摘要：該文通過采用AT89S52作為控制核心，設計了整個電動車蹺蹺板系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件部分主要包括：電機驅動模塊、步進電動機、平衡檢測模塊、光電檢測模塊、液晶顯示模塊以及紅外遙控模塊；軟件部分則采用高效的C語言編寫實現(xiàn)了平衡檢測和校正功能?？傮w來說，系統(tǒng)的設計符合要求，可以在規(guī)定的時間內(nèi)達到平衡狀態(tài)。
關鍵詞：電動車蹺蹺板；AT89S52；平衡檢測；角度傳感器

0 引言
    本系統(tǒng)設計要解決的電動車蹺蹺板問題，要求電動車能夠在規(guī)定時間內(nèi)到達蹺蹺板的中心點C處，并保持平衡，隨后電動車到達蹺蹺板的末端B處，停留之后返回始端A處。另外，如果將蹺蹺板重新配重，則要求電動車在規(guī)定范圍內(nèi)駛上蹺蹺板，同時，在規(guī)定時間內(nèi)也能實現(xiàn)平衡，如果再加一塊重物之后蹺蹺板重新達到平衡。

1 系統(tǒng)設計
1．1 總體設計
    本系統(tǒng)采用單片機作為控制系統(tǒng)的主模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)控制與信號檢測，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。主要包括單片機模塊、電機驅動模塊、步進電動機、平衡檢測模塊、光電檢測模塊、液晶顯示模塊以及紅外遙控模塊。

    系統(tǒng)通過平衡檢測來判斷電動車是否處于平衡狀態(tài)，使電動車停留在C處附近，采用光電檢測模塊使電動車行駛至B處停止，采用尋黑線方法使電動車直線前行以及由末端B處能夠直線后退到始端A處。紅外遙控啟動系統(tǒng)，液晶顯示各階段用時以及溫度時間。在配重情況下通過黑線檢測的方法使電動車在規(guī)定區(qū)域內(nèi)的任意指定位置順利駛上蹺蹺板。此方案用平衡檢測模塊實現(xiàn)系統(tǒng)平衡，用尋黑線調(diào)整車身與蹺蹺板同向，總體設計完全達到題目要求，可行性很高。
1．2 硬件選型
    通過比較并結合自身優(yōu)勢最終選擇AT89S52單片機作為本系統(tǒng)的核心部分。該款單片機與MCS51系列完全兼容，易于開發(fā)調(diào)試。其片內(nèi)帶有FLASH存儲器且可在線下載程序，片上各種資源完全能滿足本系統(tǒng)的要求。
    本方案中選用普通反射式紅外光電開關來檢測蹺蹺板上黑線。在沒有探測到黑線時，探頭輸出始終保持低電平。當檢測到黑線時，輸出立刻由低電平跳變到高電平。紅外光電開關送來的信號經(jīng)放大整形后送單片機分析處理，如圖2所示。

    為保證小車在蹺蹺板上能嚴格地沿黑線前進和倒退，本方案共采用了前邊8個探頭，后面2個探頭的方案。前邊8個探頭可以保持小車在前進時完全保持車身在板內(nèi)，高精度的轉向使小車前進時距板邊沿嚴格控制在4 cm以內(nèi)；考慮到小車后退要求較簡單，經(jīng)實驗和檢測后邊2個探頭足以使小車保持在板內(nèi)。
1．3 軟件設計
1．3．1 平衡檢測模塊方案設計
    方案一：采用角度傳感器直接測量系統(tǒng)角度的變化，當角度變化不超過所定范圍即認為達到平衡。角度測量精確，靈敏度高，實時性強，構造簡單。
    方案二：置一裝有適量水的小水罐于車上，當上坡時水體傾斜，當達到平衡狀態(tài)時水體幾乎水平，利用液位傳感器檢測液面高度實現(xiàn)系統(tǒng)平衡。此方案可行，但會增加電動車載重，靈敏度不是很高，要求液體不出現(xiàn)振蕩。
    比較兩種方案，方案一具有明顯優(yōu)點，所以選擇方案一。
1．3．2 驅動電機方案設計
    方案一：直流電機，即采用H型PWM驅動電路驅動直流電機，改變電機電壓極性實現(xiàn)正反轉，PWM占空比控制轉速，由于電壓難達到很高的精度，其轉速也達不到本系統(tǒng)的精度。
    方案二：步進電機，按照接收脈沖數(shù)控制其步數(shù)，按照給定步進電機的步序和步數(shù)直接控制步進電機的運動，可以提高精確性，適合平衡狀態(tài)及位置檢測。
    比較兩種方案，選擇方案二。
1．3．3 黑線檢測方案設計
    方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射一接收電路。該方案缺點在于易受外界環(huán)境光源的干擾，容易造成誤判，準確度不高。
    方案二：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。采用交流分量調(diào)制信號減少干擾，但需要控制占空比，要求有較大的電流，在本系統(tǒng)中不可取。
    方案三：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。受外界干擾小，靈敏度高。
    比較三種方案，方案三的準確度高，明顯優(yōu)于其他兩種方案，所以選擇方案三。
1．3．4 位置檢測方案設計
    方案一：從始端到末端用康銅絲水平置于木板一側，通過采樣檢測電壓值檢測是否已經(jīng)行駛到蹺蹺板末端B處，此方案要求與車相連，需要一定轉換時間。
    方案二：由鼠標工作原理采用光電碼盤測量行駛距離是否已接近板長，或者將板長轉換為接收到的計數(shù)脈沖個數(shù)，以此檢測電動車是否行駛到末端。
    比較兩種方案，方案二簡便可行，測量效果較好，所以選擇方案二。
1．3．5 程序設計
    程序需要完成以下的功能：
    (1)不同階段設定不同的行駛速度，小車在上坡和中間尋求平衡的時候必須要求不同的速度，已達到在規(guī)定時間使蹺蹺板平衡，利用軟件檢測和調(diào)節(jié)使小車在不同階段具有不同的速度。
    (2)綜合多傳感器以提高測量精度，確保小車在蹺蹺板上有比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
    (3)使用軟件濾波器消除小車在行進時的抖動所造成的電壓輸出不穩(wěn)定的問題。
    程序流程如圖3所示。

2 測試及誤差分析
2．1 測試方法
    測試工具：兩塊秒表(最小精度為0．1 s)、卷尺(最小精度為0．01 m)、數(shù)字萬用表(MASTECH MY-65)。

    將小車放在蹺蹺板A端，如圖4所示，開啟電源，記錄以下各段時間并觀察平衡指示(以下稱測試條件1)；將小車及配重分別放在規(guī)定范圍內(nèi)的任意位置，重復上述工作(以下稱測試條件2)。其中T1表示小車從A點到中點C的時間；T2表示小車找平衡的時間；T3表示小車的平衡保持時間；T4表示小車從平衡點到蹺蹺板末端B的時間；T5表示小車在B點停留的時間(測試條件1)，表示第二次增加配重保持平衡的時間(測試
條件2)；T6表示小車從B點返回A點的時間；T7表示小車總行程的時間。
2．2 誤差分析
    (1)蹺蹺板所處位置可能不水平，給測量角度帶來偏差，可以使用其他水平測試儀檢測位置是否水平。
    (2)由于電動車運動產(chǎn)生一定的振蕩導致所測角度有一定偏差，可以將電動車座板牢固焊接在車體上或者將角度傳感器安裝在蹺蹺板上。
    (3)蹺蹺板板面不夠粗糙，摩擦力不夠大，會使電動車產(chǎn)生一定的滑動，將板面用摩擦系數(shù)比較大的紙張貼在上面增大摩擦力。

3 結論
    本文采用角度傳感器直接測量系統(tǒng)角度的變化完成小車的平衡檢測，PWM技術控制的步進電動機作為主驅動電機，使小車可以穩(wěn)定準確地達到平衡及通過蹺蹺板。通過多次測試實驗，系統(tǒng)達到了設計的要求，可以很好地完成任務。