MCS-51单片机原理及接口技术(第2版)汪德彪电子教案第9章

第9章单片机应用系统设计与开发9.1单片机应用系统设计的一般步骤和方法9.2单片机应用系统的抗干扰技术9.3简易电脑时钟设计9.4数字电压表设计9.5电动小车动态平衡系统9.1单片机应用系统设计的一般步骤和方法9.1.1对单片机应用系统的性能要求单片机应用系统大多数用于工业环境、嵌入到其他设备或作为部件组装到某种产品中，其基本要求如下：（1）高可靠性。（2）较强的环境适应能力。（3）较好的实时性。（4）易于操作和维护。（5）具有一定的可扩充性。（6）具有通信功能。9.1.2设计步骤不同的单片机应用系统，其性能指标、要求、应用场所、难易程度各不相同，因此在整个设计开发过程中，有着不同的步骤和方法，但也存在一些共性。一般来讲可以分为需求分析，总体方案设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、系统功能调试与性能测试、产品验收和维护、文件编制和技术归档等。单片机应用系统的开发步骤如图9.1所示。9.1.2设计步骤图9.1单片机应用系统开发步骤9.1.2设计步骤1．需求分析需求分析就是明确所设计的单片机应用系统要“做什么”和“做的结果怎样”。需求分析阶段的结果是形成可操作的设计需求任务书。主要内容如下：（1）输入信号：系统所要检测的信号类型、精度要求、信号的变换速率以及信号的量程大小等，以便在方案设计中确定检测元件、检测方法、输入通道的结构和技术等。（2）输出信号：系统所要输出的信号类型、精度要求、信号制式、功率大小等，以便在方案设计中确定模拟量、开关量输出通道的结构和输出方式。（3）系统结构：确定是设计的标准产品还是非标产品，是单CPU结构还是多CPU结构，是否可以构成通信网络，是否挂靠某种网络标准或现场总线标准等。9.1.2设计步骤（4）实时控制及其精度要求：在工业控制领域应用的单片机系统可以称为单片机控制系统，这类控制系统的设计必须考虑实时性需求、生产设备、生产工艺过程和配套电气设备等因素。如果系统具有回路控制功能，应明确系统的控制精度，以便于在方案设计确定所要采用的数字滤波算法、控制算法和各类校正算法等。（5）系统接口：选择菜单接口还是图形接口，按键输入还是触摸屏输入，以便在方案设计中确定操作方式、参数设置和存储方式、手/自动方式及其切换等。（6）扩充设计：确定系统是否需要扩充，扩充的形式等。9.1.2设计步骤（7）可靠性设计：确定系统达到何种可靠性指标，以便在方案设计时确定采取何种可靠性设计手段、抗干扰设计技术等。（8）成本预算：确定完成系统开发所需要的费用，包括硬件费用、软件费用、劳务费、辅料费、税收及其他费用等。（9）完成期限：如果是用户委托开发或部委科研项目，应确定整个系统的完成期限以及各阶段任务的完成期限，应有具体的时间进度安排。（10）测试条件和验收标准：应明确系统功能和指标所基于的测试条件，验收系统的具体标准和验收形式。9.1.2设计步骤2．总体设计系统总体设计解决的是系统采用何种方法，系统结构组成，功能模块具体划分以及模块之间的关系，指标分解等问题。总体设计就是要从宏观上解决“怎么做”。主要内容如下：（1）确定技术途径：单片机应用系统也有大小之分，不同层次的应用系统可以采用委托设计、自行设计或二者结合等设计途径。尤其是面向行业领域的单片机应用系统，有必要采取合作开发或有偿使用第三方现有技术的开发形式。（2）确定技术方法：技术方法是指为实现单片机系统功能目标而准备采用的可行的技术手段，包括高性能器件、合适的开发平台、开发语言、软件算法等。9.1.2设计步骤（3）划分子系统和主要功能块：确定了系统的技术途径和主要技术方法后，就可针对系统的需求，逐步确立系统的体系结构，进行主要功能的划分，确定完成各主要功能的系统，确定各系统的相应功能技术指标和各子系统之间的接口关系。对于每个子系统，又可以进一步划分其硬件功能和软件功能。（4）确定系统组成框图：用结构框图表示系统（硬件、软件）的体系结构，图中要标明系统各部分的组成结构、各部分之间的接口方式、系统与外界的接口等。（5）系统的综合与检查：当系统的指标逐项得到分解、各子系统的功能指标均已落实、系统体系已经建立之后，设计者有必要从系统总体角度出发，对各子系统进行综合性分析，检查各模块的功能合成后能否达到系统的功能需求。9.1.2设计步骤3．硬件设计硬件设计的主要内容是基于总体方案选择和采购系统所需的各类元器件，设计系统的电子线路图，选择合适的外观结构，设计和外协加工印制电路板，安装元器件，调试硬件线路等。硬件设计应确保功能设计和接口设计满足系统的需求，并且充分考虑和软件的协调工作关系，注重选用高集成度的器件，充分考虑硬件软化、软件硬化等设计技术。9.1.2设计步骤4．软件设计软件设计的主要任务是拟定软件设计方案，确立数学模型或算法，划分出主要的软件模块，根据需要绘制部分软件模块的流程图，编制源程序，调试和测试目标软件的基本功能。9.1.2设计步骤5．单片机应用系统的调试调试是基于系统的设计需求，进行系统功能调试和性能指标的测试，形成测试报告，核对用户需求或设计需求和系统现有功能、指标的一致性程度。如果系统存在局部错误或不能满足某些设计需求，则应提出局部修改意见，并对硬件和软件进行修改，直至满足设计需求。若是方案性的错误或按既定的方案无法满足设计需求，则应考虑修改设计方案。9.1.2设计步骤6．产品验收与维护单片机应用系统设计或产品开发结束后，必须经过现场投运、试用和用户的验收。属于国家或部委的科研项目，还应通过有关部门的鉴定。产品验收或鉴定结束后，可以实施产品定型，形成生产工艺，进而形成规模化生产。产品正是投放市场后，维护工作就开始了，这步工作一直要持续到该产品退出市场。9.1.2设计步骤7．文件编制与技术归档为了维护单片机系统，或将目前的设计成果作为资源用于后续设计，编制相应的技术文档是非常必要的。提供给用户的安装手册、操作手册和维护手册等是技术文档的重要组成部分之一。技术文档必须按国家标准进行编制，经相关人员审核后存入技术档案室进行统一管理。9.2单片机应用系统的抗干扰技术单片机系统都工作于一定的环境中，有时经过千辛万苦开发的单片机应用系统却不能在工业环境中正常工作，其根本原因在于它的工作环境存在干扰。干扰产生于干扰源。干扰可能来至系统内部，也可能来至系统外部。干扰源要形成干扰，还必须有形成干扰的路径或易受干扰的对象，这就是所谓干扰的三要素，即干扰源、干扰路径和易受干扰的系统。单片机应用系统的抗干扰措施也是针对这三要素进行的，消除干扰源也是最根本的，在这个前提下，下面从硬件和软件两个方面讨论抗干扰问题。9.2.1硬件抗干扰技术1．抑制干扰源常用措施抑制干扰源首先就是尽量使单片机应用系统远离干扰源，其次是尽可能地减小干扰源的电压变化率和电流变化率，这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则。减小干扰源的电压变化率主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的电流变化率则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。9.2.1硬件抗干扰技术（1）给继电器线圈增加续流二极管，消除断电时产生的反电动势。（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般为RC串联电路，电阻一般为几～几十k，电容为0.01F）以减小电火花影响。（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感连线要尽量靠近电机。（4）电路板上每个IC要并接一个0.01～0.1F高频电容，减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线应靠近电源端，并尽量短，否则等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。（5）避免90°折线，减小高频噪声发射。（6）在可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。9.2.1硬件抗干扰技术2．切断干扰传播途径措施（1）充分考虑电源对单片机的影响。许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离，通常采用光电隔离技术。（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号应分开，尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。9.2.1硬件抗干扰技术（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰，大功率器件尽可能放在电路板边缘。（7）在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。9.2.1硬件抗干扰技术3．提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件考虑尽量减小对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。常用措施有：（1）选择抗干扰性能强的电子元件，对元件进行筛选和老化。（2）布线时尽量减小回路环的面积，以降低感应噪声。（3）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。（4）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。9.2.1硬件抗干扰技术（5）对单片机使用电源监控及看门狗电路等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。（6）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。（7）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。（8）有条件采用四层以上印制板，中间两层为电源和地。9.2.2软件抗干扰技术软件抗干扰技术是当系统受干扰后，使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。此技术属于一种被动抗干扰措施，但是由于软件抗干扰设计灵活，节省硬件资源，操作起来方便易行，所以软件抗干扰技术越来越受到人们的重视。9.2.2软件抗干扰技术1．数字滤波技术一般在模拟量输入信号中，均含有噪声和干扰。为了进行准确的测量和控制，必须消除或最大程度地降低噪声和干扰的影响。常用的办法有硬件滤波电路和软件滤波程序。（1）数字滤波的优点。数字滤波器实际上是一段程序，它的主要优点在于：①数字滤波器是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。②数字滤波器可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。③数字滤波器可以根据信号不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。9.2.2软件抗干扰技术（2）常用的数字滤波方法。①算术平均值法。算术平均值法是求N个采样数据的算术平均值，这样得到的结果与采样值的偏差的平方和最小。这种方法适合于一般的随机干扰信号的滤波。N值的选择应根据具体的滤波对象而定，N值大，则平滑度高，但灵敏度低；N值小，则平滑度低，但灵敏度高。②中位值滤波法。中位值滤波法的原理是对被测信号连续采样M次（M≥3）且是奇数，并按大小顺序排序，取其中间值作为本次的有效值。9.2.2软件抗干扰技术③限幅滤波法。由于大的随机干扰或采样器不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，在这种情况下，当信号大于某设定值时，就取设定值为采样值；当信号小于某设定值时，就取设定值为采样值。有时根据信号变化率来决定是否采取限幅滤波。④惯性滤波法。惯性滤波法实际上与硬件的一阶惯性滤波器（RC低通滤波器）的功能一样，只是滤波系数可以随意调整，使用灵活。9.2.2软件抗干扰技术2．指令冗余技术当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作操作码来执行，引起程序混乱。这时，我们首先要尽快将程序纳入正轨。MCS-51单片机指令系统中所有的指令都不超过3字节，而且有很多单字节指令。当程序弹飞到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节或三字节指令上时，有可能落在其操作数上，从而继续出错。因此，在程序当中应多用单字节指令，并在关键地方有意识地安排一些NOP指令，或将有效单字节指令重复书写，这就是指令冗余。指令冗余会降低系统的效率，但一般情况下CPU有足够的时间来执行这些冗余的指令。9.2.2软件抗干扰技术3．软件陷阱技术指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的，首先弹飞的程序必须落在程序区，其次必须执行到冗余指令。当弹飞的程序落到非程序区（如ROM空间未使用部分，数据表格区）时，则第一个条件不满足。当弹飞的程序在没有碰到冗余指令之前，已经自动形成一个死循环，这时第二个条件也不满足。对于不满足第一个条件可以采取软件陷阱措施来解决，对于不满足第二条件可以采取“看门狗”电路来解决。9.2.2软件抗干扰技术4．输入口信号重复检测对于重要开关量输入信号的检测，实际应用中一般采用3次或5次重复检测的方法，即对接口中的输人数据信息进行重复进行3次或5次检测，若结果完全一致则认为是“真”的输入信号，若多次测试结果不一致，既可以停止检测显示故障信息，又可以重复进行再检测。对于软件测量而言，输入量干扰大多数是叠加到有效信号上的一系列作用时间短的尖脉冲，但是频率不一致，因此应在相邻的检测之间应有一定的时间间隔。理论上可以是等时间段的，而在实际使用过程中，由于外部环境比较复杂，等时间段只能滤除某个频段的干扰，为了滤除尽可能多的干扰，间隔时间应为不等的时间段，但是对数据影响较大的尖峰，其作用的时间宽度在几十到几百s之间，所以把滤波时间限定在ms级上。需要注意的是，对于软件时序要求比较严格场合，延时查询时间不宜过长，查询次数一般以3次为宜。9.2.2软件抗干扰技术5．输出端口数据刷新开关量输出抗干扰技术主要采用的方法是重复输出，即同一指令连续执行多次，这是提高输出信号稳定性的有效措施之一。9.2.2软件抗干扰技术6．程序自检程序自检是提高测控软件可靠性的有效方法之一。自检程序主要是对单片机系统的主要器件如单片机的I/O口、外部扩展的可编程I/O接口芯片、A/D器件、ROM器件等进行检测，如出现故障能够给出故障提示。因此自检程序不但可以了解与测试相关外设的工作情况，而且可避免因外设原因而使测控系统不能正常工作的干扰。9.3简易电脑时钟设计9.3.1功能要求设计并实现简易电脑时钟系统，要求用尽可能少的常用电子器件实现以下功能：（1）实时显示当前时间即北京时间（时、分）。（2）可修改北京时间（时、分）。（3）具有闹钟功能，闹钟时的音乐为“两只老虎”。（4）可设定闹铃时间（时、分）。（5）具有闹钟贪睡功能。9.3.2总体设计9.3.2总体设计根据系统功能要求，可将系统组成结构分成四大部分：单片机控制中心、键盘接口、时钟显示和声音报时，系统的组成结构如图9.2所示。其中，单片机控制中心是核心。MCU根据按键输入，可切换不同的显示模式或设置不同的参数。时钟显示完成北京时间或秒表时钟的信息。声音报时可完成闹铃的提示。（1）时钟显示。选取4位LED数码管，用于显示小时和分钟。（2）声音报时。选用最常见的也是最简单的声音提示方式——蜂鸣器。（3）键盘接口。设置三个按键，即模式（MODE）键、UP键和DOWN键。按键用来设置北京时间、闹钟时间和启动秒表等功能。9.3.2总体设计图9.2电脑时钟组成结构图9.3.3硬件设计1．微处理器选择遵循成本低、性能高、满足功能要求等原则选择微处理器。在本系统中，采用4位LED显示，动态扫描4位LED数码管进行数字显示，需要12位I/O线，声音提示需要1位I/O线，按键需3位I/O线，因此，系统接口需要至少16位单片机I/O线。而普通MCS-51单片机一般有32位I/O线，选用普通单片机即可满足要求。考虑到STC89C51微控制器具有价格非常低廉、程序空间大、资源较丰富、在线下载非常方便等特点，并且该芯片功能与普通51芯片相同，编程方面亦可采用所熟悉的Keil软件，因此选择STC89C51微控制器。9.3.3硬件设计2．电路设计电路设计包括电路原理图设计和印制电路图设计，电路原理图如图9.3所示。由于系统的工作电源为5V，为了使用方便，用USB接口供电，即系统直接从USB接口获取5V电源。系统电路图如图9.3所示。图9.3系统电路原理图9.3.4软件设计1．操作功能设计系统设有四位数码管，三个按键。采用菜单式人机对话，便于操作。系统分成多种菜单，MODE键切换菜单，UP或DOWN键设置相关参数。菜单设计及操作如下：（1）北京时间显示菜单：数码管前两位显示小时，后两位显示分钟，中间小数点0.5s亮，0.5s灭。（2）按MODE键一次，进入修改小时模式，第一个指示灯D1亮，按UP或DOWN键可对小时进行修改（加或减）。（3）按MODE键二次，进入修改分钟模式，第二个指示灯D2亮，按UP或DOWN键可对分钟进行修改（加或减）。（4）按MODE键三次，进入修改闹钟小时模式，第三个指示灯D3亮，按UP或DOWN键可对闹钟小时值进行修改（加或减）。9.3.4软件设计（5）按MODE键四次，进入修改闹钟分钟模式，第四个指示灯D4亮，按UP或DOWN键可对闹钟分钟值进行修改（加或减）。（6）按MODE键五次，数码管上显示“LL.00”或“LL.01”，“LL.00”表示贪睡闹铃功能关闭，01表示贪睡闹铃功能开启，按UP或DOWN键可在00或01间循环选择。在贪睡闹铃功能关闭时，可按任意键停止当前闹钟，或在无按键情况下会闹钟1分钟，以后不再响。在贪睡闹铃功能开启时，按下除UP键以外的任意键，则停止当前闹钟；或在无按键情况下会闹钟1分钟。每5分钟，闹钟会重新响起，如此循环。只有按下UP键时，才能停止闹钟以后再不响。（7）按MODE键六次，返回到北京时间显示模式。9.3.4软件设计2．编程思路使用定时器0完成数码管扫描、按键扫描、时钟的计时功能。定时器0设为16位计时模式，定时5ms，即每5ms扫描一位数码管，20ms循环一次。按键扫描过程中，需进行去抖动处理。扫描到相应的按键时，执行相应的操作，如扫描到MODE键时，进行菜单切换操作。切换菜单的方法是通过程序定义一个变量，根据变量不同的取值来表示不同的菜单。在按键处理后，及时更新数码管显示的内容。使用定时器1完成音乐播放功能。“两只老虎”歌谱如下：9.3.4软件设计9.4数字电压表设计9.4.1功能要求数字电压表（DigitalVoltmeter，DVM）是采用数字化测量技术，把连续的模拟电压量转换成离散的数字化形式并加以显示的仪表。设计一数字电压表，要求用专用A/D转换器来实现8路电压采集，具体参数要求如下：（1）输入8路直流电压值，输入范围为0～5V。（2）测量精度能够达到0.02V。（3）4位LED数码管轮流显示8路测量结果。9.4.2总体设计根据系统要求，单片机主要完成通道的选择、电压值的采集、以及数字显示等功能。系统由主控电路、显示电路、A/D转换电路、电源电路及复位电路等部分组成，系统组成框图如图9.4所示。图9.4数字电压表系统组成框图9.4.3硬件设计1．器件选择A/D转换器选择：由于输入的直流电压信号有8路，且测量精度为0.02V，所以选择ADC0809作为A/D转换器完全满足要求。另外，要求输入8路电压信号，选用ADC0809芯片可以完成A/D转换要求。单片机选择：ADC0809与单片机之间连接时，需要单片机15根I/O线。4位LED显示和LED的位选一共需要12根I/O线。普通51系列单片机均可满足要求。在此选择AT89C52微控制器。9.4.3硬件设计2．原理图设计数字电压表原理图如图9.5所示。引脚安排如下：P0、P2.0～P2.3口作为数码管显示控制，P1口作A/D转换数据输入，P3.0～P3.6口用作ADC0809的控制。其中，ADC0809的CLK可以通过单片机ALE脚的六分频再通过74LS74构成的四分频得到500kHz时钟信号得到。图9.5数字电压表原理图9.4.3硬件设计3．Proteus与Keil仿真平台建立作为功能强大的EDA工具软件，Proteus是模拟单片机及其外围器件的很好工具，而Kei1软件是目前广为应用的51系列单片机软件开发工具之一。将它们完美结合，可为单片机系统资源、软件技术、硬件接口电路、软件和硬件相结合的应用系统提供一个很好的理论和实践相结合的实验仿真平台。Proteus与Keil的整合过程如下：（1）安装Proteus6.7SP3和KeiluVision3软件。（2）把Proteus安装目录下VDM51.dll(C:\ProgramFiles\LabcenterElectronics\Proteus6Professional\MODELS\)文件复制到Keil安装目录下的\C51\BIN目录中。（3）编辑Keil目录下tools.ini文件，在[C51]项下，加入：TDRV5=BIN\VDM51.DLL("PROTEUSMONITOR-51DRIVER")（注意，TDRVX为单片机软件仿真的硬件配置设置）。9.4.3硬件设计（4）打开ProteusISIS软件。设计单片机实验硬件组成框图，建立硬件连接原理图，如图9.5所示。（5）打开KeiluVison3软件。建立单片机系统软件工程，针对实验要求，编制程序。（6）在KeiluVison3软件中，选择菜单“Project”->“OptionsforTarget‘Target1’”，在出现的对话框中，选择“Output”页面，选中“CreatHexFile”选项；选择“Debug”页面，选中“Use”-PROTEUSVSMMONITOR-51DRIVER，进入“Settings”，Host设为127.0.0.1，Port设为8000。9.4.3硬件设计（7）在ProteusISIS软件中，选择菜单“Source”->“Add/RemoveSourceCodeFiles”，在出现的对话框中点击“Chang”按钮，选择从KeiluVison3软件工程中所生成的HEX文件，点击“OK”。在Debug菜单下选中“UseRemoteDebugMonitor”。（8）在KeiluVison3软件中，直接进行仿真，连续运行或单步运行，即可在ProteusISIS软件中看到单片机硬件仿真运行结果。在整合过程中，单片机仿真平台建立过程为（1）～（3）项，实验过程为（4）～（8）项。9.4.4软件设计系统设有四个数码管，要求能够轮流显示8路电压输入值。电压精度要达到0.02V，因此，电压显示范围应为0.00V～5.00V，用后三位数码管可完成电压显示，第一位数码管可显示对应的通道。程序编写的思路为：使用定时器0完成数码管扫描功能。主程序每1s切换一次通道并进行电压数据采集和更新显示。9.5电动小车动态平衡系统9.5.1功能要求设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图9.6和图9.7所示。9.5.1功能要求图9.6起始状态示意图图9.7平衡状态示意图9.5.1功能要求在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近。（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示。（3）电动车从平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）。（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程。（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。9.5.1功能要求将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点300mm以外、90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图9.8所示。（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上。（3）将另一块质量为电动车质量10%～20%的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上。（4）电动车在3分钟之内完成全过程。说明：平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=|dAdB|不大于40mm。9.5.1功能要求图9.8自动驶上跷跷板示意图9.5.2总体设计1．车型选择电动车的车体可选用市场常见的物美价廉的玩具车。但在跷跷板上行驶存在上坡和下坡的难度，即上坡需要一定的马力和起始速度，下坡需考虑自身惯性导致速度难以控制而驶出跷跷板B端外的情况，而这些起始驱动力及惯性因素为不定因素，从而导致速度控制的难度也是不可预知的。因此，选用坦克型车体。存在两种理由：一方面，由于坦克型车体本身的特点，电机驱动方式不同一般车型，它行驶速度均匀，即使在坡度45°角的上坡也能均速行驶；另一方面，坦克的马力强大，即使有再多的故障，它也能直接压过，爬坡对于坦克车体来说是一件非常容易的事情。这样大大降低了电动车的控制难度。9.5.2总体设计2．车体行驶设计电动车只能在跷跷板上行驶，为避免驶出跷跷板外，需进行轨迹设计，即为电动车指引行驶的线路。检轨迹线的传感器可选用一对反射式红外传感器，正确定位传感器是寻迹的关键。为了使电动车能沿跷跷板前进和后退，为使电动车准确地行驶到B端和准确地退回到A端，在电动车的前后各安装3对红外对管（如图9.9），且跷跷板上绘制轨迹图（如图9.10）。当驶到B端时，只有前面的3对红外管可同时检测到轨迹，当驶回A端时，只有后面的3对红外管均可同时检测到轨迹，当在A到B的中间行驶时，可根据前端中的红外管进行行驶方向判断，在B到A的中间行驶时（即倒行时），可根据后面中的红外管进行行驶方向判断。9.5.2总体设计图9.10板上行驶轨迹示意图图9.9传感器安装示意图9.5.2总体设计3．系统平衡设计小车从开始上坡到达到B点，跷跷板的水平角度从arcsin（140/1600）变为arcsin（140/1600），绝对平衡时的水平角度为0°，即处于图9.7所示状态。但要使车体保持在绝对平衡的状态是非常困难的。系统要求的平衡状态是在一定范围内，即|dAdB|<=40mm。所以，平衡控制的角度范围为：arcsin（40/1600）至arcsin（40/1600）。为检测该水平角度，需选用单轴倾角传感器，且该传感器安装在车体上最为方便（如图9.9）。9.5.2总体设计4．其他功能设计系统需要显示各阶段的时间，在平衡时作出平衡指示，因此控制系统要有显示、声光报警电路。电动车在行驶过程中，要按方向来行驶，因此存在电机驱动电路。电动车行驶及控制系统均需要不同的电源，在锂电池供电的情况下，需要设计独立供电电路等等。总上分析，电动车跷跷板控制系统主要有电源供应模块，轨迹探测模块、倾角检测模块、显示模块、电机驱动模块、声光提示模块等组成，如图9.11所示。9.5.3硬件设计1．独立供电模块小车由7.4伏的锂电池供电。锂电池在刚充满电时，电压高达8.4V，随着小车的工作时间的增加，电池的电压会不断的降低到6V，并且电机及控制电路均需要稳定的直流5V电源。因此需要一定的措施才能把锂电池的不稳定电压变换成稳定的5V。使用线性低压差稳压器（LDO）SP1117单独给控制系统供电，电机与控制系统之间用光电隔离，彻底解决由于电池电量的变化而影响电机速度控制的问题；并且此方案会使控制系统不受电机运行的电气噪声干扰，为系统的稳定工作奠定了基础。LM2596具体电路及SP1117电路图如图9.12所示。图9.11系统组成框图图9.12独立供电电路图2．轨迹检测模块电动车前后各安装3只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧。车体按轨迹行驶时，中间的红外传感器应检测到黑线（轨迹），两侧在轨迹外，不应检测到黑线，小车直走。但当小车脱离轨道时，即中间的红外传感器脱检测不到黑线，等待两侧的传感器中任一只检测黑线。当右侧的传感器检测到黑线时，说明车体偏左，应向右转；相反地，当左侧的传感器检测到黑线时，说明车体偏右，应向左转。这样，根据三只红外对管的检测状态，对车的方向做出相应的调整。因此，车体在行驶过程中，会有一定左右摇摆。当前面三对红外管均检测到轨迹时，说明车体已达到B端，可以暂停行驶。同样，当后面三对红外管均检测到轨迹时，说明车体已达到A端，也要停止行驶。检测引导线寻迹传感器是一对反射式红外传感器，传感器检测原理如图9.13（a）所示，TX为发光二极管，RX为光敏元件。为了能准确检测到轨迹线，按照如图9.13（b）所示的方式分布。当传感器位于轨迹线上（黑色）时，对应红外对管的发光二极管灭，光敏三极管截止，检测电路输出低电平，反之则输出高电平。图9.13反射式红外传感器结构示意图轨迹检测电路部分原理图如图9.14所示。图9.14轨迹检测原理图3．倾角检测模块本系统选用SCA61T单轴倾角传感器。SCA61T是芬兰VTI公司推出的一种高分辨率、低噪声、稳定性好、抗冲击能力强的单轴倾角传感器芯片。它能够测量90°～90°范围的水平角度，具有SPI或模拟输出接口、5V供电，比例电压输出等特点。芯片处于水平位置时，输出2.5V，在倾斜时，以0.03V/度的变化速率输出对应的电压值。使用该角度传感器完全可以满足系统对角度平衡控制的要求，而且硬件接口简单，编程也方便。图9.15SCA61T引脚图SCA61T引脚图如图9.15，引脚说明如表9-1。其中，没有使用SPI接口时，SCK（引脚1），MISO（引脚2），MISI（引脚3）和CSB（引脚5）都需要悬空。当ST（引脚6）为逻辑1（供电电压）时，可激活自检，不用ST功能，引脚9悬空或者接地即可。选用比例电压输出方式来进行角度采集，不需ST功能，第7脚接入系统的模拟输入端即可。图9.15SCA61T引脚图表9.1SCA61T引脚说明4．电机驱动电路采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，响应频率高，一片L298N可以分别控制两个电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，而且电路简单。L298N的ENA、ENB端使能，5、7、10、12引脚接到单片机I/O线上，通过对单片机的编程可以实现两个直流电机的正反转。具体电路图如图9.16所示。图9.16电机驱动电路图5．显示模块采用台湾矽创电子公司生产的ST7920驱动液晶显示器，ST7920芯片内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8×16点阵）。128×64液晶显示清晰、快速、信息量大、使用方便。ST7920驱动LCD本身带有简单中文字库，可显示4行8列汉字，汉字显示可直接提示信息含义，具有人性化特点。ST7920可提供4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式，在本系统中采用3线串行接口方式，接口电路简单，编程方便。6．声光报警模块声音提示使用安徽中科大讯飞信息科技有限公司研发的XF-S4240语音合成模块。XF-S4240模块采用COB（ChipsOnBoard）封装，可方便地集成到需要中文语音合成功能的嵌入式