基于SCT89C51單片機(jī)的智能行李箱電動輪的設(shè)計(jì)

李明明　郝文靜　管梓程　付泉桂　丁玉茹

摘要：基于STC89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了外置式可拆卸的行李箱電動輪，通過電動機(jī)與行李箱輪子的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)行李箱的獨(dú)立驅(qū)動，利用可充電的電池來提供電力，使用光電編碼器與直流減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)電動輪的測速與調(diào)速功能，使行李箱的使用更加方便省力。該文給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件組成部分以及軟件算法實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此裝置能夠大大減少使用者在拉動行李箱時(shí)的阻力，實(shí)現(xiàn)省力拉動行李箱的目的。

關(guān)鍵詞：STC89C51;直流減速電機(jī);測速與調(diào)速;行李箱電動輪

中圖分類號：TP272? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0217-03

隨著生活節(jié)奏的加快和生活質(zhì)量的提高，人們越來越多地需要進(jìn)行工作出差或旅游休閑。在旅途中奔波時(shí)，行李箱必不可少。無論是國內(nèi)市場還是國外市場，行李箱依然主要靠人力拉動。隨著工作復(fù)雜性的提高，以及人們對生活舒適性的追求，行李箱往往需要裝載很多物品，顯得相當(dāng)笨重，在運(yùn)動的時(shí)候會有很大的阻力。此時(shí)，一個(gè)方便易攜帶的行李箱不但可以省時(shí)省力，提高效率，而且可以降低拖運(yùn)笨重的行李箱時(shí)帶來的不愉快感，提升旅行的體驗(yàn)和質(zhì)量。然而更換一個(gè)普通行李箱并不能解決這些問題，并且市面上已有的自動行李箱往往價(jià)格不菲，體積固定，難以適應(yīng)不同旅行的需求。為了解決上述問題，本文從常見的行李箱入手，研究怎樣通過外加電動輪使行李箱的使用更加方便省力。

本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)做主控，通過光電編碼器采集電機(jī)速度，經(jīng)過直流減速電機(jī)的測速與調(diào)速算法調(diào)節(jié)，使助力輪的速度趨近使用者拉動的速度，以達(dá)到省力的目的。本文設(shè)計(jì)的外置式行李箱電動輪具有輕便易于攜帶、可拆卸、占地面積小、可反復(fù)充電等特點(diǎn)。并且作為行李箱的外設(shè)，不會對貴重的行李箱主體造成影響，同時(shí)避免了更換智能行李箱所造成的花費(fèi)。在人們追求高水平生活質(zhì)量的當(dāng)今，本裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可以極大地滿足人們的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種可外加安裝在普通行李箱上的電動輪，主要由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件部分包括底板、直流減速電機(jī)、滾輪、電源、光電編碼器、單片機(jī)系統(tǒng)板以及電機(jī)驅(qū)動板等裝置;軟件部分為系統(tǒng)自動測速及調(diào)速算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及工作流程圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C51單片機(jī)

STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含4K Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性。

2.2 MG513BP30直流減速電機(jī)及編碼器

MG513BP30為永磁有刷直流減速電機(jī)，工作電壓7-13V，減速比為1：30。在12V電壓下，額定功率7W，額定電流540mA，堵轉(zhuǎn)電流5.4A，堵轉(zhuǎn)扭矩15KG.cm。原始轉(zhuǎn)速15000rpm，減速后空載轉(zhuǎn)速500rpm。光電編碼器采用高精度AB相光電編碼器，尾部500線AB相輸出，減速比1：30的電機(jī)減速器輸出軸轉(zhuǎn)一圈，可以輸出15000個(gè)完整脈沖。且自帶上拉整形，單片機(jī)可以直接讀取。光電編碼器用于測量速度。

2.3 L298N驅(qū)動板

L298N是專用驅(qū)動集成電路，屬于H橋集成電路。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅(qū)動感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。

2.4 電源、底板及固定裝置

電源采用YSD12-5A鋰電池，輸入電壓12.6V DC，可同時(shí)輸出12V5A DC及5V1A DC。電源容量19000mAh。5V接口為單片機(jī)系統(tǒng)板供電;12V接口為電機(jī)驅(qū)動板單獨(dú)供電。電機(jī)驅(qū)動板為兩個(gè)直流減速電機(jī)及光電編碼器提供動力。底板采用鋁合金材料，質(zhì)量輕強(qiáng)度高，且有固定帶連接孔可供此電動輪與行李箱連接。行李箱電動輪的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2.5 硬件工作原理

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主控制器采用STC89C51單片機(jī)，外接12MHZ晶振。STC89C51單片機(jī)和直流減速電機(jī)驅(qū)動板安裝在單片機(jī)系統(tǒng)板上。

直流減速電機(jī)驅(qū)動板的驅(qū)動信號由STC89C51單片機(jī)提供，通過導(dǎo)線給予直流減速電機(jī)輸出信號。光電編碼器將速度信號反饋給單片機(jī)從而調(diào)節(jié)直流減速電機(jī)的速度。在行李箱行走過程中，滾輪旋轉(zhuǎn)帶動直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動，光電編碼器采集直流減速電機(jī)的速度，將信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將采集的信息進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的輸出信號給直流減速電機(jī)驅(qū)動板中的電機(jī)驅(qū)動芯片L298N，L298N輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流信號用以驅(qū)動直流減速電機(jī)，使其達(dá)到合適的省力扭矩。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 小功率直流電機(jī)的調(diào)速原理

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)小功率直流電機(jī)調(diào)速是極為方便的。PWM全稱脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），主要是通過改變占空比（即電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值）來控制電機(jī)速度。利用脈寬調(diào)制（PWM）方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是電源的能量功率能得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出占空比為50%的方波時(shí)，脈寬調(diào)制（PWM）電路輸出能量功率也為50%，即幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)換給負(fù)載。而電阻降壓調(diào)速時(shí)，要使負(fù)載獲得電源最大50%的功率，電源必須提供71%以上的輸出功率，這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路、信號傳輸形式、跟隨速度要求及行李箱特點(diǎn)等，制定了系統(tǒng)的工作流程，如圖3所示。

單片機(jī)內(nèi)已燒入程序預(yù)設(shè)，為了使系統(tǒng)的速度更加穩(wěn)定，程序?qū)WM占空比從0%到100%每隔10%設(shè)置一擋，共設(shè)置11擋，單片機(jī)輸出的PWM信號則可以是這11擋中的任意一擋。單片機(jī)通過光電編碼器進(jìn)行10ms一次的速度采集，將采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值比對，用T0定時(shí)器中斷改變占空比擋位完成相應(yīng)的PWM輸出。電機(jī)驅(qū)動板采集單片機(jī)的PWM信號，改變從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。測速模塊的數(shù)據(jù)采集和PWM調(diào)速模塊的實(shí)時(shí)處理，使本產(chǎn)品的速度實(shí)時(shí)趨向于行李箱拉動時(shí)的速度，實(shí)現(xiàn)省力的目的。

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

本文中所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)測試分為兩部分，分別測定空載時(shí)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際使用時(shí)在大理石地面上的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速由插在單片機(jī)板上的1602液晶顯示屏顯示（僅為測試使用，產(chǎn)品實(shí)際使用沒有此裝置，故圖中未展示）。為了方便與人實(shí)際行走速度做對比，這里將轉(zhuǎn)速換算為對應(yīng)的速度：輪子直徑[d]為0.064m，根據(jù)公式[v=π?d?r]可計(jì)算得到速度。

空載測試時(shí)，將產(chǎn)品輪子懸空，改變程序中的占空比值，記錄下顯示屏的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)速僅為參考值。空載測試的目的是以此作為標(biāo)準(zhǔn)，通過與實(shí)際在大理石地面上使用時(shí)的轉(zhuǎn)速對比，判斷實(shí)際使用時(shí)是否達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速。在相同占空比情況下，實(shí)際使用時(shí)的轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速的35%以上就認(rèn)為達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

表1與表2為空載測試時(shí)，改變占空比所測的數(shù)據(jù)。

當(dāng)行李箱質(zhì)量在5-10kg時(shí)，實(shí)際使用時(shí)轉(zhuǎn)速、速度與占空比關(guān)系如表3和表4所示。

在保證電動機(jī)正常穩(wěn)定工作的情況下，最適宜的占空比為60%-70%，此時(shí)速度為0.9m/s-1.2m/s。成年人正常走路的速度約為1m/s，二者可基本保持一致。

實(shí)際測試時(shí)，使用者開始拉動行李箱，行李箱電動輪受力自動加速至使用者行走的速度，并能保持恒定;若使用者速度加快，行李箱電動輪會自動提速，直到與使用者行走速度一致;當(dāng)使用者停止拉動時(shí)，行李箱會自動減速停止。

以裝置空轉(zhuǎn)測試的轉(zhuǎn)速區(qū)間為基礎(chǔ)，得出實(shí)際使用時(shí)合理的轉(zhuǎn)速區(qū)間分配。通過空載測試和實(shí)際測試結(jié)果的轉(zhuǎn)速分析，在占空比大于20%時(shí)，實(shí)際測試的轉(zhuǎn)速能達(dá)到空載轉(zhuǎn)速的35%以上，轉(zhuǎn)速值達(dá)到了基本目標(biāo)。實(shí)際測試的轉(zhuǎn)速值換算為速度之后，與成年人正常走路速度做對比，在最佳占空比情況下（60%-70%），行李箱電動輪的速度與人走路速度基本一致。由此可得出結(jié)論：行李箱電動輪能夠給使用者提供有效的助力，并且在人正常走路的速度區(qū)間內(nèi)，行李箱電動輪能保持最佳狀態(tài)工作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種行李箱電動輪。由電源模塊、測速模塊、PWM調(diào)速模塊和顯示模塊組成。測速模塊測量出的速度信號實(shí)時(shí)傳遞給PWM調(diào)速模塊和顯示模塊，顯示模塊顯示實(shí)時(shí)速度，PWM調(diào)速模塊將收到的速度信號與預(yù)設(shè)值比較后進(jìn)行調(diào)速。經(jīng)過理論分析與實(shí)際參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了自動的加速減速功能，從而保證了在人拉動行李箱時(shí)助力輪速度與人的速度基本一致。但此裝置的使用依然有一定的限制，在地面阻力非常大時(shí)，將達(dá)不到理想的助力效果。但在大多數(shù)情況下，此裝置都能發(fā)揮巨大的作用，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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