电动车跷跷板设计与总结
摘要：
21世纪是个信息与电子的世纪，智能电子则是电子行业以后发展的主导方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理。本次的设计就是一辆智能的小车，采用AT89C52单片机作为小车的检测和控制核心；采用光电传感器和角度传感器取得外部信号，从而把反馈到的信号送单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车在跷跷板上按预定的方式行驶，采用数码管实时显示小车行驶的时间，本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化。
关键词：电动车 跷跷板 AT89C52 单片机 倾角传感器 光电传感器 一、方案比较与选定 方案一：
改装摇控电动车，利用单片机直接控制电动机，采用限位开关检测小车行驶位置。
由于小车是由单片机直接控制，所以驱动不了电机，实现不了小车的基本功能。用限位开关不利于用小车的独立运行，且控制不便。（框图如图1）
限位开关 单片机 电动机 （图1） 方案二：自制小车，利用步进电机，采用单片机控制，用电位器自制角度传感器，自制小车，制作过程极其复杂，且时间紧张，没有较好的机械部件支持，步进电机不易购买，体积较大，供电系统复杂，价格昂贵。自制传感器精度不高，反应不灵活，线性度太差。无法实现角度与电阻的线性转换。
方案三：改装摇控电动车，利用单片机控制电动机驱动电路，使用脉宽调制的方式控制改装摇控小车，利用H桥驱动电机，使用大功率三极管以克服电机的驱动能力不足问题，采用脉宽调制方式对直流电机速度进行控制和调节，提高了其驱动能力。
采用光电耦合器对模拟和数字电路的有效隔离，增强控制部分的干扰能力。采用倾角传感器和光电传感器检测小车平衡和运动位置。
系统方框图如 图（2）所示。 综上所述，我们选用方案三。
在此系统中，我组所使用的核心部件是AT89C52单片机作为主处理器，由它进行信号的分析与处理，并由其进行数据的输出与对外部器件的控制。AT89C52有8K字节可重擦写FLASH闪速存储器，可1000次擦写周期，全静态操作：0HZ—24HZ，三级加密程序存储器，256*8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，3个16位定时/计数器，8个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式。相对于AT89C51，多出4KB的可重擦写空间，这样方便以后对程序的扩展，多出1个定时器/计数器T2，和2个中断源。可靠性较AT89C52较差。所以选用AT89C52。
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角度传感器、光电传感器 LED显示，灯光，蜂鸣器 单片机 驱动电路 电动机 键盘输入
（图2）
电机驱动电路：一个电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。本文即主要介绍这种直流电机的驱动及控制。
我们所使用的是自制的H桥驱动电路，在电路中利用三极管的开关特性对电动机正反转进行控制。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
使用PWM脉宽调制方式对电机进行控制，修改占空比能方便的改变的电机的速度，可以在不同的行驶情况下，改变电机的转速。PWM通常取代数/模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机与交流电机的速度控制中很常见的L298N桥式驱动器最大输出电流为1.5A，在此我们用自制的桥式驱动，效果极佳，不亚于专业桥。且调速简单，调速范围大。
传感器：
系统采用光电传感器和倾角传感器。为了使小车能精确的停止，若采用限位开关，显然不适应要求，而且也不易于实现，采用光电传感器，精确度不亚于限位开关，而且不受小车初始位置限定。所以采用光电传感器更合理，更易于实时状态的检测。
倾角传感器，可用电位器自制，但电位器精度不高，且挂重锤灵活度也不高，不利于信号的传输，反应相对迟滞，我们所采用的倾角传感器，灵敏度高，最小分辨率可达27欧/度，且反应迅速相对电位器来说更易安装调试。 键盘与显示电路：
我们采用74LS164驱动共阳极数码管，数码管的亮度会很高，利用串口和74LS164进行通信，程序也很简单。
键盘与显示，可以用HD7279，但7279位围电路复杂，成本较高，且不易购买和控制，而且我们只需两个键盘和三位显示，无需用此芯片，我们所采用的
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74L164节省端口。
二、设计与论证
如图（3）所示为倾角传感器比较电路，当传感器偏离平衡位置时，R4、R5电阻发生变化，调节R2找到合适基准电压，使其能灵敏的反应到比较器输出端的电压变化，从而将其信号送入单片机，由单片机做出相应的处理。比较输出：V0=VDD*R1/（R4+R1），当R5变小时，R6变大，此时R2两端分压升高，经过比较器负端时，输出高电平V+ =VDD*R2/（R2+R5）。
（图3）
如图（4）所示为光敏传感器电路，当红外发射管发出红外光线被吸收，接收管不导通，此时上拉电阻上为高电平，将此信号引至比较器与一基准比较，将能分辨出高低电位，由此检验出是否有黑色遮挡物，将比较后的电压送至单片机，由其做出相应的处理。
（图4）
如图（5）所示为电机驱动电路，使用PWM方式通过此驱动电路对电机进
行驱动。PWM1，PWM2产生出高低不同的电平，一对SS8050和SS8550三极管导通，使电动机两端产生足够的正向电压驱动电机使其转动。通过调整脉冲占空比即可达到对电机速度和方向的控制。
三、系统组成、原理和电路图 本系统由：
1、控制单元： AT89C52
2、检测单元： 倾角传感器、光电 传感器
3、显示单元： 数码管显示、发 光二极管、蜂鸣器 （图5）
4、驱动单元： H桥驱动电路 5、键盘输入
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6、执行单元：直流电动机 系统框图如图（2）所示：
电路中首先由单片机对小车电动机进行控制，加电后系统初始化，当键1按下时，单片机检测到对应口电位发生变化，程序跳转到小车平衡状态行走时的处理程序，此时由单片机PWM1输出高电平，PWM2输出低电平，使电动机正转，单片机控制输出波形的占空比，从而达到对电机的速度的控制。当小车前进时，开始计时，当到达板的另一端时由传感器感应到黑线，红外发光管发出的光被全部吸收，接收管接收不到红外线，不导通。红外传感器前接有上拉电阻，不导通时为高电平输出到比较器LM393的2号脚基准电压由分压电路产生2V的基准电压，此时LM393输出低电平，将低电平送到单片机进行处理，此时发光二极管两端都为高电平，不导通。高电平送到单片机，表示检测到黑线，此时小车刹车并做短时间的反转，以克服小车本身的惯性，让小车停留在跷跷板的B端，停止计时并显示所用时间。此时开始再次计时，5秒后小车返回，此时PWM1送低电平，PWM2送高电平，电机反转，当小车返回再次检测到黑线时，电机正转几秒克服惯性使其减速，刚好到达A点时停止。此时显示小车在前进后退中总共所使用的时间，停止的5秒钟不计在内。
电路中为了使电动机的模拟信号与数字信号分开，我们采用了光电耦合器，这样可以使控制信号稳定的到达控制端而不受干扰。
当键2按下时，接着从A端开始起动爬坡，同样的光电检测方式，小车的速度要据经验进行调整，只需调整PWM方式的占空比即可以达到要求，小车运动到B端时同样检测到信号，高电平送入单片机，使小车减速并反转，此时反转的时间要相应的长一些，其间可以根据不断调整确定寻迹线的位置，以使其达到最佳状态。小车停住后单片机停止计时，并显示所用时间。停止5秒后小车电动机反转，当角度传感器检测到平衡位置的低电平信号时小车做相应的减速，返回A端，停止计时。
小车找平衡点时，按下3键，单片机如上做相应处理，当小车传感器送出相应信号时，经比较器后送入单片机处理，使小车减速，到达平衡点停止。并显示所用时间。
四、测试数据与结果分析
1、测试方法
1)先将跷跷板固定为水平状态,摆放好电动车,按键1,电动车从起始端A位置出发同时开始计时.当电动车到达B时, 读出并记下时间T1 1 2 3 4 次数 7S 8S 8S 7S 时间T 算得平均时间为:7.5S 2)将小车的A端倾斜, 按键1,电动车从A出发,同时开始计时.行驶全程到时B读出并计下时间T 1 2 3 4 次数 15S 17S 19S 17S 时间T 算得平均时间为:17S 3) 将小车的A端倾斜, 按键1,电动车从A出发,同时开始计时当小车达到平衡状态时, 读出并记下时间T
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1 2 3 4 次数 50S 45S 48S 50S 时间T 算得平均时间为:48.25S 4)当配重物由测试人员指定放好之后,电动车从A出发同时计时, 当小车达到平衡状态时,读出并记下时间T
算得平均时间为: 1 2 3 4 次数 48S 45S 50S 55S 时间T 由上表的试验可得下表: （1） A到B 7.5S B到A （2） A到B B到A （3） （4） A到B A到B 9S 17S 18S 48.25S 49.5 总结：这些数据可得,电动车的工作性能基本良好,达到平衡状态时,跷跷板在上下摆动,且到了B端底部与水平状态的偏移量不大于60mm.可见电动车可以自动的找到跷跷板的平衡点。PWM 方式是直流电机调速使用最多的调速方法。目前市场上 有很多种电机驱动的集成电路，效率高，电路简单，使用也比较广泛，但是其驱动方法大多与全桥式驱动一样。PWM控制方法配合桥式驱动电路，是目前直流电机调速最普遍的方法。在整机调试过程中，要注意角度传感器来回晃动的干扰，可用软件进行滤波，从而消除干扰，同样小车在不同情况下，速度的控制要依实际情况来确定。
系统原理图见附件1 系统部分程序见附件2
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附图1：电路原理图
附1 6