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用51单片机设计电动车跷跷板

2020-11-03 01:50

  在规定时间内按规定路径稳定行驶,并能具有保持平衡功能,同时对行程中的有关数据进行处理显示。为完成相应功能,系统可以划分为以下几个基本模块:电动机驱动模块、寻迹线探测

  探测路面黑色寻迹线的原理:光线照射到路面并反射,由于黑线和白纸的反射系数不同,可根据接受到反射光强弱由传感器产生高低电平并最终通过单片机判断是否到达黑线或偏离跑道。

  方案一:由可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路,如图2所示。该方案成本较低,易于制作,但其缺点在于周围环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰,一旦外界光亮条件改变,很可能造成误判和漏判;如果采用超高亮发光管和高灵敏度光敏管可以降低一定的干扰,但又将增加额外的功率损耗。

  方案二:自制红外探头电路。此种方法简单,价格便宜,灵敏度可调,但易受到周围环境影响,特别是较强光照对检测信号的影响,会造成系统不稳定。再

  方案三:集成式红外探头。可以采用集成断续式光电开关探测器,它具有集成度高、工作性能可靠的优点,只须调节探头上的一个旋钮即可以控制探头的灵敏度。此种探头还能有效地防止普通光源(如日光灯等)的干扰。红外探测器E3F-DS30C4见图3。

  方案一:断续式光电开关。在跷跷板两头的地面上各放置一个,调节灵敏度使其在一定范围内接收不到反射光产生低电平,从而认为达到平衡状态,由单片机控制小车运动状态使跷跷板达到动态平衡。然而此方案平衡控制不灵敏,难以调节,还需用导线与单片机传输信号,使小车失去独立性。

  方案二:采用角度传感器。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片,具有体积小、灵敏度高、简单、可靠等优点,可高度满足该题对平衡角度的精确要求。

  根据题目中小车行驶全程的时间要求,可知小车的行驶速度很慢,普通的电机很难满足此速度要求,而直流减速电机可以满足此要求,且具有很大的转动力矩,不会在倾斜面出现堵转情况。故我们采用直流减速电机。

  在选用驱动模块方面有以下两种方案:一是采用专用驱动芯片。该芯片集成度高,占用空间小,主要应用于电机调速场合,但价格较高。二是采用晶体三极管驱动电路。由于电动车所要求的功能比较简单,用晶体三极管驱动就可以了,故我们最后决定用第二种方案。

  若采用LED,缺点是占用单片机接口太多,显示信息量少,需要循环显示,占用太多程序资源。而采用LCD,只占用单片机6条I/O线,同时显示信息量大,灵活多变显示多种信息。因此,我们拟采用后者。

  方案一:所有器件采用单一电源(5节五号电池)。这样供电比较简单,但是由于电动机启动瞬间电流很大,会造成电压不稳、有毛刺等干扰,严重时可能会造成单片机系统掉电,使之不能完成预定行程。

  方案二:双电源供电。电动机驱动电源采用5节5号电池(大容量2.3Ah电池),单片机及其外围电路电源采用另一组3节5号电池(大容量2.3Ah电池)供电,两路电源完全分开,这样做虽然不如单电源方便灵活,但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除,提高了系统稳定性。

  采用型号为E3F-DS30C4集成断续式光电开关探测器,该探头输出端只有三根线(电源线、地线、信号线),只要将信号线接在单片机的I/O口,然后不停地对该I/O口进行扫描检测,当其为高电平时则检测到白纸,当为低电平时则检测到黑线区域。小车前进(倒退)时,始终保持黑线在车头(车尾)两个传感器之间,当小车偏离黑线时,探测器一旦探测到有黑线,单片机就会按照预先编定的程序发送指令给小车的控制系统,控制系统再对小车路径予以纠正。当小车回到了轨道上时,车头(车尾)两个探测器都只检测到白纸,则小车继续直线行走,否则小车会持续进行方向调整操作,直到小车恢复正常。

  在平衡检测电路中,我们运用了高精度角度传感器,此传感器通过对自身偏离水平角度的测量,对应线性输出一定范围内的电压值。依据题目的要求,我们分析得出小车随跷跷板上下摆动幅度在正负4度角时即认为其处于平衡状态。而此角度传感器在此区间内的灵敏度最高,其输出电压为2.45-2.55伏之间。将此输出电压经比较放大,然后通过A/D转换器转换成数字量通入到单片机中。但是由于整个变化范围只有0.1度角,任何轻微的干扰都会使测量结果产生严重的偏差。用A/D转换又会使精度降低,干扰过大,又因为现实中很难做到真正的静态平衡,所以我们最终决定采用动态寻找平衡的方式,因此用分压电路和电压比较器制作信号电路,根据信号端的变化控制小车,使角度传感器的电压输出保持在2.45-2.55伏之间,经多次测试与精心调试,该电路可很好的满足要求。平衡检测电路如图5所示。光电开关相关文章:光电开关原理