基于Sunplus SPCE061A控制核心的電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

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

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、語音模塊等模塊構(gòu)成；信號(hào)檢測部分由平衡檢測模塊、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)來判斷電動(dòng)車當(dāng)前的狀態(tài)，做出相應(yīng)的反應(yīng)(前進(jìn)(Forward)、后退、停車、平衡指示等)。采用單控制器使小車能夠更加靈活的行駛，避免了長信號(hào)線或者無線通信帶來的信號(hào)采集不準(zhǔn)確問題。經(jīng)過多次試驗(yàn)，證明車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的動(dòng)態(tài)平衡，即平衡時(shí)，小車在板上平衡點(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 車體設(shè)計(jì)及電機(jī)控制模塊
      該設(shè)計(jì)采用的車體由鋁合金車架及兩個(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)過調(diào)試車速可以分級控制。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(Tempo)可以滿足電機(jī)控制對實(shí)時(shí)性的要求；SPCE061A還可以通過在線調(diào)試器：Probe和EZ Probe實(shí)現(xiàn)在線程序下載和調(diào)試，極大地(Terra)提高開發(fā)效率；另外SPCE061A尤其適用于語音處理和識(shí)別等領(lǐng)域，可方便地用來實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放，只要調(diào)用庫函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)音頻編程，可以實(shí)現(xiàn)語音播放功能，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7805的電壓變換后為單片機(jī)供電。經(jīng)過實(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有黑線，用尋跡的方式引導(dǎo)電動(dòng)車。尋跡采用RG149A光電對管。RG149A通過檢測反射信號(hào)的不同來區(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得。其硬件電路圖見圖5。

2．5 語音模塊
      在語音模塊設(shè)計(jì)中直接使用凌陽61A板自帶語音模塊。正如前文介紹，61板具有強(qiáng)大的語音處理功能，擁有語音的MIC輸入端，自帶自動(dòng)增益(AGC)控制，具有語音輸出接口，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，通過重錘的擺動(dòng)角度帶來電位器角度的變化，以實(shí)現(xiàn)對角度的測量。該角度傳感器安裝在電動(dòng)車上，當(dāng)蹺蹺板處在非平衡狀態(tài)時(shí)，車體的傾斜角度反映在重錘的轉(zhuǎn)角上，再通過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)過多次試驗(yàn)論證，小車能夠快速準(zhǔn)確地尋找到平衡點(diǎn)。原理圖及實(shí)物圖見圖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)變化及趨勢來控制電機(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 過程邏輯計(jì)算
      在不加配重情況下，電動(dòng)車從起始A出發(fā)到中心平衡點(diǎn)C的過程中，小車從A點(diǎn)快速前行至超過平衡點(diǎn)的下降點(diǎn)處，會(huì)檢測到傾斜角度電壓值有突然減小趨勢。此時(shí)，小車停止使角度傳感器穩(wěn)定，之后小車根據(jù)傾角傳感器的電壓值倒車至平衡點(diǎn)附近，然后以小速度(Tempo)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(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)(Forward)；
      當(dāng)c<2．232 V時(shí)，后退；
      當(dāng)2．232 V

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)小車具有語音播報(bào)與語音識(shí)別功能。
      (1)口令控制電動(dòng)車開始行進(jìn)(Proceed)，有無配重的兩種情況，通過不同的口令來實(shí)現(xiàn)。
      (2)語音播報(bào)電動(dòng)車工作狀態(tài)，例如到達(dá)平衡、到達(dá)B點(diǎn)等情況。
      (3)語音提示加載第二塊配重和加載完畢。
      同時(shí)，該小車具有同步顯示電動(dòng)車的里程信息及速度(Tempo)等功能。通過RG149A光電對管掃描車輪上的8個(gè)孔來計(jì)算電動(dòng)車行駛的距離。本系統(tǒng)的車輪周長為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)，再通過計(jì)時(shí)器得到電動(dòng)車行駛時(shí)間，從而算得電動(dòng)車的速度(Tempo)。將距離、時(shí)間、速度(Tempo)顯示在LCD屏上。
5．2 結(jié)果分析
      第一階段時(shí)間測試結(jié)果如表2所示。

      從測試結(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)過仔細(xì)觀察分析，問題出在車速等級之間變化過快上。這里提出兩套解決方案：一是加減速齒輪，但是在原來完整的車體上加減速齒輪機(jī)械上做起來比較困難，這個(gè)方案很快被否決了；第二套方案是不使用凌陽單片機(jī)自帶的PWM波，而是通過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)的無級變速。經(jīng)過試驗(yàn)，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

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

      平衡測試結(jié)果如表5所示。

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

      6 結(jié) 語
      電動(dòng)車以凌陽SPCE061A作為電動(dòng)車的控制核心，將無觸點(diǎn)磁敏電位器加重錘改造后自制成角度傳感器檢測平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車自動(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，語音播報(bào)與語音識(shí)別功能和同步顯示電動(dòng)車的里程信息及速度(Tempo)等功能是一大亮點(diǎn)。