基于單片機(jī)的后輪驅(qū)動(dòng)小車差速器設(shè)計(jì)

朱麗瑩 鄧天樂(lè) 戴媛媛 張毅恒 王繼磊

摘 要：文章提出一種基于51單片機(jī)的后輪驅(qū)動(dòng)小車差速器設(shè)計(jì)方案，以兩片STC89C51RC單片機(jī)芯片作為后輪驅(qū)動(dòng)小車差速器的主控芯片。兩片單片機(jī)相互配合，實(shí)現(xiàn)小車的速度測(cè)量及差速轉(zhuǎn)向。該設(shè)計(jì)符合電子差速器的發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究工作打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電子差速；STC89C51RC；單片機(jī)；速度測(cè)量

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）14-0035-02

Abstract： In this paper， a design scheme of rear wheel drive car differential based on 51 single-chip microcomputers is presented. Two STC89C51RC microcontroller chips are used as the main control chip of the rear wheel drive car differential. The two single-chip computers cooperate with each other to realize the speed measurement and differential steering of the car. The design accords with the development trend of electronic differential， and lays a foundation for further research.

Keywords： electronic differential； STC89C51RC； single chip microcomputer； velocity measuremen

引言

隨著國(guó)家“一三五”計(jì)劃的頒布及實(shí)施，越來(lái)越多的科研人員開始研究電力驅(qū)動(dòng)、無(wú)污染的新能源汽車。作為新能源汽車的典型代表，電動(dòng)汽車也越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)階段的電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式一般采用后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接減速器用以帶動(dòng)車輪，對(duì)于其轉(zhuǎn)向方式，一般采用控制內(nèi)外車輪連接的轉(zhuǎn)速器不同的轉(zhuǎn)速比從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎內(nèi)外車輪的轉(zhuǎn)速差而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。而本文提出的電子差速采用兩個(gè)電機(jī)直接控制兩個(gè)后輪，可通過(guò)控制電機(jī)直接控制內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速比，省去了減速器復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了轉(zhuǎn)向的靈活性，降低整車成本[1]。

本文所設(shè)計(jì)的差速器由兩塊單片機(jī)構(gòu)成，通過(guò)角度傳感器和速度傳感器獲取當(dāng)前小車的轉(zhuǎn)彎角度和速度，在單片機(jī)1中由阿克曼原理[2]計(jì)算出PWM占空比差傳送給單片機(jī)2，單片機(jī)2則根據(jù)PWM占空比差值調(diào)整內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速，使小車實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)由STC89C51控制模塊、測(cè)速傳感器、角度傳感器以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2 單片機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)選用STC89C51RC單片機(jī)作為主控芯片。STC89C51RC是一款采用8051核的ISP在系統(tǒng)可編程芯片，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，是高速、低功耗的新一代8051單片機(jī)，片上有2個(gè)16位定時(shí)器，2路外部中斷，4個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口等功能[3]。

1.3 測(cè)速模塊

測(cè)速模塊選用槽形光耦傳感器。如圖1所示，碼盤上均勻分布透光與不透光部分，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)碼盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。當(dāng)碼盤不透光部分遮擋光耦傳感器時(shí)，光耦傳感器輸出高電平，無(wú)遮擋時(shí)輸出低電平，經(jīng)整形后便得到脈沖信號(hào)，將其接入單片機(jī)外部中斷引腳，再利用頻率測(cè)量法即可計(jì)算小車速度。

1.4 角度測(cè)量模塊

我們使用電位器式角度傳感器測(cè)量小車轉(zhuǎn)彎角度。小車轉(zhuǎn)彎時(shí)帶動(dòng)電位器旋鈕旋轉(zhuǎn)，從而改變電位器輸出電壓，將所測(cè)角度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。但由于電位器輸出的是模擬電壓，因此我們使用PCF8591這款芯片將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。

PCF8591是單電源、低功耗的8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有四個(gè)模擬輸入端口、一個(gè)輸出端口和一個(gè)串行IIC總線接口。PCF8591的地址引腳A0， A1和A2用于硬件地址編程，允許將最多8個(gè)器件連接至IIC總線而不需要額外硬件。PCF8591的功能包括內(nèi)置跟蹤保持、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模轉(zhuǎn)換等。其地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)IIC總線進(jìn)行傳輸?shù)模渥畲筠D(zhuǎn)化速率決定于IIC總線的最大速率[5]。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。L298N是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流。其功率部分的供電電壓范圍為2.5～48V，邏輯部分由5V電源供電，可以方便的驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)或兩個(gè)直流電機(jī)[6]。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，本電子差速器由兩塊單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)1主要完成測(cè)速及角度測(cè)量功能，由數(shù)碼管顯示。并將由阿克曼原理計(jì)算出的PWM占空比差傳送給單片機(jī)2進(jìn)行下一步處理。其流程圖如圖3所示。單片機(jī)1的定時(shí)器1負(fù)責(zé)每0.5s啟動(dòng)一次速度測(cè)量與角度測(cè)量，之后將占空比差發(fā)送給單片機(jī)2。測(cè)速采用頻率測(cè)量法：在固定時(shí)間內(nèi)，計(jì)取光電開關(guān)脈沖個(gè)數(shù)，由脈沖個(gè)數(shù)除以沖片上不透光部分?jǐn)?shù)目得到電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)[7]。又因?yàn)殡姍C(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，因此圈數(shù)除以固定時(shí)間即可算出車輪轉(zhuǎn)速，乘上車輪周長(zhǎng)便可以得到小車行進(jìn)線速度。由于單片機(jī)兩個(gè)外部中斷優(yōu)先級(jí)不同，為了保證速度測(cè)量的精度，程序采取錯(cuò)時(shí)測(cè)量的方法，即在定時(shí)器0定時(shí)的第一個(gè)0.2s內(nèi)，只開啟外部中斷0，記錄左輪脈沖個(gè)數(shù)。在第二個(gè)0.2s內(nèi)，只開啟外部中斷1，記錄右輪脈沖個(gè)數(shù)。計(jì)算完左右輪速度后再由數(shù)碼管顯示。角度的測(cè)量則是利用單片機(jī)IO口模擬IIC接口與PCF8591進(jìn)行通信，獲取當(dāng)前角度傳感器輸出電壓，經(jīng)過(guò)換算后得到小車轉(zhuǎn)彎角度，由數(shù)碼管進(jìn)行顯示。最后，將計(jì)算所得結(jié)果通過(guò)IO口發(fā)送給單片機(jī)2，由此完成一次循環(huán)，進(jìn)行下一輪測(cè)量。

單片機(jī)2用于驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)。由于STC89C51沒(méi)有PWM輸出模塊，我們用定時(shí)器0模擬輸出周期為1ms的PWM波來(lái)控制后輪內(nèi)外電機(jī)轉(zhuǎn)速。定時(shí)器1負(fù)責(zé)每0.5s讀取一次單片機(jī)1發(fā)來(lái)的占空比差值，并將外輪對(duì)應(yīng)占空比調(diào)節(jié)為兩輪平均占空比加其原占空比差值，內(nèi)輪對(duì)應(yīng)占空比調(diào)節(jié)為兩輪平均占空比減其原占空比差值，由此調(diào)整兩電機(jī)輸入電壓，以實(shí)現(xiàn)小車的差速轉(zhuǎn)向。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章闡述了后輪驅(qū)動(dòng)小車差速器的軟硬件設(shè)計(jì)，價(jià)格低廉，實(shí)驗(yàn)效果良好。但是，小車雖然在地面環(huán)境和初始條件較好時(shí)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，然而在受到外界干擾時(shí)可能出現(xiàn)不正常工作的現(xiàn)象。因此，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是下一步工作的主要目標(biāo)。

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