以ATMEL89S52單片機(jī)為控制核心采用L298芯片作為兩只直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊

1、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 F F 題論文題論文學(xué)校：華南理工大學(xué)學(xué)校：華南理工大學(xué)隊(duì)員：陳英忠隊(duì)員：陳英忠 鄭喜輝鄭喜輝 謝千里謝千里獎(jiǎng)項(xiàng)：全國(guó)二等獎(jiǎng)獎(jiǎng)項(xiàng)：全國(guó)二等獎(jiǎng) 摘要:本系統(tǒng)以 ATMEL89S52 單片機(jī)為控制核心，采用 L298 芯片作為兩只直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，運(yùn)用 PWM 軟件控制,使小車能實(shí)現(xiàn)無(wú)反應(yīng)式的近直線行進(jìn)，和利用單擺原理進(jìn)行蹺蹺板角度的檢測(cè),采用近模糊算法實(shí)現(xiàn)了平衡點(diǎn)的檢測(cè),到達(dá)題目的平衡要求.并且本錢低.同時(shí)利用反射式的紅外傳感電路實(shí)現(xiàn)對(duì)蹺蹺板的邊沿檢測(cè),使得在不加任何引導(dǎo)的情況下都能使小車不跑出蹺蹺板,實(shí)現(xiàn) A,B 點(diǎn)的檢測(cè).同時(shí)利用 52 內(nèi)部的

2、定時(shí)器實(shí)現(xiàn)題目所需的準(zhǔn)確定時(shí). 本小車系統(tǒng)利用簡(jiǎn)單的硬件和先進(jìn)的算法完成了題目根本和擴(kuò)展功能的各項(xiàng)要求.同時(shí)自制的單擺平衡系統(tǒng)是本系統(tǒng)的亮點(diǎn).關(guān)鍵詞：AT89S52AT89S52 限幅限幅- -逼進(jìn)算法逼進(jìn)算法 高阻尼單擺傾角測(cè)量器高阻尼單擺傾角測(cè)量器 目錄目錄1 1 方案論證與比擬方案論證與比擬1.1 模型方案論證21.2 單片機(jī)方案論證.21.3 電源方案論證.21.4 翹翹板邊沿檢測(cè)模塊方案論證.31.5 電源制作方案論證.3 1.6 平衡指示模塊方案論證.31.7 時(shí)間顯示模塊方案論證.32 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì).42.2 單元電路設(shè)計(jì).4 單片機(jī)最小系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì).

3、42.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電路設(shè)計(jì).42.2.3 翹翹板邊沿檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì).5 角度傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單元電路設(shè)計(jì).5 無(wú)線發(fā)送狀態(tài)電路設(shè)計(jì).53 軟件設(shè)計(jì) 3.1 程序流程圖.6限幅-逼進(jìn)算法7 3.3 無(wú)引導(dǎo)自動(dòng)識(shí)別上板.74 系統(tǒng)測(cè)試 4.1 根本功能測(cè)試.74.2 擴(kuò)展功能測(cè)試.85 結(jié)論.86 6 附錄91 方案論證與比擬從題目的要求來(lái)看,要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的難點(diǎn)在于保持電動(dòng)車的平衡,所以這題的重點(diǎn)是平衡系統(tǒng)的選擇與制作,而其中，平衡器件是最為重要的一環(huán)。 下面是各模塊的方案: 1 11 1 小車模型方案論證小車模型方案論證方案一方案一:采用自制的三輪小車, 自制的三輪車可以安裝有反應(yīng)

4、的電動(dòng)機(jī)，可以很精確的控制車的速度和走的距離。但本錢高且難以做的兩邊車速平衡，以及工程量大，適宜的元件短時(shí)間內(nèi)難以買齊，而且自制的車體積可能比擬龐大，不利于在不是很寬的板上行走。方案二方案二: 從題目看出車的速度要求，拋開(kāi)車身長(zhǎng)度，從 A 點(diǎn)出發(fā)后要到達(dá) C 點(diǎn)，最小平均車速應(yīng)該在 750mm/30S=25mm/S 以上, 如果用購(gòu)置的坦克玩具車改裝，那么由經(jīng)驗(yàn)可知，經(jīng)過(guò)改裝的玩具車走直線性能好，容易控制，這是因?yàn)樘箍俗詭?3 級(jí)齒輪,具有直流減速電機(jī)的效果,裝上自己的控制電路就可以很好地進(jìn)行控制,并且體積小巧，外形好看?；谏鲜龇治?，我們擬選擇方案二。1 12 2 單片機(jī)方案論證單片機(jī)方案論

5、證方案一方案一：采用凌陽(yáng) SPCE061A 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該 16 位單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，集成了A/D，D/A，易于數(shù)據(jù)的采集，但由于它開(kāi)發(fā)起來(lái)比擬復(fù)雜，大局部資源被封裝成庫(kù)，無(wú)法看到源代碼，而且 IO 口操作極不方便。對(duì)于電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽這種時(shí)間緊，任務(wù)急的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是極為不利的。而且價(jià)格高，PLCC 封裝需雙層電路板，不利于快速制板。方案二方案二：采用 89S52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，51 系列單片機(jī)簡(jiǎn)單易用，各種控制算法和邏輯控制相對(duì)能夠容易地編程實(shí)現(xiàn)。雖然 89S52 需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足數(shù)據(jù)采樣，但硬件電路并不復(fù)雜,而且其價(jià)格廉價(jià)。 基于上述分析，我們擬選擇方案二。1 13 3 電源方案論證電源方

6、案論證由于整個(gè)電路非常簡(jiǎn)單，所以功耗很低，除了 AD 那里對(duì)電源有一點(diǎn)要求之外，其他的局部對(duì)電源要求并不高，分別對(duì)電動(dòng)機(jī)和其他局部供電,目的是使控制電路不受較大功率的電機(jī)的干擾。在 AD 轉(zhuǎn)換的參考電壓那里我們采用 LC 濾波，其電路圖如下：1 14 4 翹翹板邊沿檢測(cè)模塊方案論證翹翹板邊沿檢測(cè)模塊方案論證方案一方案一：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，可以大幅的減少環(huán)境光源的直流分量的干擾，但由于該紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，該最大電流需要通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)；而且需要添加額外的電路和程序，此題中并不需要很大的電流，故不需要采用該管子。 方案二方案二：

7、不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。由于采用紅外管代替普通可見(jiàn)光管，可以有效的降低環(huán)境光源的干擾，尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高，對(duì)輔助裝置的要求最少，對(duì)人眼無(wú)傷害，采用不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器完全可以有效的降低干擾，而且方便可行，能夠準(zhǔn)確的實(shí)施檢測(cè)?；谏鲜隹紤]，我們決定采用方案二。 1 15 5 角度傳感器方案論證角度傳感器方案論證方案一方案一：用專用的傾角傳感器 IC，其精度高，穩(wěn)定性好，對(duì)角度的線性好；但萬(wàn)事萬(wàn)物總有其優(yōu)缺點(diǎn)，專用的傾角傳感器易受加速度影響，而且價(jià)格非常高，即使是學(xué)校出錢買，我們也不想用，因?yàn)槠洳荒鼙磉_(dá)我們的動(dòng)手能力，所以我們放棄該 IC。方案二方案二：利用地球重力，做一個(gè)

8、單擺，水平固定在車上。當(dāng)車傾斜時(shí)，單擺受到地心引力的作用就會(huì)和車有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用這一特點(diǎn)，我們就可以測(cè)出這一變化，進(jìn)而測(cè)出車的傾斜度。我們將單擺懸掛在一個(gè)可調(diào)電阻可旋轉(zhuǎn)的那個(gè)腳上，可調(diào)電阻兩端接一個(gè)電壓，我們對(duì)電阻可調(diào)的那個(gè)腳進(jìn)行采樣，就可根據(jù)那腳的電壓值計(jì)算出單擺擺過(guò)的角度。由于我們有一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的傳感器，里面的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)可調(diào)電阻，阻值非常均勻，無(wú)疑是最正確選擇。一般的可調(diào)電阻轉(zhuǎn)度，電壓可變化V 左右 (度以下。由于這個(gè)方案簡(jiǎn)單，測(cè)量精度也夠高。所以我們選擇了這方案。1 16 6 平衡指示模塊方案論證平衡指示模塊方案論證利用蜂鳴器，電路簡(jiǎn)單，又容易控制，再加上 LCD液晶顯示。到達(dá)平衡時(shí)

9、，蜂鳴器響，同時(shí) LCD1602 液晶顯示端和端的高度差。1 17 7 時(shí)間顯示模塊方案論證時(shí)間顯示模塊方案論證LCD1602 液晶顯示，能顯示 16*2 個(gè)字符。容易，簡(jiǎn)單，實(shí)惠。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求和上述論證，本系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖:主控89S52單片機(jī)MEGA8L單擺傳傳器數(shù)據(jù)采集和處理自制單擺傳感器翹翹板邊沿檢測(cè)模塊蜂鳴器指平衡狀態(tài)LCD1602 時(shí)間數(shù)據(jù)顯示L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2 22 2 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng) 略。2.2.22.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路的實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路的實(shí)現(xiàn) 我們采用 L298N 驅(qū)動(dòng)電路: LM298 最大電流可達(dá) 2A

10、,發(fā)熱量少,不需要加散熱片,而且外圍相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單,空載時(shí)兩路輸電流總共才 20mA, 負(fù)載時(shí)最大電流也只有 350mA,非常省電.2.2.32.2.3 翹翹板邊沿檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)翹翹板邊沿檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)用紅外對(duì)管和運(yùn)放 LM324 搭成探測(cè)器，如上圖，紅外發(fā)射管的發(fā)射有一定距離限制，一旦距離越遠(yuǎn)，那么反射回來(lái)的信號(hào)那么越弱,所以調(diào)節(jié) LM324 的正相輸入端的比擬電壓,就可以調(diào)節(jié)對(duì)管的范圍,在車的四個(gè)角上裝上,調(diào)節(jié)好電位器,就能使照在板上的時(shí)候接收管通,LM324 輸出高電平,而對(duì)管探到板子邊沿時(shí),由于反射信號(hào)微弱以致接收頭幾乎不導(dǎo)通,于是電位升高,LM324 輸出低電平.LM

11、324 有四路輸出,接到單片機(jī),單片機(jī)跟據(jù)這些信號(hào)來(lái)判斷轉(zhuǎn)向,確保車不會(huì)掉下去.2.2.42.2.4 角度傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)角度傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這是整個(gè)平衡系統(tǒng)的核心核心局部,它的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能.本來(lái)打算將單擺懸掛在一個(gè)可調(diào)電阻可旋轉(zhuǎn)的那個(gè)腳上，可調(diào)電阻兩端接上電壓，我們對(duì)電阻可調(diào)的那個(gè)腳進(jìn)行 AD 采樣，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)腳的電壓值計(jì)算出單擺擺過(guò)的角度。但問(wèn)題并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。首先，可調(diào)電阻的阻值存在不均勻的問(wèn)題，AD 采樣存在精度問(wèn)題。而學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里除了傾角 IC 外,還有轉(zhuǎn)動(dòng)角傳感器，它輸出模擬電壓，如果用 10位 AD 采集，其精度可達(dá)度。所以這可調(diào)電阻可以用轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器代替。那 AD

12、芯片呢？按照題目的要求，翹翹板兩端之差不能超過(guò) 40，即其傾角不能超過(guò) arcsin(40/1600)度。所以采樣必須要到達(dá) 10 位以上。由于一塊位芯片就要十幾元以上。但一塊ATMEGA8 才，其自帶通道 10 位精度的 AD 裝換。本來(lái)用 ATMEGA48 就可以了的，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有 ATMEGA48，只有兩塊 ATMEGA8L。所以就直接用 ATMEGA8L，雖然有點(diǎn)大材小用。用ATMEGA8L 的 AD 采集還有一個(gè)好處，因?yàn)閷?duì)速度要求不是很高,于是可以對(duì)采樣到的信號(hào)進(jìn)行初步處理之后再通過(guò)串口送到主控芯片進(jìn)行處理。這就比用普通的 AD 芯片明顯要好。其次單擺的靈敏度和穩(wěn)定問(wèn)題，就是說(shuō)單擺既

13、要很容易擺動(dòng)，又要擺動(dòng)之后能很快停下來(lái)，這是一個(gè)矛盾，必須從中找出一個(gè)折中的平衡點(diǎn)。這平衡點(diǎn)就要求單擺的力臂不能太長(zhǎng)，也不能太短。太長(zhǎng)，擺動(dòng)之后就很難停下來(lái)，太短又很難擺動(dòng)。懸掛的重物也不能太重不能太輕。太重，擺動(dòng)之后就很難停下來(lái)，太輕，很難擺動(dòng)。經(jīng)過(guò)我們無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)不能用線掛重物,因?yàn)橛镁€掛重物時(shí),重心全部落在重上,導(dǎo)致力矩過(guò)大,那么一旦起擺,將很難停下來(lái)。所以我們改用金屬條,利用它的質(zhì)量均勻分布的特點(diǎn),使重心落在中間位置，不僅起擺迅速,而且一旦車停下來(lái),它停擺的速度也是很快的。用金屬條代替了力臂和重物，收到了明顯的成效。我們稱這樣的單擺為高阻尼單擺高阻尼單擺.無(wú)線發(fā)送狀態(tài)電路設(shè)計(jì)

14、無(wú)線發(fā)送狀態(tài)電路設(shè)計(jì)采用不帶協(xié)議的 315MHz 頻段的無(wú)線收發(fā)模塊,自行編寫(xiě)通信協(xié)議,及時(shí)將坦克所處狀態(tài)發(fā)回觀測(cè)臺(tái)上的液晶 12864.這種收發(fā)模塊只需占用單片機(jī)一個(gè) IO 口.3軟件設(shè)計(jì)3 3. .1 1程程 序序 流流 程程 圖圖擴(kuò)展功能擴(kuò)展功能擴(kuò)展功能根本功能程序開(kāi)始程序開(kāi)始按下按下 A 鍵鍵全速前進(jìn)全速前進(jìn)采集角度量采集角度量求出平衡角度量求出平衡角度量化平均值和車從化平均值和車從前傾點(diǎn)退到后傾前傾點(diǎn)退到后傾點(diǎn)所用的時(shí)間點(diǎn)所用的時(shí)間可變低速限幅逼可變低速限幅逼進(jìn)所求出的平衡進(jìn)所求出的平衡角度量化平均值角度量化平均值在平衡點(diǎn)附近靜在平衡點(diǎn)附近靜止止 5 秒并蜂口鳴秒并蜂口鳴指示指示離開(kāi)

15、原地全離開(kāi)原地全速直奔速直奔 B 點(diǎn)點(diǎn)探測(cè)到木板探測(cè)到木板端點(diǎn)的邊沿端點(diǎn)的邊沿停止停止 5 5 秒秒并蜂鳴并蜂鳴全速直退全速直退回回 A 點(diǎn)點(diǎn)停車停車,根本功根本功能結(jié)束能結(jié)束按下按下 B 鍵鍵前進(jìn)前進(jìn)擺幅突然增大擺幅突然增大,坦克上板坦克上板,停車停車等待穩(wěn)定等待穩(wěn)定跟據(jù)四個(gè)紅外跟據(jù)四個(gè)紅外對(duì)管調(diào)整車的對(duì)管調(diào)整車的方向方向加重物加重物等待等待說(shuō)明:程序一共設(shè)置兩種模式,按 A 鍵是開(kāi)始演示根本功能,按 B 鍵是開(kāi)始演示擴(kuò)展功能.3.23.2 限幅限幅- -逼進(jìn)算法逼進(jìn)算法由于翹翹板有一個(gè)這樣的特性:重物在平衡點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)時(shí)振蕩很大,而在非平衡點(diǎn)的其它地方運(yùn)動(dòng)時(shí)板根本不動(dòng),車難以在短時(shí)間內(nèi)平衡靜

16、止因而算法上排除了動(dòng)態(tài)來(lái)回快速振動(dòng)法,且 mega8 采集到的數(shù)據(jù)比擬穩(wěn)定,數(shù)值幅度小,因而采用離散的限幅-逼進(jìn)算法,保持車在一個(gè)非常微小的傾角振動(dòng)范圍內(nèi)趨向平衡時(shí)的角度值,一旦由于車運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的大于該振動(dòng)范圍的傾角振動(dòng),那么停車并等待振幅減小,一量振幅減小到所定的范圍以內(nèi),那么車?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng),將板漸漸壓向水平,當(dāng)板的傾角接近水平時(shí),那么限幅要越來(lái)越小直至到達(dá)所要求的精度,由于車在進(jìn)行限幅-逼進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí),速度已調(diào)得較慢,故車需要先對(duì)平衡點(diǎn)進(jìn)行快速模糊查找,我們采用兩邊壓板求角度平均值,同時(shí)模糊地將平衡點(diǎn)定在兩個(gè)壓板點(diǎn)的中間.(注:壓板點(diǎn)是車爬上板時(shí)剛能把板翹起的一邊壓下去的點(diǎn),總共有兩個(gè)這樣的點(diǎn),分

17、別位于轉(zhuǎn)軸兩邊.車只需進(jìn)行一次這樣的查找,即可開(kāi)始限幅-逼進(jìn),此時(shí)速度與當(dāng)前傾角值掛鉤).3.33.3 無(wú)引導(dǎo)自動(dòng)識(shí)別上板無(wú)引導(dǎo)自動(dòng)識(shí)別上板根據(jù)題目,自動(dòng)上板時(shí),是車頭對(duì)著板的,只是有一定的角度.雖然題目為了降低難度而允許添加外界引導(dǎo)措施,但是我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)方案,不用添加任務(wù)引導(dǎo), 在題目規(guī)定的 90 度范圍,只要是向著板,就能平安上板.因?yàn)榘迮c地的交界處存在角度差,不平坦,坦克一旦開(kāi)到此處,那么會(huì)引起單擺的擺幅急劇增大,這一瞬間,就可以斷定坦克開(kāi)到了板的邊沿,稍為延時(shí)一下,坦克就上板了,此時(shí)由于坦克的方向有可能是向著邊沿的,最往前開(kāi)就會(huì)掉出去,所以這時(shí)應(yīng)先停下來(lái)交給四路紅外對(duì)管作板邊沿探索,

18、重新定向,使坦克走上正道.4 4 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試 根本功能測(cè)試根本功能測(cè)試高阻尼單擺角度測(cè)量A 端離地高度012345678910111213AD 采集到的數(shù)據(jù)9190888785848381807979787675根本功能(1)(坦克從起始端 A 出發(fā),行駛到中心點(diǎn) C 附近)測(cè)試次數(shù) 12345678910所用時(shí)間/s8878789878根本功能(2)(坦克在中心點(diǎn)附近使翹翹板處于平衡狀態(tài))測(cè)試次數(shù) 12345678910所用時(shí)間/s30292527332829272728根本功能(3)(坦克從(2)中的平衡點(diǎn)出發(fā),行駛到翹翹板末端 B 處)測(cè)試次數(shù) 12345678910所用時(shí)間/s5655555555根本功能(4)(坦克在 B 點(diǎn)倒退回起始端 A 點(diǎn),完成整個(gè)行程)測(cè)試次數(shù) 12345678910所用時(shí)間/s91010101010101010