电动车跷跷板系统设计

关键词：凌阳SPCE061A单片机、倾角传感器、光电传感器PWM直流电机(脉冲调制)

1 引言

根据2007 全国大学生电子设计竞赛 J 我们选择问题的要求凌阳SPCE061A单片机为了控制核心，电动汽车跷跷板控制系统由搜索模块、电机驱动模块、平衡检测模块等组成。并通过实验验证了各种功能，成功完成了主题提出的技术指标。

2 整个系统结构

根据设计要求，系统的总体结构图如图所示1所示。整个控制系统由控制器模块、平衡检测模块、跟踪检测模块、行程检测模块、电机驱动模块、显示模块和声光报警模块组成。

图 1 系统总体结构图

3 硬件设计

3.1 控制器模块

采用凌阳SPCE061A单片机作为控制核心。它是一个高性能的16位单片机，主频可以达到49MHz，自带的两路PWM（APWMO和BPWMO）输出可方便的对电动机进行速度调节。同时它具有出色的语音功能，利用它的语音函数可以方便的实现语音控制和语音播放。结合题目的要求，本系统选用凌阳SPCE061A单片机。为了加快系统的设计，控制模块直接采用凌阳公司提供的61板。

3.2 平衡处理模块

我们选用的SCA61T单轴倾角传感器，内置温度补偿，量程±0.5g ( 30° )和±1g( 90°)，单路 +5 V 电源SPI数字或者0.5～4.5V模拟输出 。SCA61T倾角传感器安装在小车前方底部，通过IOA8输入单片经内部的ADC，转换后得到的数字信号供系统程序检测用。具体电路见图2。

图2倾角传感器电路

3.3 寻迹传感器模块

采用红外发射、接收管作为光电对管寻迹传感器。这里我们选用了TCRT5000。它采用DIP4封装是一种一体化反射型光电探测器。使用2对TCRT5000型光电对管，分别设在小车底部的中心线两旁，测试是否偏离轨道。当发光二极管发出的光照到白色时光被反射回来时，三极管导通输出低电平，否则输出高电平。OUT输出的电平被送到SPCE061A。系统根据不同结果，对电机进行控制，保证小车沿着指定的轨道运动。具体的电路见图4。

图3 光电对管电路图

3.4 电机驱动模块

采用专用芯片L298 作为电机驱动芯片。L298 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，一片L298 可以控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。驱动电路的设计如图4 所示：

图 4 电机驱动电路

3.5 电源模块

考虑到系统中，电机是耗能大户。一般的干电池很快机会用光，而且电机启动后电源电压会很快下降，影响系统的稳定性。因此本系统中采用双电源供电。用3节3.6V可充电式锂电池串联单独给两个电机进行供电。用3节1.5V干电池为单片机系统和其他芯片供电。

4 软件设计

4.1 主程序流程图

为了方便控制，我们利用凌阳的语音识别功能，增加了声控功能。开启小车的电源开关，系统首先进行初始化，小车进入语音识别，然后根据语音命令，执行相应的程序。根据题目的要求程序分为三大功能：演示部分、基本部分、发挥部分，系统根据声控命令，执行相应的程序，主程序流程图如图5所示。

4.2 发挥部分功能简介

电机的调速控制，采取单片机自带的PWM功能，此系统是将定时/计数器TimerA作为4位计数器时钟源信号，输出一个具有4位占空比可调的脉宽调制输出信号APWMO,即由单片机的IOB8输出频率可变的脉冲，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出脉冲的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左、右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。

显示部分采用8段数码管动态显示，直接在IOA7~IOA15输出段码，将IOA4~IOA6分别作为百位、十位和个位片选端。

 

 

这部分要求，小车从A区出发，自动在跷跷板上找到平衡点，并能维持5S，并进行声光报警，然后回到A区。在行进过程中根据倾角传感器检测到的信号，来判断倾角为正倾角还是负倾角。当检测到正倾角时，对动力电机加正向电压小车前进。当检测到负倾角时，对动力电机加反向电压小车后退，

同时在IOB8输出PWM脉冲，当检测到正倾角时小车前进，此时小车在平衡点附近做往复运动。当达到规定平衡范围时，这时称为死区，小车启动定时功能，当平衡时间达到5S时，小车感进行声光提示，然后小车自动倒退返回A点。程序流程图如图6

图 5主程序流程图

 

 

 

 

图 6主程序流程图