以ATMEL89S52單片機為控制核心采用L298芯片作為兩只直流電機的驅動模塊

1、全國大學生電子設計競賽全國大學生電子設計競賽 F F 題論文題論文學校：華南理工大學學校：華南理工大學隊員：陳英忠隊員：陳英忠 鄭喜輝鄭喜輝 謝千里謝千里獎項：全國二等獎獎項：全國二等獎 摘要:本系統(tǒng)以 ATMEL89S52 單片機為控制核心，采用 L298 芯片作為兩只直流電機的驅動模塊，運用 PWM 軟件控制,使小車能實現無反應式的近直線行進，和利用單擺原理進行蹺蹺板角度的檢測,采用近模糊算法實現了平衡點的檢測,到達題目的平衡要求.并且本錢低.同時利用反射式的紅外傳感電路實現對蹺蹺板的邊沿檢測,使得在不加任何引導的情況下都能使小車不跑出蹺蹺板,實現 A,B 點的檢測.同時利用 52 內部的

2、定時器實現題目所需的準確定時. 本小車系統(tǒng)利用簡單的硬件和先進的算法完成了題目根本和擴展功能的各項要求.同時自制的單擺平衡系統(tǒng)是本系統(tǒng)的亮點.關鍵詞：AT89S52AT89S52 限幅限幅- -逼進算法逼進算法 高阻尼單擺傾角測量器高阻尼單擺傾角測量器 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 單片機方案論證.21.3 電源方案論證.21.4 翹翹板邊沿檢測模塊方案論證.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 時間顯示模塊方案論證.32 2 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計2.1 總體設計.42.2 單元電路設計.4 單片機最小系統(tǒng)單元電路設計.

3、42.2.2 電機驅動單元電路設計.42.2.3 翹翹板邊沿檢測模塊的電路設計.5 角度傳感器設計與實現單元電路設計.5 無線發(fā)送狀態(tài)電路設計.53 軟件設計 3.1 程序流程圖.6限幅-逼進算法7 3.3 無引導自動識別上板.74 系統(tǒng)測試 4.1 根本功能測試.74.2 擴展功能測試.85 結論.86 6 附錄91 方案論證與比擬從題目的要求來看,要求設計的系統(tǒng)的難點在于保持電動車的平衡,所以這題的重點是平衡系統(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

4、的電動機，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，適宜的元件短時間內難以買齊，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，拋開車身長度，從 A 點出發(fā)后要到達 C 點，最小平均車速應該在 750mm/30S=25mm/S 以上, 如果用購置的坦克玩具車改裝，那么由經驗可知，經過改裝的玩具車走直線性能好，容易控制，這是因為坦克自帶 3 級齒輪,具有直流減速電機的效果,裝上自己的控制電路就可以很好地進行控制,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 單片機方案論證單片機方案論

5、證方案一方案一：采用凌陽 SPCE061A 單片機實現，該 16 位單片機內部資源豐富，集成了A/D，D/A，易于數據的采集，但由于它開發(fā)起來比擬復雜，大局部資源被封裝成庫，無法看到源代碼，而且 IO 口操作極不方便。對于電子設計競賽這種時間緊，任務急的開發(fā)來說是極為不利的。而且價格高，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 單片機實現，51 系列單片機簡單易用，各種控制算法和邏輯控制相對能夠容易地編程實現。雖然 89S52 需外接模數轉換器來滿足數據采樣，但硬件電路并不復雜,而且其價格廉價。 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、案論證由于整個電路非常簡單，所以功耗很低，除了 AD 那里對電源有一點要求之外，其他的局部對電源要求并不高，分別對電動機和其他局部供電,目的是使控制電路不受較大功率的電機的干擾。在 AD 轉換的參考電壓那里我們采用 LC 濾波，其電路圖如下：1 14 4 翹翹板邊沿檢測模塊方案論證翹翹板邊沿檢測模塊方案論證方案一方案一：脈沖調制的反射式紅外發(fā)射-接收器。采用帶有交流分量的調制信號，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調節(jié)占空比來調節(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光管，可以有效的降低環(huán)境光源的干擾，尺寸小、質量輕、靈敏度高，對輔助裝置的要求最少，對人眼無傷害，采用不調制的反射式紅外發(fā)射-接收器完全可以有效的降低干擾，而且方便可行，能夠準確的實施檢測?；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，對角度的線性好；但萬事萬物總有其優(yōu)缺點，專用的傾角傳感器易受加速度影響，而且價格非常高，即使是學校出錢買，我們也不想用，因為其不能表達我們的動手能力，所以我們放棄該 IC。方案二方案二：利用地球重力，做一個

8、單擺，水平固定在車上。當車傾斜時，單擺受到地心引力的作用就會和車有相對的轉動。利用這一特點，我們就可以測出這一變化，進而測出車的傾斜度。我們將單擺懸掛在一個可調電阻可旋轉的那個腳上，可調電阻兩端接一個電壓，我們對電阻可調的那個腳進行采樣，就可根據那腳的電壓值計算出單擺擺過的角度。由于我們有一個旋轉角度的傳感器，里面的結構就是一個可調電阻，阻值非常均勻，無疑是最正確選擇。一般的可調電阻轉度，電壓可變化V 左右 (度以下。由于這個方案簡單，測量精度也夠高。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，電路簡單，又容易控制，再加上 LCD液晶顯示。到達平衡時

9、，蜂鳴器響，同時 LCD1602 液晶顯示端和端的高度差。1 17 7 時間顯示模塊方案論證時間顯示模塊方案論證LCD1602 液晶顯示，能顯示 16*2 個字符。容易，簡單，實惠。2 系統(tǒng)設計根據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MEGA8L單擺傳傳器數據采集和處理自制單擺傳感器翹翹板邊沿檢測模塊蜂鳴器指平衡狀態(tài)LCD1602 時間數據顯示L298N 電機驅動模塊2 22 2 單元電路設計單元電路設計單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng) 略。2.2.22.2.2 電機驅動模塊電路的實現電機驅動模塊電路的實現 我們采用 L298N 驅動電路: LM298 最大電流可達 2A

10、,發(fā)熱量少,不需要加散熱片,而且外圍相當的簡單,空載時兩路輸電流總共才 20mA, 負載時最大電流也只有 350mA,非常省電.2.2.32.2.3 翹翹板邊沿檢測模塊的電路設計與實現翹翹板邊沿檢測模塊的電路設計與實現用紅外對管和運放 LM324 搭成探測器，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，那么反射回來的信號那么越弱,所以調節(jié) LM324 的正相輸入端的比擬電壓,就可以調節(jié)對管的范圍,在車的四個角上裝上,調節(jié)好電位器,就能使照在板上的時候接收管通,LM324 輸出高電平,而對管探到板子邊沿時,由于反射信號微弱以致接收頭幾乎不導通,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,單片機跟據這些信號來判斷轉向,確保車不會掉下去.2.2.42.2.4 角度傳感器設計與實現角度傳感器設計與實現這是整個平衡系統(tǒng)的核心核心局部,它的好壞決定著整個系統(tǒng)的性能.本來打算將單擺懸掛在一個可調電阻可旋轉的那個腳上，可調電阻兩端接上電壓，我們對電阻可調的那個腳進行 AD 采樣，再根據轉動腳的電壓值計算出單擺擺過的角度。但問題并沒有這么簡單。首先，可調電阻的阻值存在不均勻的問題，AD 采樣存在精度問題。而學校的實驗室里除了傾角 IC 外,還有轉動角傳感器，它輸出模擬電壓，如果用 10位 AD 采集，其精度可達度。所以這可調電阻可以用轉動傳感器代替。那 AD

12、芯片呢？按照題目的要求，翹翹板兩端之差不能超過 40，即其傾角不能超過 arcsin(40/1600)度。所以采樣必須要到達 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。本來用 ATMEGA48 就可以了的，但當時沒有 ATMEGA48，只有兩塊 ATMEGA8L。所以就直接用 ATMEGA8L，雖然有點大材小用。用ATMEGA8L 的 AD 采集還有一個好處，因為對速度要求不是很高,于是可以對采樣到的信號進行初步處理之后再通過串口送到主控芯片進行處理。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)定問題，就是說單擺既

13、要很容易擺動，又要擺動之后能很快停下來，這是一個矛盾，必須從中找出一個折中的平衡點。這平衡點就要求單擺的力臂不能太長，也不能太短。太長，擺動之后就很難停下來，太短又很難擺動。懸掛的重物也不能太重不能太輕。太重，擺動之后就很難停下來，太輕，很難擺動。經過我們無數次的試驗，我們發(fā)現不能用線掛重物,因為用線掛重物時,重心全部落在重上,導致力矩過大,那么一旦起擺,將很難停下來。所以我們改用金屬條,利用它的質量均勻分布的特點,使重心落在中間位置，不僅起擺迅速,而且一旦車停下來,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.無線發(fā)送狀態(tài)電路設計

14、無線發(fā)送狀態(tài)電路設計采用不帶協議的 315MHz 頻段的無線收發(fā)模塊,自行編寫通信協議,及時將坦克所處狀態(tài)發(fā)回觀測臺上的液晶 12864.這種收發(fā)模塊只需占用單片機一個 IO 口.3軟件設計3 3. .1 1程程 序序 流流 程程 圖圖擴展功能擴展功能擴展功能根本功能程序開始程序開始按下按下 A 鍵鍵全速前進全速前進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退到后傾前傾點退到后傾點所用的時間點所用的時間可變低速限幅逼可變低速限幅逼進所求出的平衡進所求出的平衡角度量化平均值角度量化平均值在平衡點附近靜在平衡點附近靜止止 5 秒并蜂口鳴秒并蜂口鳴指示指示離開

15、原地全離開原地全速直奔速直奔 B 點點探測到木板探測到木板端點的邊沿端點的邊沿停止停止 5 5 秒秒并蜂鳴并蜂鳴全速直退全速直退回回 A 點點停車停車,根本功根本功能結束能結束按下按下 B 鍵鍵前進前進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)定跟據四個紅外跟據四個紅外對管調整車的對管調整車的方向方向加重物加重物等待等待說明:程序一共設置兩種模式,按 A 鍵是開始演示根本功能,按 B 鍵是開始演示擴展功能.3.23.2 限幅限幅- -逼進算法逼進算法由于翹翹板有一個這樣的特性:重物在平衡點附近運動時振蕩很大,而在非平衡點的其它地方運動時板根本不動,車難以在短時間內平衡靜

16、止因而算法上排除了動態(tài)來回快速振動法,且 mega8 采集到的數據比擬穩(wěn)定,數值幅度小,因而采用離散的限幅-逼進算法,保持車在一個非常微小的傾角振動范圍內趨向平衡時的角度值,一旦由于車運動而產生的大于該振動范圍的傾角振動,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,那么車繼續(xù)運動,將板漸漸壓向水平,當板的傾角接近水平時,那么限幅要越來越小直至到達所要求的精度,由于車在進行限幅-逼進運動時,速度已調得較慢,故車需要先對平衡點進行快速模糊查找,我們采用兩邊壓板求角度平均值,同時模糊地將平衡點定在兩個壓板點的中間.(注:壓板點是車爬上板時剛能把板翹起的一邊壓下去的點,總共有兩個這樣的點,分

17、別位于轉軸兩邊.車只需進行一次這樣的查找,即可開始限幅-逼進,此時速度與當前傾角值掛鉤).3.33.3 無引導自動識別上板無引導自動識別上板根據題目,自動上板時,是車頭對著板的,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措施,但是我們設計了一個方案,不用添加任務引導, 在題目規(guī)定的 90 度范圍,只要是向著板,就能平安上板.因為板與地的交界處存在角度差,不平坦,坦克一旦開到此處,那么會引起單擺的擺幅急劇增大,這一瞬間,就可以斷定坦克開到了板的邊沿,稍為延時一下,坦克就上板了,此時由于坦克的方向有可能是向著邊沿的,最往前開就會掉出去,所以這時應先停下來交給四路紅外對管作板邊沿探索,

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