基于 AT89S52 单片机的电动车跷跷板系统设计
基于 AT89S52 单片机的电动车跷跷板系统设计
张建化 ,陈 跃 ,熊永超
(徐州工程学院 江苏 徐州 221008)
摘 要 :介绍电动车跷跷板系统的设计与实现。该系统包括单片机系统电路、寻迹检测电路、平衡检测电路、步进电机
驱动电路、数码显示电路等。在系统中 ,以 A T89S52 单片机为电动小车控制核心 ,使用反射式红外发射接收器来检测轨迹 ,
步进电机作为动力源实现小车前进后退和转向控制 ,用 2 个水银开关控制完成平衡状态的检测 ,用数码管分阶段实时显示
电动车行驶所用时间。3 次实验数据表明 ,这里所提出的平衡检测方案是有效可行的。
关键词 :寻迹检测电路 ;步进电机 ;跷跷板系统 ;平衡检测电路
中图分类号 : TP271. 4 文献标识码 :B 文章编号 :10042373X(2008) 242163203
Design of Seesa w System with Electric Vehicle Based on AT89S52 Single Chip Computer
ZHAN GJianhua ,CHEN Yue ,XION G Yongchao
(Xuzhou Institute of Technology ,Xuzhou ,221008 ,China)
Abstract :Design and implementation of seesaw system based on electric vehicle are introduced. The control system con2
sists of A T89S52 single chip computer system ,autonomous tracing circuit ,balance detection circuit ,driving circuit of stepping
motor and L ED display circuit. Centering on A T89S52 ,the track detection is realized by reflective infrared emitter and receiver
and the steering of the vehicle is driven by stepping motor. The detection of balance state is implemented by two mercury
switches and the travel time is displayed with L ED separately. The scheme is proved to be effective and practical by experimen2
tal results during three tests.
Keywords :autonomous tracing circuit ;stepping motor ;seesaw ;balance detection circuit
收稿日期 :2008204218
基金项目 :徐州工程学院青年教师基金项目(XKY2007325)
1 引 言
2007 年全国大学生电子设计大赛的 F 题目是“电动
车跷跷板”[1] ;题目要求设计并制作一个电动车跷跷板 ,
使得电动小车从图 1 所示跷跷板起始端 A 出发在 30 s
内到达中心点 C 并保持平衡 5 s ,之后在 30 s 内到达跷跷
板末端 B 并停留 5 s ,最后在 1 min 内退回到起始端 A。
在整个行驶过程中 ,电动车始终在跷跷板上 ,并分阶段实
时显示电动车行驶所用的时间。所要求平衡的定义为
A ,B 两端与地面的距离差 d = 0 dA - dB 0 不大于
40 mm。
图 1 电动车跷跷板示意图
2 系统方案设计
在系统设计中 ,根据竞赛要求电动小车设计车体长
为 26 cm ,宽为 18 cm ,电动小车采用左右两轮分别驱
动、万向轮转向的方案 ,即左右轮分别用两个转速和力
矩相同的步进电机进行驱动 ,万向轮安装在聚乙烯底板
的前部。当小车运动时 ,左右两驱动轮与万向轮形成了
三点结构 ,这种结构使得小车在运动时比较平稳。
A T89S52 单片机采用 CHMOS 工艺及高密度、非
易失性存储技术制造 ,内部包括 1 个 8 位 CPU ,1 个片
内振荡器及时钟电路 ,3 个 16 位定时计数器 ,4 个 8 位
并行 I/ O 口 , 8 个中断源 ,1 个可编程全双工串行口 ,
8 kB可插除 FLASH 和 256 B 的 RAM ,且内置看门狗
电路 ,一旦程序跑飞则复位系统[2 ] 。因此 ,设计中采用
8 位A T89S52 单片机负责系统的控制与协调工作 ,同
时它还不断处理红外对管传感器送来的地面标志信号 ,
这些信号主要控制小车的加速、减速、限速、刹车、倒车
等状态。此外 ,在系统设计中当利用片内的定时器作为
小车行驶计时 ,并为 L ED 驱动集成电路提供时钟和数
据 ,电动车上的水银开关传感器根据摆动装置的摆动状
态来反馈小车的平衡位置 ,能够很好地反映小车在翘翘
板上的运动情况。系统的原理框图如图 2 所示。
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《现代电子技术》2008 年第 24 期总第 287 期 t 新型元器件 ü
系统模块设计主要包括以下部分。
图 2 系统结构框图
2. 1 电源模块
方案一 :采用 12 V 蓄电池作为电源。蓄电池虽然
具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能 ,但
是蓄电池的体积较大且较重 ,如若采用蓄电池则电动小
车重心控制较难。
方案二 :采用 11. 1 V / 2 200 mAh 可充电式锂电池
作为电源 ,经 LM7805 电压变换电路为单片机供电。
采用锂电池供电后 ,单片机和传感器工作稳定 ,且电池
的体积较小 ,重量也较小 ,能够满足系统的要求 ,因此采
用方案二。
2. 2 传感器的选择
方案一 :用红外发射管和接收管作为寻迹传感器。
红外发射管发出红外线 ,当发出的红外线照射到白色的
平面后反射 ,若红外接收管能接收到反射回的光线则检
测出白线继而输出低电平 ,若接收不到发射管发出的光
线则输出高电平。但是红外对管工作不够稳定 ,且容易
受外界光线的影响。
方案二 :用 RPR220 型光电对管。RPR220 是一种
一体化反射型光电探测器 ,其发射器是一个砷化镓红外
发光二极管 ,而接收器是一个高灵敏度的硅平面光电三
极管。如图 3 所示 ,当发光二极管发出的光反射回来
时 ,三极管导通运算放大器输出高电平。该光电对管调
理电路简单 ,工作性能稳定 ,因此这里选择方案二。
2. 3 电机驱动电路
方案一 :采用直流电机。直流电机具有优良的调速
特性 ,调速平滑方便 ,调整范围广 ,过载能力强 ,能承受
频繁的冲击负载 ,可以实现频繁的启动、制动、反转。但
是制动、反转惯性大 ,精密度低 ,控制起来比较困难 ,很
难达到近距离调速的目的。
方案二 :采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲
转化为角位移的执行机构。通过控制脉冲个数控制角
位移量 ,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加
速度 ,从而达到调速的目的。由于步进电机能够较好地
满足系统要求 ,因此选择此方案。系统中采用常州宝来
电器有限公司生产的 42B YGH023 型步进电机 ,采用
BL2210 驱动器[3 ] 驱动步进电机 ,其步距角可通过驱动
器上的细分开关进行调整。
2. 4 平衡检测电路
方案一 :采用角度传感器或倾角传感器。角度传感
器价格较贵 ,也不容易控制 ,对微小的角度变化不敏感。
方案二 :采用霍尔元件集成片和无线发射模块。把
磁铁放在跷跷板的一端 ,而将霍尔集成片安装在固定轴
上 ,当磁铁正对金属板时 ,由于霍尔效应 ,可以产生电流
的变化 ,然后通过无线电把信号发送给小车上的接收模
块 ,单片机根据接收到的信号来控制小车的前进或后
退 ,以达到平衡的目的 ,如图 1 所示。
方案三 :采用水银水平开关来控制。该系统中 ,在
小车上装一对水银开关 ,位置如图 4 所示。小车上坡时
开关 2 接通开关 1 断开 P2. 0 ,P2. 1 输出 10 信号 ,小车
前进。小车下坡时开关 1 接通开关 2 断开 P2. 0 ,P2. 1
输出 01 信号 ,小车后退 ,从而使小车在平衡处附近来回
运动 ,达到动态平衡。
图 3 光电对管检测电路
图 4 水银开关检测
示意图
2. 5 数码显示电路
方案一 :采用 LCD 液晶显示器。LCD 有明显的优
点 :工作电流比 L ED 小几个数量级 ,故其功耗很低 ;尺
寸小厚度薄 ,显示精美。但其控制比较复杂。
方案二 :采用 L ED 数码显示器。L ED 数码管亮度
高 ,醒目。原理简单易于控制。由于显示模块只是用来
显示时间 ,都为一些数字 ,这就使数码管的使用变成了
可能。本设计采用第二种方案。
2. 6 系统软件设计
电动 小 车 的 控 制 器 使 用 Atmel 公 司 生 产 的
A T89S52 ,采用 Keil 软件用 C 语言[4 ] 编程实现。在程
序设计中 ,采用定时器 T0 实现时间的分阶段实时显
示。在小车前进同时 ,通过光电管实时调整小车的状
态 ,当到达平衡位置时 ,调用平衡调整子程序直至给出
平衡标示。通过 P3. 2 检测小车到达跷跷板末端后 ,停
留 5 s 后 ,调用小车后退子程序使小车返回起始点 ,完
成整个设计要求。
所设计的软件的主程序流程图如图 5 所示。
3 测试数据与结果分析
对于电动车跷跷板系统 ,进行了 3 次实验 ,用电子
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元器件与应用 张建化等 :基于 A T89S52 单片机的电动车跷跷板系统设计
秒表分别测量起始端 A 到平衡点 C 的时间、平衡点平
衡时间 TC 、平衡点 C 到末端 B 的时间 TCB 以及末端 B
到起始点 A 的时间 TBA ,测量结果如表 1 所示。测试
结果表明 ,各段行驶时间符合大赛基本要求。但是实验
过程发现 ,由于单片机要完成寻迹检测、电机控制和实
时显示等任务 ,L ED 显示不太稳定有闪烁现象。当系
统达到平衡状态时 ,3 次实验测量跷跷板始端 A 、末端
B 与地面的距离差分别为 5 cm ,4 cm 和 3 cm ,结果表
明距离差符合大赛要求。
图 5 主程序流程图
4 结 语
基于单片机的跷跷板系统设计 ,采用光电实时寻
迹 ,采用步进电机驱动小车的前进与后退 ,以 L ED 实时
分阶段显示所用时间 ,并能在规定时间内找到跷跷板的
平衡位置 ,设计完全满足大赛的基本要求 ,最后获得全
国电子设计大赛江苏赛区二等奖。但由于大赛时间有
限 ,本次大赛未能完成发挥部分的内容 ,且 L ED 实时显
示亮度不够有闪烁现象。如果采用 2 个单片机协同完
成控制任务 ,或采用高性能的 AVR 单片机[5 ] 作为控制
器 ,控制效果应能进一步提高。
表 1 实验时间测量
次数 TAC TC TCB TBA
1 15 55 13 30
2 16 58 12 32
3 15 45 12 14
参 考 文 献
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[7 ] 赵亮 ,侯国锐. 单片机 C 语言编程与实例[ M ]. 北京 :人民邮
电出版社 ,2002.
作者简介 张建化 男 ,1979 年出生 ,河南灵宝人 ,助教 ,硕士。主要研究方向为工业自动化、网络控制与网络计算。
(上接第 162 页)
干扰能力强等优点 ,借助于通信网络可以实现相角的实
时测量。相关分析算法对直流偏移、谐波污染以及噪声
等干扰具有很强的抑制能力 ,其测量精度取决于相关函
数的积分周期 ,积分时间越长 ,测量精度也越高 ,所以 ,相
关分析算法对于低频信号的检测有着其他方法不可比拟
的优势 ,尤其适于电力系统中的工频信号测量。双相关
分析法 ,由于降低了采集随机性误差 ,而且克服了选取参
考信号时带来的相位误差 ,使计算精度大大提高。
参 考 文 献
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作者简介 冯荣耀 男 ,1955 年出生 ,河南郑州人 ,工程师。主要从事管理以及电视技术和现代测量技术方面的科研工作。
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《现代电子技术》2008 年第 24 期总第 287 期 t 新型元器件 ü
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