Vol 20　No 6 2007 12 　　　　　　　 机械研究与应用 MECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION 　　　　　　　　 第 20卷 　第 6期 2007年 12月 3 智能电动车控制系统设计 张维玲 1 ,李冬杨 2 ( 1. 兰州工业高等专科学校 电气工程系 ,甘肃 兰州 　730050; 2. 兰州电源车辆研究所 ,甘肃 兰州 　730050) 摘 　要 :基于 AT89C51研究的跷跷板上行进的智能电动车系统 ,其硬件主要由 AT89C51单片机最小系统板 、小车左右前轮驱动电路、 小车行进轨迹探测电路、角度方向检测电路、显示电路及报警电路等组成。通过软件产生 PWM波控制小车速度 ,利用插补运 算调整小车行进轨迹。经过反复分析、比较和调测 ,证明本系统达到了设计的要求 。 关键词 : AT89C51;智能电动车 ;软件 ; PWM 中图分类号 : TP23　　　　　　文献标识码 : A　　　　　　文章编号 : 1007 - 4414 (2007) 06 - 0096 - 02 D esign of the con trol system of smart electr ic veh icle Zhang W ei - ling1 , L i Dong - yang2 ( 1. E lectronic eng ineering departm ent of L anzhou poly technical college, L anzhou Gansu　730050, Ch ina; 2. L anzhou pow er sta tion vehicle institute, L anzhou Gansu　730050, Ch ina) Abstract: This work is a smart electric vehicle which is based on AT89C51 single chip runs on the seesaw. Its hardware is made up of AT89C51 m inimum system boards, front - wheel driving circuit, car travelling track detection circuit, direction angle detection circuit and alarm circuit components. Yapp lying the software generated wave PWM to control the car speed, u sing interpolation arithmetic to adjust the trolley track. It is p roved that the system has achieved the requirements for the design subject after repeated analysis, comparison and tuning. Key words: AT89C51; smart electric vehicle; software; PWM 　　本系统设计基于 2007年全国大学生电子设计竞赛 [ 1 ] (J ) 题 ———电动车跷跷板 ,主要完成小车行驶速度控制 、轨迹检测 和平衡角度的检测 。其难点在于如何协调好小车行驶速度 、 时间控制 、电机转矩控制及速度与倾角的关系等 ,才能保证小 车在行驶过程中不越界 ,且可以很好地找到平衡点 。本设计 成果可应用于无人驾驶 、工业机器人等领域 ,还可对其进行功 能扩充 (如增加超声波传感器使其具有测距和避障等功能 ) , 使其具有更广泛的用途 。 1　方案设计与论证 系统可划分为信号检测部分和控制部分 。其中信号检测 部分包括 :轨迹检测模块 、平衡检测模块 。控制部分包括 :电 机驱动模块 、控制器模块 。软件方案设计思想主要根据轨迹 检测模块输出信号控制左右电动机沿引导轨迹行驶 ,行驶速 度由软件生成的 PWM 波控制 。系统框图如图 1所示 。为实 现各模块的功能 ,确定了设计方案 ,并进行了可行性论证 。 些单片机资源丰富 ,可实现复杂的逻辑功能 ,功能强大 ,完全 可以实现对小车的控制 。但对于此系统而言 ,其优势得不到 体现 ,成本较高 ,资源得不到充分利用 。然而 ,采用单片机 [ 2 ] AT89C51作为系统控制器 ,其运算能力强 ,软件编程灵活 ,功 耗低 ,技术成熟 ,成本低 。适合本设计选用 。 1. 2　轨迹检测 轨迹检测模块实现小车进入跷跷板时 ,能正确沿引导线 行进而不在跷跷板上跑偏 ,并且能很好地控制小车的启停 。 采用光敏传感器易受光源影响 (特别是白天 ) ,会造成误判或 漏判 ,试验效果不好 。若采用黑白线反射光电传感器 [ 3 ] ,则检 测黑白线效果较好 ,受可见光干扰小 ,输出信号为开关量 ,处 理电路简单 ,使用方便 。 CPU接收到的信号与控制电机的动作如表 1所示 。 表 1　小车动作与接收信号的关系 传感器接收的信号状态 左传感器 右传感器 左车轮 右车轮 1 0 1 0 1 1 0 0 正转 停止 正转 停止 正转 正转 停止 停止 图 1　系统结构框图 1. 1　单片机选择 选用 P IC、AVR 或凌阳 SPCE061A 等作为控制核心 。这 1. 3　平衡检测 针对小车寻找平衡要求 ,采用倾角传感器 [ 3 ] ,它是一种双 轴加速度传感器 。本设计只用 Y轴输出 ,其单轴最大输出范 收稿日期 : 2007 - 10 - 08 作者简介 : 张维玲 (1971 - ) ,女 ,甘肃白银人 ,讲师 ,主要从事自动化测控技术、计算机智能控制技术的教学与应用研究工作。 ·69· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

第 20卷 　第 6期 2007年 12月 　　　　　　　 机械研究与应用 MECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION 　　　　　　　　Vol 20　No 6 12 2007 围约为 ±40度 ,有效输出范围为 ±30 度 ,在采样频率为 8Hz 以下时可获得 0. 002度的高精度输出 ,且工作电压在 5V 左 右 ,很容易实现 。 1. 4　电机驱动方案 采用步进电机改变脉冲频率调速和相序 ,实现正反转 。 此方案可轻松实现前进距离 、转向 、角度控制 、制动 、定位等功 能 。但两个轮子电机参数不易匹配 ,且加大系统复杂程度 。 若改用直流电机 、H型脉冲宽度调制 ( PWM )桥式驱动电路则 方案调速功能较好 ,可灵活实现小车的行进 、倒退以及寻找平 衡等功能 ,且控制比较简单 ,易于实现 。 1. 5　电源选择 若采用双电源 ,将电机驱动电源与控制系统电源分开 ,光 电耦合连接 ,则需增加电源模块 ,加重了小车的负重 ,电路较 复杂 。由于小车自身配带有电池盒 ,因此本系统采用电池供 电 ,可充分利用其现有资源 。这种供电方式电路简单可靠 ,减 轻了小车的负重 。 2　系统的硬件设计与实现 本系统的硬件设计主要有轨迹检测 、平衡检测 、电机驱动 及电源 4个单元模块组成 。 2. 1　轨迹检测电路的设计 小车行进轨迹检测由安装在小车底板前后 4个黑白线反 射式光电传感器组成 。检测到的信号由单片机的 I/O 口读 入 ,前进时 ,左轮状态由 P1口的 P1. 6读入 ,右轮状态由 P1口 的 P1. 7读入 ;后退时 ,左轮状态由 P1口的 P1. 4读入 ,右轮状 态由 P1口的 P1. 5 读入 。单片机通过分析判断引脚 P1. 4、 P1. 5、P1. 6及 P1. 7 的状态来调整小车的行进方向和启停 。 检测电路如图 2所示 。 轮电机的前进和后退 。改变该四路控制信号就可让小车完成 左转 、右转 、前进 、后退 、原地待命等功能 。 3　系统的软件设计 软件设计主要根据轨迹检测模块输出信号来控制左右电 动机沿引导轨迹行驶 。利用插补运算 [ 5 ]调整小车行进轨迹 , 所谓逐点比较法插补 ,就是小车每走一步都要根据检测数值 与给定轨迹上的坐标值进行比较 ,看这点在给定轨迹的上方 或下方 ,或是给定轨迹的里面或外面 ,从而决定下一步的进给 方向 。假设加工的轨迹为第一象限中的一条直线 OA ,如图 5 所示 ,用 F来表示 P点的偏差量 ,则 F = yxe - ye x。 图 2　轨迹检测电路 2. 2　角度检测电路设计 利用 SCT100T倾角传感器进行角度检测 ,可随时检测小 车上坡 、下坡运行状态 ,通过反馈信号及时调整小车运行速 度 。为保证此芯片可靠工作 ,其电源电路需要重新设计 。倾 角传感器外围连接图如图 3所示 。 2. 3　电机驱动模块设计 电机驱动电路由 2个结构相同的 H 桥 [ 4 ]构成 ,图 4为左 轮电机驱动电路 ,其中 , MOTOR1A 和 MOTOR1B 控制 1个 H 桥 ,该 H桥输出端 J3接左轮电机 ,MOTOR1A和 MOTOR1B 分 别控制左轮电机的前进和后退 ,右轮电机驱动电路原理与左 轮相同 ;MOTOR2A和 MOTOR2B控制另外 1个 H 桥 ,该 H 桥 输出端 J5接右轮电机 , MOTOR2A和 MOTOR2B分别控制右 图 5　第一象限直线插补 　　当 F≥0时 ,沿 + x方向走一步到达 ( x + 1, y)点 , 令新的 加工偏差为 F′,由 F定义式可得 : F′= yxe - ye ( x + 1) = yxe - ye x - ye = F - ye 当 F < 0时 ,沿 + y方向走一步 ,到达 ( x, y + 1)点 ,令新的 加工偏差为 F′,同样可得 : F′= ( y + 1) xe - ye x = yxe + xe - ye = F + xe 第一象限逐点比较法直线插补流程图如图 6所示 。 (下转第 101页 ) ·79· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 

第 20卷 　第 6期 2007年 12月 　　　　　　　 机械研究与应用 MECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION 　　　　　　　　Vol 20　No 6 12 2007 臂都可在较宽范围内实现软开关 ,系统工作稳定 ,整机效率 高 。引入峰值电流控制 ,系统的控制性能好 、动态响应更快 。 研究 [ J ]. 电力电子技术 , 2002, 36 (1) : 19 - 22. [ 4 ] 　李远波 ,黄石生 ,李 　阳. 大功率弧焊逆变器峰值电流控制电路 参考文献 : [ 1 ] 　阮新波 ,严仰光. 直流开关电源的软开关技术 [M ]. 北京 :科学出 版社 , 2000. [ 2 ] 　候振义. 直流开关电源技术及应用 [M ]. 北京 :电子工业出版社 , 2006. 设计 [ J ]. 电焊机 , 2003, 33 (9) : 21 - 23. [ 5 ] 　Gwan - Bon Koo, Gun - Woo Moon,Myung - Joong Youn. New ZVS IEEE Tran. - PS - FB converter with low conduction losses [ J ]. IE, 2005 (52) : 228 - 235 [ 6 ] 　Chao Yan, Hongyang W u, J ianhong Zeng, et al. A Precise ZVS In Proc. range calculation method for full bridge converter [ C ]. [ 3 ] 　杜贵平 ,黄石生 ,王振民. 大功率逆变电源峰值电流控制模式的 IEEE PESC, 2003: 1832 - 1836. (上接第 97页 ) 4　总 　结 系统设计以 AT89C51芯片为核心 ,利用黑白线反射式光 电传感器实现小车在跷跷板上行驶轨迹探测 ,通过倾角传感 器实现小车行进中的平衡问题 。经过多次软 、硬件的结合调 试 ,不断地优化设计 ,该系统在硬件 、软件及整体性能上已达 到设计要求 ,可应用于无人驾驶 、工业机器人等领域 。 参考文献 : [ 1 ] 　黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程 [M ]. 北京 :电子工 业出版社 , 2005. [ 2 ] 　胡汉才. 单片机原理及其接口技术 [M ]. 北京 :清华大学出版社 , 2004. [ 3 ] 　刘笃仁 ,韩保君. 传感器原理及应用技术 [M ]. 西安 :西安电子科 技大学出版社 , 2003. [ 4 ] 　常玉保 ,杨春晖. 简易智能电动车 [ J ]. 电子世界 , 2004 ( 9) : 33 - 36. [ 5 ] 　夏建全 ,赵又新. 工业计算机控制技术 ———原理与应用 [M ]. 北 京 :清华大学出版社 ;北京交通大学出版社 , 2006. 图 6　第一象限直线插补流程图 ·信 　息 · 先进制造与数据共享网络建成 “先进制造与数据共享国际研讨会 ”提出 ,我国已初步建成先进制造与自动化科学数据共享网络 。机械科 学研究总院研究员李丽亚介绍说 ,我国 2006年启动国家科技基础条件平台重点项目“先进制造与自动化科学 数据共享网 ”,目前已经整合 18个技术领域近 230万个左右的数据资源 ,面向全社会提供数据服务 ,日访问量 由最初的几百人次发展为 1万人次左右 ,访问总量达到 260万人次 。专家认为 ,应用现代信息技术 ,整合先进 制造与自动化领域多年来积累的科学数据 ,面向社会提供网络化 、智能化的管理与共享服务体系 ,对促进我国 装备制造业发展具有重要意义 。 ·本刊辑 · ·101· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net