本系統(tǒng)以51系列單片機(jī)89S52為控制中心，外加電機(jī)驅(qū)動集成電路L298、七段碼譯碼顯示集成電路74LS247、七段碼數(shù)碼管等外圍元件控制電動車前進(jìn)、后退、停止等運(yùn)行狀態(tài)，并顯示所需時間、發(fā)出聲光報警。本次設(shè)計(jì)前進(jìn)、后退、停止等狀態(tài)運(yùn)行時間通過簡單估算及實(shí)驗(yàn)測試最終確定，并通過單片機(jī)定時完成。單片機(jī)通過接收鍵盤信號確定小車的工作方式，從而啟動具有相應(yīng)定時參數(shù)的運(yùn)行程序；單片機(jī)執(zhí)行程序時根據(jù)定時信息適時發(fā)出控制信號給電機(jī)驅(qū)動集成電路L298；而L298通過輸出高電壓、低電壓、零值電壓來控制電動車的前進(jìn)、后退、剎車、停止等運(yùn)行模式。
一 核心模塊的方案論證和比較：
1 電動車位置測定方案的選擇：
由于題目要求電動車在運(yùn)行到某一特定位置時要改變運(yùn)動狀態(tài)，因此需要實(shí)時測定電動車的位置。可以有以下方案：
方案一：機(jī)械測距。采用行程開關(guān)測定電動車是否到達(dá)某一特定位置，然后將信號傳入單片機(jī)；
方案二：光電測距。采用紅外線二極管對射獲得電動車當(dāng)前位移。
方案三：時間測距。電動車在蹺蹺板水平和傾斜兩種狀態(tài)下前進(jìn)和后退的速度是固定不變的（啟動和制動的過程除外），盡管兩者并不相同。我們可以通過理論估算和實(shí)驗(yàn)修正最終確定電動車在以上兩種狀態(tài)下的速度。因此，時間就代表了電動車在蹺蹺板中的位置。通過定時可以很好地把握電動車改變運(yùn)動狀態(tài)的時機(jī)。而定時又可采用兩種子方案。1.外部硬件電路定時。如利用555振蕩器產(chǎn)生秒信號，然后利用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160計(jì)數(shù)定時，并利用相應(yīng)譯碼顯示集成電路74LS247、七段碼數(shù)碼管顯示時間。這里，單片機(jī)的作用僅僅是向計(jì)數(shù)器/計(jì)時器電路發(fā)出開始、結(jié)束等控制信號。該方案優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省了單片機(jī)I/O端口，節(jié)省了程序長度，縮短了執(zhí)行時間，保證了控制的實(shí)時性。缺點(diǎn)在于增加了硬件定時電路的成本，增加了電路的復(fù)雜性，定時的準(zhǔn)確度往往不能得到保證。2．軟件定時。單片機(jī)通過軟件進(jìn)行定時，采用時鐘信號作為時間基準(zhǔn)，啟用程序計(jì)數(shù)功能。該方案定時準(zhǔn)確，不增加硬件投資。盡管增加了程序的長度，但對于單片機(jī)存儲容量的要求微乎其微，盡管稍稍延長了程序執(zhí)行時間，但對控制的時效性的影響幾乎可以忽略不計(jì)。
綜上所述，軟件定時測電動車的位置方案節(jié)省硬件投資，簡化電路，簡單易行，并且還可以方便地實(shí)時顯示時間，因此我們選用方案三中的軟件定時。
2 電機(jī)的選擇：
方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)就是具有快速啟動和停止能力。如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就可以使電機(jī)快速啟動、停止和反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。但步進(jìn)電機(jī)價格相對較高。
方案二：采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，調(diào)速平滑方便，調(diào)速范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。
由于比賽前購買的電動車安裝的是普通的直流電機(jī)，因此采用直流電機(jī)相對節(jié)省了購買步進(jìn)電機(jī)的大量開支；而且直流電機(jī)驅(qū)動電路相對簡單，因此選用直流電機(jī)降低了電路的復(fù)雜度，同時也減小了硬件部分的故障概率。我們選用方案二。
3直流電機(jī)制動性能的改進(jìn)：
方案一：采用能耗制動的方法：即需要停車時，切斷電源，使電動車在摩擦力作用下停止。
方案二：采用短時反接制動的方法：需要停車時，通過單片機(jī)控制驅(qū)動芯片L298向電動車提供負(fù)向電源，促使其快速停車。
方案一受慣性影響，停車較慢，方案二在不增加硬件、軟件成本的前提下縮短了制動時間，提高了控制的時效性。我們選用方案二。
4 蹺蹺板平衡狀態(tài)的檢測與實(shí)現(xiàn)：
方案一：采用角度傳感器來實(shí)現(xiàn)。利用角度傳感器實(shí)時測試蹺蹺板當(dāng)前狀態(tài)與水平位置的夾角，將其輸出的八位格雷碼輸入單片機(jī)的I/O口，經(jīng)過程序采集、分析及處理，向電動車驅(qū)動電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號。當(dāng)角度傳感器檢測到當(dāng)前處于平衡位置時，發(fā)出停車信號。
方案二：利用估算及反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定合適位移，從而達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)配重物體重量、位置均固定不變時，小車只要運(yùn)動到一個特定位置蹺蹺板即可到達(dá)平衡位置。只要利用物理上的杠桿原理對小車的這個特定位移進(jìn)行估算，并通過多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理即可得到。
我們選用方案二。
二 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)利用51系列單片機(jī)89S52作為電動車運(yùn)動控制中心，外接角度傳感器用來檢測蹺蹺板的平衡狀態(tài)，利用鍵盤及撥碼開關(guān)設(shè)定蹺蹺板的初始位置及配重物體的位置信息，利用兩位數(shù)碼管顯示時間，利用蜂鳴器及發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報警。軟件部分主要包括根據(jù)設(shè)定信息及角度傳感器輸入的信息進(jìn)行定時、電機(jī)驅(qū)動信號的產(chǎn)生、聲光報警信號的產(chǎn)生等。
以下分硬件和軟件兩個部分進(jìn)行分析討論：
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：
原理框圖如下:
鍵盤輸入部分：由于設(shè)計(jì)題目要求電動車分別在水平固定木板、傾斜木板、配重物體位置固定及在一定區(qū)域內(nèi)移動等四種工作方式下運(yùn)行，所以設(shè)置了A、B兩個鍵設(shè)定不同的工作模式。A、B兩鍵分別連接P2.7、P2.6口，高電平有效。此外，在工作方式4中，A、B兩個鍵還用來輸入配重物體所在的位置信息。電機(jī)驅(qū)動電路： 采用L298驅(qū)動，可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車、停止。其外型及功能如下：  [/url] 顯示電路： 采用兩位七段碼數(shù)碼管用來顯示小車運(yùn)動所需要的時間。由2片74LS247將P0口輸出的8位8421BCD碼轉(zhuǎn)換為2個七段碼，分別供兩位數(shù)碼管顯示。 聲光報警： 由單片機(jī)P3.0口輸出報警信號，通過蜂鳴器發(fā)出聲音報警，通過發(fā)光二極管進(jìn)行光線報警。 2 軟件部分設(shè)計(jì)：  程序編寫流程圖如下：
本電動車分為四種工作方式：方式1：電動車在固定水平板上往返運(yùn)動。設(shè)正程需要時間t11，返程需要時間。 方式2：在蹺蹺板配重傾斜狀態(tài)下，電動車往返運(yùn)動。設(shè)正程需要時間t21，返程需要時間t22。 方式3：配重物體置于某特定位置，小車運(yùn)動至蹺蹺板平衡位置并停止5秒以上。設(shè)小車運(yùn)動t3時間蹺蹺板平衡。 方式4：配重物體置于可移動區(qū)域的任意位置，小車運(yùn)動至蹺蹺板平衡位置并停止5秒以上。小車運(yùn)動時間t4直接決定于配重物體的位置，只要鍵入該信息，即可得到運(yùn)動時間t4。 以上時間t11、t12、t21、、t22、t3、、t4均可由電機(jī)轉(zhuǎn)速、路程估算，并通過多次實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行修正，并將其寫入程序。 三 測量儀器、測量方法與數(shù)據(jù) 1 測量儀器： 秒表 米尺 2 測量數(shù)據(jù)： （1）基本要求：
* 蹺蹺板水平狀態(tài)下小車的行駛時間（單位：秒）
* 蹺蹺板傾斜狀態(tài)下小車的行駛時間（單位：秒）
（2）發(fā)揮部分：
將配重物體放置在可移動范圍內(nèi)的某位置，檢測小車運(yùn)動至蹺蹺板平衡狀態(tài)所需時間及聲光報警情況如下：
四 結(jié)束語 本次設(shè)計(jì)在51系列單片機(jī)AMTEI89S52的控制及電機(jī)驅(qū)動L298、譯碼顯示電路、聲光報警電路、角度傳感器的配合下，不僅成功地完成了蹺蹺板水平固定狀態(tài)下、傾斜狀態(tài)下小車往返、停止的操作、計(jì)時顯示的功能，而且完成了配重物體隨意放置下平衡狀態(tài)下的報警、時間顯示以及靜止等功能。
附：控制部分電路圖
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