跷跷板设计图

摘要

本设计使用89C52单片机为主的微处理器作为电动车跷跷板的检测和控制核心，从而达到小车按迹寻规，正确行驶和精确显示等目的。当系统电路采用由激光发射管射到黑带时，接收管未检测到信号，输出端为低电平。当激光发射管射到地面或跷跷板时，它反射回来的光会被接收管检测到信号，输出端会输出一个高电平。此时检测到的信号会经过放大送到单片机处理，从而控制电机的正反转，并且使液晶显示器显示出一段路程的时间。在设计电动小车自动平衡系统中，包括中心处理单元、电机驱动、轨迹检测、角度检测、状态指示和用户接口等模块。系统采用光电检测电路和角度传感器构成闭环反馈电路，实现小车自动在跷跷板上寻找平衡点。采用激光对管检测引导线，控制行驶轨迹，液晶实时显示系统状态信息。

1、方案论证与比较

1.1系统方案

该系统由寻迹模块、单片机控制模块，电机执行模块，显示电路模块等构成。根据各模块实现的功能及所能达到的要求，通过电路分析总结出几种不同的方案。

1．1控制器部分

方案一采用常用的89C51控制。技术比较熟练，应用广泛，现在的51系列技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强

大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能。但是为了实现多组预存信息,必须外加具有掉电存储功能的EEPROM,这增加了系统的复杂程度。而且在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制。

方案二应用ARM，ARM是一种功耗很低的高性能处理器，技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。方便、安全、高效。作为嵌入式领域中最为广泛使用的32位处理器结构体系，ARM已经成为多个应用领域的标准CPU。ARM处理器技术正在成为多数嵌入式高端应用开发的首选。ARM2138芯片具有高达32KB的内存作为数据的缓冲区，因此能够实现非常快的读取速度。并具有丰富的I/O资源，而且其外围电路简单,在片内即可实现所有控制。简化了整个系统的复杂程度.

通过比较，我们选择方案二。

1.2寻迹部分

跷跷板板面我们采用优质KT板，在翘翘板中心贴25mm宽度的黑胶带作为电动车的引导。

方案一采用红外探测器。红外发射端二进制数字信号调制成某一频率脉冲形成发射出去，接收管一接收到的光脉冲转换成为电信号经

放大滤波器等处理后调解为二进制信号输出。该器件探头与发射频率有关，容易受环境影响，形成误操作信号。

方案二：用摄像头采集路面黑线位置信息，利用图像处理判断小车行驶位置。此种方法，对路面的信息处理准确，但对硬件和软件的要求都较严格，对本系统来说过于复杂。

方案三；采用激光传感器。三个发射管对应一个接收管，通过单片机控制让他们分时发射，这样一来可以降低成本，二来可以减少电能的损耗。该系统采用激光反射对管进行信号采集，若激光反射管检测到黑带时输出低电平，当有光反射回来时会呈现高电平，信号送至单片机处理来控制前轮的转向。该系统受自然光影响较小，稳定性较好，并且有较远的前瞻。

经过试验证明，本设计采用方案三比较合适。

1.3电机驱动部分

方案一采用直流电机进行驱动。直流电机的调速性能好。可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。起动力矩大，可以均匀而经济地实现转速调节。但是直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格也相对较贵。

方案二应用步进电动机。步进电机低速运行相对平稳，步进电动机使用方便，转速分辨率高，精度高。

经过对比分析，决定采用方案二。

1.4 显示模块

方案一：采用LED数码管为显示元件。整个界面内容单一，显示信息量少，而且耗电量大，界面不够友好。

方案二：使用LCD1602液晶显示模块，可显示丰富的信息，界面友好。

经过对比分析，本设计选择方案二

2、系统的具体设计与实现

2．1系统总框图

本系统采用激光传感器寻迹、舵机、角度传感器以及步进电机构成闭环路系统。其中前后两个激光传感器将采集的导航信息反馈到单片机，单片机根据该导航信息通过舵机控制小车的行驶方向。角度传感器用以采集小车的倾斜角度信息，单片机根据倾斜角度信息控制小车的行驶速度和状态，并用指示灯标示小车的状态。

2.2系统硬件设计

本系统硬件结构由传感器信号检测、单片机控制、电机驱动及液晶显示等部分组成

2.2 小车控制模块

（1）转向控制模块

采用型号为S3010舵机控制小车的方向。调试成合适的占空比值，从而引导小车的方向运行。

（2）步进电机驱动模块

本设计采用步进电机进行驱动，具体驱动原理如图所示：

（3）角度传感器设计模块

本模块选用电位器进行平衡调控，电路如图所示。

（4）液晶显示电路模块

显示电路采用液晶1602动态显示。用来显示小车往返时间。需要5V

电源，3个使能端分别接单片机p2.0、P2.1、 P2.2来控制液晶读/写，判忙清零等。另外8个端子与单片机P1口相连进行数据的传送，显示字符

（三）算法、软件流程图

3.1寻迹算法

为了提高寻线的精度，我们再车得前后两侧都加上激光传感器。舵机控制我们采用PD算法，根据前后两个传感器采回的信息综合判断小车的位置，然后控制舵机打角。这样一来可以精确控制舵机，使黑线始终在小车正下方，不会出现跑偏丢线的情况。如图：

发射部分接收部分

3.2 平衡点数据采集算法

首先通过现场采集小车在板上的平衡位置时电位器的电压值，并以此作为0°角记录下来。具体在寻找平衡点过程中，利用电位器控制电压的作用，通过比较电位器在当前小车倾角时的电压数据与先前采集的平衡位置时的电压数据，电压差值越大，说明车离平衡点越远。其

原理如下图：

3.3电机驱动控制算法

电机驱动我们采用位置式PID算法，当采集到的电位器电压值与平衡时的电压值响相差越大则说明小车离平衡点越远，此时具体的系统软件设计

（四）系统指标测试

4.1 测试方法