(gè)傳感器的信號，倒退時(shí)檢測底板后面3個(gè)傳感器的信號）來判斷電動(dòng)車的行駛狀態(tài)，通過控制電機(jī)，調(diào)整電動(dòng)車的行駛，使電動(dòng)車沿著黑線軌跡行駛，以不至于駛出蹺蹺板。紅外傳感器真值表如表1（表中X代表0或1)所示：

以電動(dòng)車前進(jìn)時(shí)為例，當(dāng)車子往左偏出軌道時(shí)，左邊的光電傳感器被黑色紙帶遮蔽，輸出為低電平，單片機(jī)接收到該信號，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，使車子往右偏回軌道，傳感器回到白紙區(qū)輸出為高電平，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，車子直線前進(jìn)。車子右偏時(shí)的狀態(tài)與左偏狀態(tài)相反。

表1 紅外傳感器真值表

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 單元電路的設(shè)計(jì)

5.1.1 單片機(jī)C8051F020最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)板將c8051f020的AD、DA、UART等片上外設(shè)都擴(kuò)展出接口，而利用外部中斷IN T 0擴(kuò)展了PS/2鍵盤接口，用P3口擴(kuò)展了LCD模塊，使得最小系統(tǒng)具有了友好的人家界面，而且也為該單片機(jī)豐富的片上資源提供了接口，如圖6所示。

圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)

5.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)

一個(gè)電動(dòng)小車整體的運(yùn)行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動(dòng)機(jī)3個(gè)主要部分組成(如圖7所示)。電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)。我們所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)，主要用到永磁直流電機(jī)、伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)3種。直流電機(jī)的控制很簡單，性能出眾，直流電源也容易實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用專用芯片L298N。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)T T L邏輯電平信號，可驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的電機(jī)。L298可驅(qū)動(dòng) 2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和 OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，EN A，EN B接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

由于電機(jī)在正常工作時(shí)對電源的干擾很大，只用一組電源時(shí)會影響單片機(jī)的正常工作。所以選用雙電源供電。一組5 V電源給單片機(jī)和控制電路供電，另外一組5 V、9 V電源給L298N的+VSS、+VS供電。電源電路如圖8所示。

另外，由于本系統(tǒng)的特殊需要，小車在達(dá)到平衡前需要很慢的速度，只將PWM波的占空比降下來是不行的，因?yàn)楫?dāng)占空比下降，小車雖然速度變慢，但驅(qū)動(dòng)能力同時(shí)也下降，以這種方式上坡時(shí)很容易停止工作，這里我們在電機(jī)和輪子間加入了減速器，電機(jī)很快的轉(zhuǎn)速通過減速器后輪子轉(zhuǎn)速變慢，這實(shí)際上是降低了小車的最大速度，以此來保證小車在最慢速度時(shí)仍有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。

5.1.3 循線檢測電路的設(shè)計(jì)

紅外傳感器檢測黑線的電路原理圖見圖9。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

圖8 電源電路

圖9 紅外傳感器檢測黑線電路圖

5.1.4 蹺蹺板平衡狀態(tài)檢測電路的設(shè)計(jì)

由于大部分的檢測控制任務(wù)均由LM 629內(nèi)部功能塊完成，因此其外部電路非常簡單，基本上只需要跟上位的單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光電編碼器做好接口即可。用光電編碼器對蹺蹺板的平衡狀態(tài)進(jìn)行檢測的電路原理圖如圖 10所示。

圖10 蹺蹺板平衡狀態(tài)檢測電路

5.1.5 顯示模塊電路的設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)。12862B可以顯示2行16個(gè)字符，液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。本系統(tǒng)在12862B液晶上顯示時(shí)間，其電路原理圖見圖11。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

5.2.1 整體軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想設(shè)計(jì)，與硬件設(shè)計(jì)相對應(yīng)，分成黑線檢測模塊、平衡狀態(tài)檢測模塊、顯示模塊和語音提示模塊。本系統(tǒng)的整體軟件流程圖見圖12。

圖11 12862B液晶顯示模塊電路原理圖

5.2.2 循線檢測的軟件設(shè)計(jì)

通過檢測黑色引導(dǎo)線的軌跡，控制電機(jī)的左右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車子沿著指定軌跡行駛。循線檢測的程序框圖如圖13所示。

5.2.3 蹺蹺板平衡狀態(tài)檢測的軟件設(shè)計(jì)

這一過程的軟件設(shè)計(jì)思想為：通過頻密對光電編碼器產(chǎn)生信號的多次采樣和求平均值，可以準(zhǔn)確得到有關(guān)蹺蹺板平衡狀況的信息，根據(jù)此信息通過單片機(jī)的PCA0口產(chǎn)生不同占空比的PWM信號，控制直流電動(dòng)車的轉(zhuǎn)速和方向，例如減慢電動(dòng)車的運(yùn)行速度，并根據(jù)重?cái)[的擺向向前或者向后緩慢尋找蹺蹺板的平衡狀態(tài)，并在確認(rèn)蹺蹺板處平衡狀態(tài)的時(shí)候停止運(yùn)行，給出平衡狀態(tài)提示。程序流程圖參看表2。

6 系統(tǒng)測試

用刻度尺測出起點(diǎn)線到終點(diǎn)線的實(shí)際距離，并記錄。將車子放在起跑線上，撥動(dòng)開關(guān)，同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，車子開始行駛，并讀出車子停止時(shí)，顯示時(shí)間，記錄于表2（表中數(shù)據(jù)為多次測量的平均值，實(shí)測距離為電動(dòng)車車頭與A處的距離）：

從以上數(shù)據(jù)分析，無論在無加配重或有加配重的情況下，電動(dòng)車都能沿指定的路線在蹺蹺板上行走，并能在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)走完規(guī)定的路程段，而且能夠在蹺蹺板到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)保持該狀態(tài)5 s或5 s以上。

圖13 循線檢測的程序框圖

表2 測試數(shù)據(jù)

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)以單片機(jī)C8051F020最小系統(tǒng)為核心控制，利用各種傳感器的檢測技術(shù)，并且配合程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車在蹺蹺板上的正確行駛，實(shí)現(xiàn)了對蹺蹺板平衡狀態(tài)的檢測并控制電動(dòng)車作出相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)，完成了設(shè)計(jì)要求。電動(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)控制不只是一個(gè)簡單的電子控制問題，它涉及了機(jī)械學(xué)，電磁學(xué)，力學(xué)等方面的知識，并與單片機(jī)相配合，實(shí)現(xiàn)精確控制。

[1]全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品匯編[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[2]黃智偉 .全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]楊振江.流行單片機(jī)實(shí)用子程序及應(yīng)用實(shí)例[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[4]潘琢金譯.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2005].新華龍電子有限公司http://www.xhl.com.cn.

[5]何希才，薛永毅.傳感器及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.