在多次全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽中，電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)一直都是熱點(diǎn)，從歷屆的電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)作品來(lái)看，電動(dòng)車(chē)的車(chē)體往往做得大而重，且常常需要依靠車(chē)體以外的模塊輔助才能完成，這對(duì)于車(chē)來(lái)說(shuō)就不夠智能化了。本文中電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)所采用的方案，車(chē)體小巧靈活，不需借助任何的附加設(shè)備即可工作，而且對(duì)蹺蹺板的要求很低。

1、總方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。其中，控制部分由控制器模塊、電源模塊、電機(jī)模塊、顯示模塊、語(yǔ)音模塊等模塊構(gòu)成；信號(hào)檢測(cè)部分由平衡檢測(cè)模塊、引導(dǎo)模塊構(gòu)成。采用單控制器，控制器和角度傳感器直接安裝在車(chē)體上，角度傳感器的角度信號(hào)傳送給控制器，控制器根據(jù)信號(hào)來(lái)判斷電動(dòng)車(chē)當(dāng)前的狀態(tài)，做出相應(yīng)的反應(yīng)（前進(jìn)、后退、停車(chē)、平衡指示等）。采用單控制器使小車(chē)能夠更加靈活的行駛，避免了長(zhǎng)信號(hào)線或者無(wú)線通信帶來(lái)的信號(hào)采集不準(zhǔn)確問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，證明車(chē)體能夠輕松找到平衡點(diǎn)。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

該設(shè)計(jì)電動(dòng)車(chē)蹺蹺板實(shí)物圖如圖2所示，從中可以看到，現(xiàn)在電動(dòng)小車(chē)的狀態(tài)為平衡點(diǎn)附近，這是因?yàn)檐E蹺板的平衡是一種絕對(duì)的動(dòng)態(tài)平衡，即平衡時(shí)，小車(chē)在板上平衡點(diǎn)做振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@樣的運(yùn)動(dòng)幅度非常小，可以認(rèn)為是一種偽靜態(tài)。

2、各模塊具體實(shí)現(xiàn)方案及硬件電路

2．1 車(chē)體設(shè)計(jì)及電機(jī)控制模塊

該設(shè)計(jì)采用的車(chē)體由鋁合金車(chē)架及兩個(gè)直流電機(jī)組成，具有堅(jiān)固穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且直流電機(jī)帶有驅(qū)動(dòng)電路及減速箱，減速箱的減速比為64：1。設(shè)計(jì)中使用L298搭建了驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)調(diào)試車(chē)速可以分級(jí)控制。硬件電路圖如圖3所示。

2．2 控制器模塊

該設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)，SPCE061A是16位結(jié)構(gòu)的微控制器。該單片機(jī)具有驅(qū)動(dòng)能力高和集成度高，易擴(kuò)展，可靠性高，功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。SPCE061A的CPU時(shí)鐘為0．32～49．152 MHz，內(nèi)置32 KB FLASH和2 KWords的SRAM，速度可以滿(mǎn)足電機(jī)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求；SPCE061A還可以通過(guò)在線調(diào)試器：Probe和EZ Probe實(shí)現(xiàn)在線程序下載和調(diào)試，極大地提高開(kāi)發(fā)效率；另外SPCE061A尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域，可方便地用來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放，只要調(diào)用庫(kù)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)音頻編程，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放功能，比別的單片機(jī)更有特色。因此選擇此方案。

2．3 電源模塊

該設(shè)計(jì)采用6節(jié)1．2 V可充電式鎳氫電池串聯(lián)共7．2 V給直流電機(jī)和傳感器供電，經(jīng)過(guò)7805的電壓變換后為單片機(jī)供電。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用此種供電方式后，只有一組電源，便于安裝，且直流電機(jī)工作良好，單片機(jī)、傳感器的性能穩(wěn)定。電路原理圖見(jiàn)圖4。

2．4 引導(dǎo)模塊

該系統(tǒng)采用黑線引導(dǎo)法，在地面和蹺蹺板上均畫(huà)有黑線，用尋跡的方式引導(dǎo)電動(dòng)車(chē)。尋跡采用RG149A光電對(duì)管。RG149A通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)的不同來(lái)區(qū)分黑白，信號(hào)經(jīng)LM324整形后傳輸給控制器。LM324需外接一個(gè)滑動(dòng)變阻器，以找到合適的阻值，使得輸出高低電平信號(hào)能被正確識(shí)別。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，尋線效果良好，在直線和彎道都能很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)尋線，而且該管市面上容易購(gòu)得。其硬件電路圖見(jiàn)圖5。

2．5 語(yǔ)音模塊

在語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)中直接使用凌陽(yáng)61A板自帶語(yǔ)音模塊。正如前文介紹，61板具有強(qiáng)大的語(yǔ)音處理功能，擁有語(yǔ)音的MIC輸入端，自帶自動(dòng)增益（AGC）控制，具有語(yǔ)音輸出接口，可外接喇叭。根據(jù)音頻處理模塊功能的強(qiáng)弱，在錄制語(yǔ)音時(shí)，需要選擇采樣率和音頻格式，同時(shí)還要注意音頻文件的大小。

2．6 顯示模塊

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的64×128液晶顯示屏模塊，該模塊自帶液晶顯示驅(qū)動(dòng)，只需在程序中建立相應(yīng)字庫(kù)即可實(shí)現(xiàn)顯示。因?yàn)樵陲@示模塊上的工作可以近似認(rèn)為是一種實(shí)時(shí)性的，并且數(shù)據(jù)量大，這就需要在軟件的編寫(xiě)上進(jìn)行合理的安排，以使CPU及時(shí)響應(yīng)和協(xié)調(diào)各功能子模塊的正常工作。

2．7 平衡模塊

該設(shè)計(jì)使用無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器自制重錘角度傳感器。在電位器上加一重錘，通過(guò)重錘的擺動(dòng)角度帶來(lái)電位器角度的變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的測(cè)量。該角度傳感器安裝在電動(dòng)車(chē)上，當(dāng)蹺蹺板處在非平衡狀態(tài)時(shí)，車(chē)體的傾斜角度反映在重錘的轉(zhuǎn)角上，再通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換將角度信號(hào)采集到處理器中進(jìn)行相關(guān)的處理。在本設(shè)計(jì)中，有三個(gè)關(guān)鍵角度值，即蹺蹺板上平衡區(qū)間的兩端點(diǎn)角度值和平衡區(qū)間中的實(shí)際中點(diǎn)值。小車(chē)在自動(dòng)找平衡時(shí)，是根據(jù)平衡區(qū)間的端點(diǎn)值判斷自己是否處于平衡區(qū)，是則調(diào)用平衡區(qū)功能函數(shù)進(jìn)行工作，直到最終找到真正平衡點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)論證，小車(chē)能夠快速準(zhǔn)確地尋找到平衡點(diǎn)。原理圖及實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

3、程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖如圖7所示。

4、理論分析與計(jì)算

4．1 角度傳感器原理

當(dāng)電動(dòng)車(chē)處于水平狀態(tài)時(shí)（此時(shí)蹺蹺板平衡），角度傳感器重錘成自然下垂?fàn)顟B(tài)，此時(shí)得到一電壓值作為基準(zhǔn)電壓；而當(dāng)電動(dòng)車(chē)處于非水平狀態(tài)時(shí)（此時(shí)蹺蹺板失衡），重錘會(huì)隨著蹺蹺板的傾斜角度而偏離原位置一定角度，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)的變化，控制器根據(jù)電壓信號(hào)變化及趨勢(shì)來(lái)控制電機(jī)。

在本系統(tǒng)中當(dāng)角度傳感器的工作電壓為3．3 V時(shí)，則應(yīng)用角度傳感器關(guān)鍵值可以參照表1。

4．2 過(guò)程邏輯計(jì)算

在不加配重情況下，電動(dòng)車(chē)從起始A出發(fā)到中心平衡點(diǎn)C的過(guò)程中，小車(chē)從A點(diǎn)快速前行至超過(guò)平衡點(diǎn)的下降點(diǎn)處，會(huì)檢測(cè)到傾斜角度電壓值有突然減小趨勢(shì)。此時(shí)，小車(chē)停止使角度傳感器穩(wěn)定，之后小車(chē)根據(jù)傾角傳感器的電壓值倒車(chē)至平衡點(diǎn)附近，然后以小速度不斷調(diào)整尋找實(shí)際平衡點(diǎn)，直至平衡。

實(shí)際執(zhí)行方案：先快速前行，當(dāng)電壓信號(hào)（設(shè)為c）小于等于2．232 V時(shí)，快速倒車(chē)（只執(zhí)行一次，用標(biāo)志位判斷），此后的所有情況為：

當(dāng)c≥2．253 V時(shí)，前進(jìn)；

當(dāng)c《2．232 V時(shí)，后退；

當(dāng)2．232 V《c《2．253 V時(shí)，小車(chē)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡區(qū)域。在動(dòng)態(tài)平衡中蹺蹺板傾角在0°～5°變化（2．244 V≤c≤2．253 V），將此刻的電壓值與前一時(shí)刻的電壓值作比較，若前者大于等于后者，小車(chē)前行，否則小車(chē)停止；當(dāng)蹺蹺板傾角在－5°～O°變化（2．232 V≤c≤2．238 0 V），將此刻的電壓值與前一時(shí)刻的電壓值作比較，若前者大于等于后者，小車(chē)停止，否則小車(chē)后退。當(dāng)2．238 V《c《2．244 0 V即為實(shí)際中的平衡范圍，小車(chē)停止。

5、創(chuàng)新發(fā)揮與結(jié)果分析

5．1 創(chuàng)新發(fā)揮

該電動(dòng)小車(chē)具有語(yǔ)音播報(bào)與語(yǔ)音識(shí)別功能。

（1）口令控制電動(dòng)車(chē)開(kāi)始行進(jìn)，有無(wú)配重的兩種情況，通過(guò)不同的口令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）語(yǔ)音播報(bào)電動(dòng)車(chē)工作狀態(tài)，例如到達(dá)平衡、到達(dá)B點(diǎn)等情況。

（3）語(yǔ)音提示加載第二塊配重和加載完畢。

同時(shí)，該小車(chē)具有同步顯示電動(dòng)車(chē)的里程信息及速度等功能。通過(guò)RG149A光電對(duì)管掃描車(chē)輪上的8個(gè)孔來(lái)計(jì)算電動(dòng)車(chē)行駛的距離。本系統(tǒng)的車(chē)輪周長(zhǎng)為21．336 cm，設(shè)n為掃描的孔數(shù)，則掃描n孔行駛的距離為S＝21．336／8*n（cm），再通過(guò)計(jì)時(shí)器得到電動(dòng)車(chē)行駛時(shí)間，從而算得電動(dòng)車(chē)的速度。將距離、時(shí)間、速度顯示在LCD屏上。

5．2 結(jié)果分析

第一階段時(shí)間測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，平衡點(diǎn)的尋找時(shí)間具有很大的隨機(jī)性，以至于時(shí)間超出了預(yù)計(jì)范圍。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察分析，問(wèn)題出在車(chē)速等級(jí)之間變化過(guò)快上。這里提出兩套解決方案：一是加減速齒輪，但是在原來(lái)完整的車(chē)體上加減速齒輪機(jī)械上做起來(lái)比較困難，這個(gè)方案很快被否決了；第二套方案是不使用凌陽(yáng)單片機(jī)自帶的PWM波，而是通過(guò)軟件自行制作占空比可調(diào)范圍更廣的方波，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)變速。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

由表2可看出，電動(dòng)車(chē)已經(jīng)可以在短時(shí)間內(nèi)找到平衡點(diǎn)，因?yàn)椴捎脽o(wú)級(jí)變速，使得電動(dòng)車(chē)在平衡點(diǎn)附近也能進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)整，而不像之前在平衡區(qū)間只能始終采用一種速度。上板測(cè)試結(jié)果如表4所示。

平衡測(cè)試結(jié)果如表5所示。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本系統(tǒng)的性能接近預(yù)想狀態(tài)。

6、 結(jié) 語(yǔ)

電動(dòng)車(chē)以凌陽(yáng)SPCE061A作為電動(dòng)車(chē)的控制核心，將無(wú)觸點(diǎn)磁敏電位器加重錘改造后自制成角度傳感器檢測(cè)平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)自動(dòng)尋找蹺蹺板和板上平衡點(diǎn)自動(dòng)尋找等功能。從測(cè)試結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果。角度傳感器的自行設(shè)計(jì)是關(guān)鍵點(diǎn)所在，語(yǔ)音播報(bào)與語(yǔ)音識(shí)別功能和同步顯示電動(dòng)車(chē)的里程信息及速度等功能是一大亮點(diǎn)。

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