原创 [博客大赛]电子大赛作品---“电动车跷跷板”（上）

电动车跷跷板

系统采用Atmega16L单片机作为电动车的控制核心，寻迹采用反射式红外开关来检测黑线；角度传感器来检测角度；采用专门的电机驱动模块驱动两组步进电机，灵活方便地对车速进行控制。基于可靠的硬件设计和抗干扰的双电源供电方案，实现了对小车行进路线的良好控制。整个系统小巧紧凑，控制准确。

一、方案设计、论证和比较

1、 单片机选型

方案一：采用现在比较通用的MCS-51 系列单片机。51 系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机是8 位机，处理速度不是很快，资源不够充足，而且其最小系统的外围电路都要自己设计和制作，使用起来不是很方便，故不采用。

方案二：采用AVR单片机。AVR单片机吸收了 DSP 双总线的特点，采用 Harvard 总线结构，单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。
　　在 AVR单片机中，CPU 执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统 MCS-51 系列单片机中多指令周期的出现。
　　AVR单片机具有良好的集成性能，在线编程接口、片内看门狗电路、片内程序 Flash、同步串行接口 SPI；多数 AVR 单片机还内嵌了 8路10位AD 转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能；其中的 Mega 系列还具备JTAG仿真和下载功能。另外，AVR 单片机的 I/O 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。
　　AVR单片机采用低功率、非挥发的 CMOS 工艺制造，除具有低功耗、高密度的特点外，还支持低电压的联机 Flash，EEPROM 写入功能。
　　结合题目的要求及AVR单片机的特点，系统选用AVR单片机。

2、 寻迹

    方案一：利用发光二极管和光敏二极管构成检测电路。此方案的缺点在于其他环境的光源对光敏二极管的工作产生很大的干扰，即一旦外界光强发生改变，很可能造成误判和漏判，采用超高亮发光管可以在一定程度上提高抗干扰能力，但这又增加了额外的功耗。

    方案二：：采用单光束反射取样式光电传感器RPR220作为敏感元件，利用红外线对不同颜色的反射系数不同而产生强弱电流信号，所以受外界环境的影响比较小，抗干扰性比较强。

    方案三：通过开关型霍尔传感器来实现，但是由于该方法只能跟踪磁性物质组成的曲线，成本高、安装起来比较麻烦，而且容易受环境中磁性物质的干扰，抗干扰性能不好。

    相比之下，红外光检测方案电路简单，对于小车的应用已经能够胜任，采取一些其他的防干扰手段，如加遮光罩，能够达到很好的检测效果。

方案选择：选择红外检测方案。

3、角度检测

方案一：使用铅垂线+光折断器。此方案的算法比较复杂。    方案二：采用专门倾角传感器WQ36-10。该传感器采用高性能磁敏感元件，利用重力摆结构，可无电接触点的测量倾角角度。具有体积小，灵敏度高、精度高、寿命长、抗振动，耐环境污染的特点，特别适合用于运动频繁场合的水平姿态角度的测控。

鉴于以上分析，选用方案二。

4、键盘接口

键盘接口完成参数输入功能。在系统中采用了常见的方向键完成人机交互功能，而不采用单独的数字键。这样简化了软硬件设计、提升了人机交互体验。

5、显示接口

   方案一：采用LED数码管，优点是接口简单，易于控制。但其显示容量有限，只能用于比较简单的数字显示，且动态扫描需要占用大量单片机时间，无法做到实时显示。

   方案二：采用LCM1602克服了LED数码管的缺点，具有显示容量大、占用单片机口线少、节省单片机时间、功耗低、有着良好的人机界面等优点，完全符合本系统要求。

   所以本设计中采用LCM1602。

6、电机的选择

    方案一：采用步进电机。步进电机的一个显著特点是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。从便于软件设计的角度出发，采用了42BYGH 系列两相混合式步进电机作为被控电机，系统单片机只需提供电机转动的方向信号和步进脉冲，其硬件连接简单，程序易编写，且节省I/O 口。

    方案二：采用普通直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；但普通直流电机由于其自身结构的限制，控制精度很低，无法达到系统要求的指标，这里不予采用。

    鉴于步进电机的优点，这里采用步进电动机作为动力源。

7、电机驱动方式的选择

方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

    方案二：采用细分驱动器模块，它可以产生步进电机所需的相序脉冲。细分驱动器采用高性能专用微步距电脑控制芯片,开放式微电脑可根据用户要求把控制功能设计到驱动器中,组成最小控制系统。由于采用新型的双极性恒流斩波技术，使电机运行精度高, 振动小, 噪声低,运行平稳。用这种方案的控制精度、效率和可靠性都很高。

基于以上分析，选定方案二。

8、电源方案的选择和论证

    方案一：所有器件都采用单一电源。这样供电虽然比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且给定脉冲信号驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。

    方案二：采用两个电源供电。将电机驱动电源（24V）和单片机的供电电源（5V）完全隔开，这样做能将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。

基于上述考虑，所以我们选择方案二。