單片機電動車蹺蹺板設計的大體思路介紹

ID:590805 · 發表于 2019-7-26 14:57

本系統以51系列單片機89S52為控制中心，外加電機驅動集成電路L298、七段碼譯碼顯示集成電路74LS247、七段碼數碼管等外圍元件控制電動車前進、后退、停止等運行狀態，并顯示所需時間、發出聲光報警。本次設計前進、后退、停止等狀態運行時間通過簡單估算及實驗測試最終確定，并通過單片機定時完成。單片機通過接收鍵盤信號確定小車的工作方式，從而啟動具有相應定時參數的運行程序；單片機執行程序時根據定時信息適時發出控制信號給電機驅動集成電路L298；而L298通過輸出高電壓、低電壓、零值電壓來控制電動車的前進、后退、剎車、停止等運行模式。

一核心模塊的方案論證和比較：
1 電動車位置測定方案的選擇：
由于題目要求電動車在運行到某一特定位置時要改變運動狀態，因此需要實時測定電動車的位置。可以有以下方案：
方案一：機械測距。采用行程開關測定電動車是否到達某一特定位置，然后將信號傳入單片機；
方案二：光電測距。采用紅外線二極管對射獲得電動車當前位移。
方案三：時間測距。電動車在蹺蹺板水平和傾斜兩種狀態下前進和后退的速度是固定不變的（啟動和制動的過程除外），盡管兩者并不相同。我們可以通過理論估算和實驗修正最終確定電動車在以上兩種狀態下的速度。因此，時間就代表了電動車在蹺蹺板中的位置。通過定時可以很好地把握電動車改變運動狀態的時機。而定時又可采用兩種子方案。1.外部硬件電路定時。如利用555振蕩器產生秒信號，然后利用十進制計數器74LS160計數定時，并利用相應譯碼顯示集成電路74LS247、七段碼數碼管顯示時間。這里，單片機的作用僅僅是向計數器/計時器電路發出開始、結束等控制信號。該方案優點在于節省了單片機I/O端口，節省了程序長度，縮短了執行時間，保證了控制的實時性。缺點在于增加了硬件定時電路的成本，增加了電路的復雜性，定時的準確度往往不能得到保證。2．軟件定時。單片機通過軟件進行定時，采用時鐘信號作為時間基準，啟用程序計數功能。該方案定時準確，不增加硬件投資。盡管增加了程序的長度，但對于單片機存儲容量的要求微乎其微，盡管稍稍延長了程序執行時間，但對控制的時效性的影響幾乎可以忽略不計。
綜上所述，軟件定時測電動車的位置方案節省硬件投資，簡化電路，簡單易行，并且還可以方便地實時顯示時間，因此我們選用方案三中的軟件定時。
2 電機的選擇：
方案一：采用步進電機。步進電機的顯著特點就是具有快速啟動和停止能力。如果負荷不超過步進電機所提供的動態轉矩值，就可以使電機快速啟動、停止和反轉。另一個顯著特點就是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。但步進電機價格相對較高。
方案二：采用普通直流電機。直流電機具有良好的調速性能，調速平滑方便，調速范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求。
由于比賽前購買的電動車安裝的是普通的直流電機，因此采用直流電機相對節省了購買步進電機的大量開支；而且直流電機驅動電路相對簡單，因此選用直流電機降低了電路的復雜度，同時也減小了硬件部分的故障概率。我們選用方案二。
3直流電機制動性能的改進：
方案一：采用能耗制動的方法：即需要停車時，切斷電源，使電動車在摩擦力作用下停止。
方案二：采用短時反接制動的方法：需要停車時，通過單片機控制驅動芯片L298向電動車提供負向電源，促使其快速停車。
方案一受慣性影響，停車較慢，方案二在不增加硬件、軟件成本的前提下縮短了制動時間，提高了控制的時效性。我們選用方案二。
4 蹺蹺板平衡狀態的檢測與實現：
方案一：采用角度傳感器來實現。利用角度傳感器實時測試蹺蹺板當前狀態與水平位置的夾角，將其輸出的八位格雷碼輸入單片機的I/O口，經過程序采集、分析及處理，向電動車驅動電路發出相應的控制信號。當角度傳感器檢測到當前處于平衡位置時，發出停車信號。
方案二：利用估算及反復實驗確定合適位移，從而達到平衡狀態。當配重物體重量、位置均固定不變時，小車只要運動到一個特定位置蹺蹺板即可到達平衡位置。只要利用物理上的杠桿原理對小車的這個特定位移進行估算，并通過多次實驗進行統計處理即可得到。
我們選用方案二。
二系統的具體設計與實現
本系統利用51系列單片機89S52作為電動車運動控制中心，外接角度傳感器用來檢測蹺蹺板的平衡狀態，利用鍵盤及撥碼開關設定蹺蹺板的初始位置及配重物體的位置信息，利用兩位數碼管顯示時間，利用蜂鳴器及發光二極管進行聲光報警。軟件部分主要包括根據設定信息及角度傳感器輸入的信息進行定時、電機驅動信號的產生、聲光報警信號的產生等。
以下分硬件和軟件兩個部分進行分析討論：
1 系統的硬件設計：

原理框圖如下: