電動車設計方案電路原理圖分析
摘?要
????? 隨著單片機技術的飛速發展，以及電動機驅動芯片性能的日益完善，本設計系統通過單片機控制直流電動機實現了電動車在符合規定要求的蹺蹺板上的規定運動：在規定時間內的前進、后退運行；蹺蹺板處于平衡狀態時以及到達蹺蹺板末端的停車候時；分階段實時顯示其行駛所用時間。該設計系統采用雙CPU設計思路：選用AT89S52作為主CPU，主要完成對數據采集系統的數據處理，控制，電動車的實時顯示，以及主從CPU的通信功能；選用AT89C2051作為從CPU，控制電機的轉速。該設計系統中采用脈沖寬度調制技術（PWM）實現對直流電動機的準確與靈活調速。
1.?? 系統設計
1.1總體方案分析論證
?? ?根據設計要求，以系統核心控制功能的實現為根本，提出兩種系統總體設計方案進行分析論證：
方案一：采用中大規模的可編程邏輯電路作為核心控制部分，其功能模塊包括標識線檢測，行車路線矯正，實時顯示，電機控制等。各個功能模塊狀態的保持或轉移的條件取決于傳感器采集的信號。對應的系統結構框圖如圖1.1.1所示。
方案二：采用51系列單片機作為控制核心，并且采用主、從結構的雙CPU系統設計思路：選用AT89S52作為主CPU，主要完成數據的采集、處理，電動車狀態的實時顯示，以及主從CPU的通信功能；選用AT89C2051作為從CPU，利用該型號單片機具備的脈沖寬度調制輸出功能實現對直流電動機的準確與靈活的調速。此種設計思路可以有效的提高整機的實時控制性能，而且余留了大量的內存和接口，為系統進一步的功能擴展奠定了基礎。對應的系統結構框圖如圖1.1.2所示。
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????? 上述兩種方案理論上都是可行的，方案一原理簡單，但在為了簡化電路構成，選用大規模集成邏輯電路的同時，也令設計系統的成本大幅提升，從而使整機的性價比大大降低；方案二，選用性價比高的單片機構成雙CPU系統，能夠充分發揮單片機在小規模自動化設計系統的性價比優勢，而且因設計者對單片機應用技術掌握的相對更加熟練，在設計調試過程中，可操作性更強，發揮的空間也更大，因此我們選用了實用性較強的方案二。
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1.2主要功能模塊方案分析論證
????? 根據系統功能設計要求，該設計系統應包括：平衡檢測模塊、定位檢測模塊、直流電機驅動模塊等三大功能模塊。
1.2.1平衡檢測模塊方案論證
????? 平衡檢測模塊的主要功能是實現系統檢測、驅動、再檢測、再驅動的一個循環修正電動車行駛路線，確保實現電動車在蹺蹺板上準確的按要求自動往返運行，平衡停滯待時，末端停滯待時，并能將采集到的相關測試信號送系統控制器進行小車行駛時間和平衡靜止時的狀態指示。根據所要實現的功能要求，我們提出兩種設計方案：
方案一：使用角度傳感器完成平衡檢測部分。將角度傳感器安裝在支撐平板半圓柱塊的頂端，板與地面有夾角變化，傳感器的輸出電壓也相應地改變，被檢測后送到單片機內進行處理，再由單片機對電機發出相應的控制信號。
方案二：自制一個透明的，直徑約為1cm的塑料管，將一實心小鐵球置入其內，兩端封閉，在管的兩端處分別安放一組對射式紅外對管，將此裝置平放在小車上，小車在板的中間處時，如果小球不是處于中間位置附近，就會滑到管的兩端，對管的接收部分將接收不同的信號，經過處理后送到單片機進行處理，從而發出對電機的控制信號，調節板與地的夾角，直至其平衡。
????? 通過試驗，發現方案一測量起來非常復雜，信號處理電路也比較繁瑣，方案二新穎別致，只要在調平衡的過程中掌握好電機的步距，特別注意微調，是能夠達到功能控制要求的，因此我們選用了方案二來實現平衡檢測功能。
1.2.2定位檢測模塊
????? 根據題目設計要求，電動車從A點出發，B點停止5s，然后原路返回停到A點，為了使電動車能夠穩定地停靠在規定的區域內，單片機只有實時獲取其行駛狀態，不斷作出相應調整。因此我們分別從兩個方面進行考慮：一方面，我們通過實驗計算每一段的行駛距離來控制電動車的起動和停止位置；另一方面，在題目允許的范圍內，我們可以在A、B、C三點分別作一橫向的黑帶，運用檢測裝置完成信號的采集，從而便于單片機對電動車的控制。基于此，我們提出以下兩種設計方案。
方案一：選用霍爾傳感器檢測電動車行駛的速度。在車輪上均勻安裝若干個磁片，將霍爾集成片安裝在固定軸上，隨著輪子的轉動，將得到脈沖，即對應電動車的車輪轉速。
方案二：使用反射式光電傳感器對已設定的標志進行檢測完成對應功能。在A、B、C三點均作出標志后，在小車的頭部和尾部分別安裝一個反射式傳感器，保證電動車在往返時啟動和停止功能的實現。對應原理圖參電機專用驅動芯片1.2.1所示。
綜合考慮上述方案，發現方案一中霍爾傳感器安裝較困難，測量精度無法滿足題目要求，而方案二檢測可靠性與精度都較高，并且易于實現，因此采用方案二。
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1.2.3 直流驅動模塊
????? 電動車電機的驅動系統的性能在很大程度上決定了電動車的整體運行性能，在電動車電動機的選擇上，我們選用性價比高、控制簡單的直流電機。直流電機的驅動方法很多，下面提出兩種方案進行分析論證。
方案一：H型橋式驅動電路。這種電路應用十分廣泛，在本設計系統中要不斷地使電機在在正轉和反轉之間切換，也就是由S1、S2導通且S3、S4關斷，到S1、S2關斷且S3、 S4導通，這將令電路的功能調試工作較煩瑣，且系統的硬件電路略顯復雜。其工作原理示意圖參見附錄圖 1.2.2所示。
方案二：采用集成橋式電機專用驅動芯片。比如使用L298、LMD18200等集成芯片，這一設計方案可令系統的控制電路簡潔，且可靠性高。
綜合考慮，我們選用方案二實現直流電機的驅動。
1.3 系統硬件設計
1.3.1 檢測電路設計
??? ??光電傳感器廣泛應用于檢測電路中，按結構形式可以分為反射式和對射式。本設計系統中電動車的行車路線檢測，起停檢測電路都要有反射式光電傳感器完成，我們直接選用TCRT5000傳感器，它是將一對紅外發射、接收對管按合理的發射、反射接收角度安裝在一個封裝內，從而安裝使用非常方便，測試準確度高；而平衡性檢測電路由對射式光電傳感器完成，此發射接受電路是有分立器件自行安裝、調試的，測試結果理想。
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?????? 對射式光電傳感器也是由紅外線發射管、接收管構成，并且二者位于同一直線上，相距約10～20mm，兩管間沒有障礙物時接收管接收到的紅外線明顯不同于有障礙物時，這樣在接收端就會產生高低電平信號。為了讓電動車行駛到C點，蹺蹺板達到平衡，我們制作了一個圓筒，并將其水平放在小車上，通過檢測其內的小球所處的位置來調整電動車的位置，從而達到板的平衡。其檢測原理圖參見附錄圖1.3.1所示，在設計中，我們在圓筒的兩端分別安裝一個對射式光電傳感器。
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????? 直接對光電傳感器電路進行測試時發現，沒有障礙物時，輸出電壓可達到4.4V,有障礙物時電壓只有0.2V，由于接收端易受到干擾，應將采集到的信號經過整形，比較電路，使其輸出能夠滿足TTL邏輯電平，并且可以改善輸出端的抗干擾特性。施密特觸發器的整形功能比較強，但是電壓不易調節，若利用電壓比較器，只要提供合適的參考電壓，就可以精確地輸出脈沖波形，綜合考慮我們選用性能較好的電壓比較器電路。其原理圖如圖1.3.2所示。?
????? 在上圖中，我們使用了專用集成電壓比較器LM311，對輸入的信號進行處理。端口2是參考電壓輸入端，當輸入信號幅值大于參考電壓時，輸出端7就會輸出低電平，反之亦反。考慮檢測系統所測得的信號大小，我們設定參考電壓為3V。LM311的參考電壓與電源電壓的關系為：
????? 在用Multisim軟件進行仿真時，我們發現輸出信號的高電平上出現了毛刺現象，為此我們在電源和輸出端之間接入了一個30pF的電容，效果很好。
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1.3.2 驅動電路設計
????? 在本設計系統中，選用的是ST公司的L298N電機專用驅動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。
???? 由L298N 構成的驅動電路參見附錄圖1.3.3?所示。
1.3.3 顯示電路設計
????? 采用LED顯示，其特點是亮度大，視覺效果好。LED顯示按不同分類方法可分為串行顯示和并行顯示也可分為靜態顯示和動態顯示。可采用的方法有： MAX7219串行動態顯示、74HC164串行靜態顯示、8279并行動態顯示等多種方法。由于本設計采用干電池供電，在電路設計中應盡量降低功耗。
????? 采用LCD顯示。液晶顯示器集成度高，減少器件數目降低了功耗，同時也降低了電路的復雜性。而且液晶顯示器本身功耗很小，非常適合于這種電源容量有限的系統。但是液晶顯示也有其缺點，就是顯示亮度不夠，視覺效果不是很好。
????? 綜合考慮題目要求，我們選用功能強大的CH451，它整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及uP監控的多功能外圍芯片。由CH451構成的顯示電路參見附錄圖1.3.4所示。
1.4 系統軟件設計
????? 系統軟件設計分模塊進行，主要包括：主機主程序模塊、從機的PWM調速程序模塊
主機程序流程圖如圖1.4.1所示：
????? 從機程序流程圖如圖
2. 系統測試
2.1 系統測試的儀器設備及其材料組成
?????? 數字萬用表，數字示波器，可調電源箱，偉福6000軟件模擬器，偉福VW軟件仿真器，1600mmX300mm蹺蹺板，卷尺，秒表。
2.2 調試方法和步驟
????? 調試時也是先模塊后整體，可明顯分為光電傳感器模塊，紅外對管模塊，PWM調速模塊，顯示、報警模塊，每個小模塊調通后，將它們組合一整體進行調試。
A、光電傳感器模塊：首先用數字萬用表測試模塊的輸出，待符合要求后再安裝到電動車上進行調試，最終發現光電傳感器離地面約6cm時效果最好。
B、紅外對管模塊：首先調試成功一組對管，然后將兩組對管組合起來進行測試，這一模塊應和PWM模塊配合調試。
C、PWM模塊調試：不斷改變PWM波的周期和占空比使電動車能夠迅速爬坡，穩定平衡，下坡，停止。
D、顯示、報警模塊：編寫顯示、報警程序，燒至單片機驗證這一模塊均可正常工作。
????? 最終將四個模塊整合成一個整體進行調試，完成了電動車上坡，中點平衡，終點停止功能，并且均達到了設計要求。
測試數據：
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PWM波占空比 |
上坡時間(s)??????? |
平衡位置(s) |
下坡時間(s) |
返回時間(s) |
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20%??????????????????? |
14 |
5 |
6 |
13 |
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20% |
14 |
5 |
6 |
12 |
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20% |
15 |
5 |
5 |
15 |
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20% |
14 |
5 |
5 |
13 |
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20% |
15 |
6 |
6 |
15 |
2.3 測試結論
2.3.1 功能實現
????? 以上測試結果表明，本設計完成了基本要求的基礎之上，精化了各項指標，上、下坡迅速平穩，平衡時間和板的平衡度基本達到了要求，往返時的停止位置也在要求的范圍內。
在不加配重的情況下，電動車完成以下運動：
（1）電動車從起始端A出發，在15秒鐘內行駛到中心點C附近；
（2）20秒鐘之內，電動車在中心點C附近使蹺蹺板處于平衡狀態，保持平衡5秒鐘，并給出燈光的平衡指示；
（3）電動車從（2）中的平衡點出發，6秒鐘內行駛到蹺蹺板末端B處（車頭距蹺蹺板末端B不大于50mm）；
（4）電動車在B點停止5秒后，15秒內倒退回起始端A，完成整個行程；
（5）在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，并分階段實時顯示電動車行駛所用的時間。
?2.3.2 誤差分析
???? ?本設計在完成基本要求方面，精度基本上達到了要求，由于受電動車本身的性能所限，我們很難實現對其方向的精確控制，因此只完成了題目的基本要求。
參考文獻
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