电动车跷跷板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。

在不加配重的情况下，电动车完成以下动作：（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，给出明显的平衡指示。

（3）电动车从（2）中的平衡点出发，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。

图10.9.1 起始状态示意图图10.9.2 平衡状态示意图【项目知识点和技能点】1、步进电机的应用和控制。

2、自动寻迹系统原理与应用。

3、角度传感器的原理和应用。

4、PTR8000无线发送与接收模块的应用。

5、AT89s52单片机模数转换的原理和应用。

8.2.2 总体设计方案以单片机AT89S52为主要控制芯片，查询按键的输入，传输各种参数的显示，两台电机的正反转和速度控制以及两台电机的协调运动，负责光电检测信号的接收和对信号的处理，从而能够确定小车轨迹，在B点停止和返回，并最终停止。

角度传感器把角度信号输给单片机，把检测到的角度和基准角度比较，从而确定翘翘板的平衡点。

寻找平衡点时主要是采用PID闭环控制算法，在小车行驶过程中每当小车翻过平衡点的时候都令小车向后退一段路程，直到小车再次翻过平衡点，小车再次向前行驶一段比前一段要小的距离直到翻过平衡点，最终找到平衡点。

系统框图如8-13所示，由如下几个模块组成控制模块——采用AT89S52单片机控制。

电机选择模块——采用四线两相步进电机。

显示模块——采用1602LCD液晶显示屏进行显示。

光电检测模块——采用反射式光电传感器检测跷跷板上黑线。

电机驱动模块——采用步进电机驱动电路。

角度检测模块——采用角度传感器检测。

【项目准备】1、项目原理本系统共可分为两部分：跷跷板平衡检测系统，以AT89s52单片机为控制核心，将角度传感器连接在跷跷板中心的转动轴上以检测跷跷板摆动角度，，并通过无线通讯模块将数据发送给电动车系统。

电动车系统也以AT89s52为控制核心，以两个步进电机分别与左右车轮同轴相连来作为电动车的动力装置，采用光电传感器检测引导线，利用无线通讯模块接收跷跷板平衡检测系统发送的数据，单片机对数据进行智能分析，调整小车前进速度和方向，使跷跷板达到平衡状态。

在电动车到达指定位置时，给出声光提示，同时液晶显示屏显示时间和小车当前状态。

其原理图如图10.9.3所示：图10.9.3 电动车跷跷板系统原理图2、电动车驱动部分的原理与制作如实物图10.9.4所示，在电动车左右两轮上分别配置两个步进电机来作为电动车的动力装置，通过控制两个步进电机的转动方向来控制电动车的前进和后退，通过控制两个步进电机的转速的快慢来控制电动车的转向。

电机和车轮之间通过齿轮啮合来传动。

在实际制作中，可根据实际情况来选用齿轮来改变它们之间的传动比，以使电动车能获得适当的速度范围。

3、电动车循迹的原理如实物图10.9.4所示，在电动车的前侧安装两个光电传感器，利用光在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，来判断电动车的行走位置，一般情况下，光电传感器发射的光会被路面反射回来，但如果遇到黑色物体则会被吸收，传感器将接收不到反射光线。

单片机就是否收到反射回来的光线为依据来判断黑色引导线的位置和小车的行走路线。

图10.9.4 电动车系统实物图图10.9.5 电动车的循迹原理图如图10.9.5所示，当光电传感器没有检测到黑线时，其输出为0。

电动车前进，使用光电传感器1和2，当光电传感器1检测到黑线时，说明电动车向右方偏移，则电动车左轮向后转，右轮向前转，调整小车前进角度，使小车始终保持在黑线上行走。

同理，电动车后退，使用光电传感器3和4进行检测。

电动小车在行走的过程中，将接收来自跷跷板检测系统的数据，并根据接收到的数据来决定小车的前进和后退以及行进的快慢。

4、步进电机及其驱动模块1）步进电机的简单介绍步进电机是纯粹的数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机电动机就转动一个角度，实质上是一种数字/角度转换器，由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。

步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）３种，永磁式一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5或15；反应式一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5,但噪声和振动都很大，混合式应用最为广泛，它混合了永磁式和反应式的优点。

步进电机系统中有２个重要电路：脉冲分配电路和驱动电路。

脉冲分配电路有２个输入信号：步进脉冲和转向控制。

脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生正确转向的激励信号。

此激励信号经过驱动电路送至步进电机，从而控制步进电机向正确的方向转动，此激励信号的频率决定了步进电机的转速。

脉冲分配可通过脉冲分配器实现，也可通过软件实现。

驱动电路的主要作用是实现功率放大，一般脉冲分配器输出的驱动能力是有限的，它不可能直接驱动步进电机，因此需要经过一级功率放大。

2）SMD-401 步进电机驱动模块说明（1）特性①本驱动模块适用于四相混合式和永磁式步进电机②采用单极恒压驱动原理，驱动电流可达1A。

③四相八拍励磁方式，步进电机半步运行（即步进角为1.8度的步进电机，每个脉冲电机转动0.9度）④厚膜电路封装，体积小，具有高度抗干扰性。

（2）使用及说明驱动器连接示意图图10.9.6 SMD－401驱动模块连接示意图（3）管脚说明：VCC：5V系统工作电源，要求稳压，驱动电流应大于200毫安。

CP：步进脉冲信号输入端，上升沿有效。

DIR：方向控制端。

此信号决定电机旋转方向，比如：信号高电平时，电机顺时针旋转；信号低电平时，逆时针旋转。

电机换相时一定要在电机降速后再换相，换相信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP 脉冲前发生。

如图10.9.7所示。

图10.9.7 方向控制脉冲的输入方式FREE：此信号用户可选择接或不接，高电平有效时，电机处于无力矩状态，低电平或不接时，此管脚无效。

HOTO：低压锁定控制端，低电平有效时，当电机处于锁定状态时，电机驱动电压由（VH）切换至（VCC），降低电机的锁定电压，减小发热，高电平或不接时，此管脚无效。

VH：电机驱动电源DC（5—24V），要求稳压，根据不同电机选择驱动电压大小。

GND：电机驱动电源，系统驱动电源，控制信号公共接地线，控制信号与驱动没有隔离。

O：电机绕组公共端。

A：电机绕组A接线端。

B：电机绕组B接线端。

C：电机绕组C接线端。

D：电机绕组D接线端。

（4）注意事项①控制信号与驱动系统电源没有隔离。

②本驱动采用恒压原理驱动，必须稳压。

仅适配电机绕组阻值较大，相电流小于1A的小功率混合式或永磁式步进电机。

3. 显示器接口电路本系统采用LCD1602(16*2)作为主要显示器件。

程序开始时，先对液晶显示器初始化，小车在运行过程中，液晶显示器可以实时显示运行的时间和运行状态。

开机时显示设计题目的主题，对用户操作进行提示。

LCD模块采用并行输入，P0口是数据输入接口，EN、R/W和RS分别与P2.0、P2.1、P2.2连接。

电路如图8-16所示【硬件电路图】图10.9.8中是电动车系统中光电传感器寻迹模块、声光报警模块以及按键选择部分的电路原理图，图中的S1、S2、S3和S4为四个光电传感器，left LED 和right LED 是电动车的转向灯，并和BELL 一起构成了电动车的声光报警电路，JP_CHK2按键是选择按键，用以选择电动车执行的任务，JP_CHK 按键是确认按键，用以确认电动车是否执行所选择的任务。

图中省略了PTR8000通信模块部分的电路图，详见第九章PTR8000无线通信模块部分。

图10.9.8 电动车系统部分部分电路原理图VSS 1VDD 2VL 3RS 4R/W 5EN 6D07D18D29D310D411D512D613D714BL-15BL+161602LCD1602LCD R51.8K P20P21P22P00P01P02P03P04P05P06P07VCC+5V图10.9.9给出的是电动车动力驱动部分的电路原理图，图中M1和M2是两个步进电机，分别与为电动车驱动轮的左右两轮相连，图中SMD401是步进电机的驱动模块，该模块的工作电压为+5V，驱动电压为+8V，图中C0、C1、C2、C3四个电容用以滤波，增加驱动模块的抗干扰性能。

图10.9.9 电动车系统动力驱动部分电气原理图图10.9.10是跷跷板角度检测部分的电路原理图（PTR8000部分略），图中A0为角度传感器，单片机通过PA0采集跷跷板角度变化信号，并通过其自身的模数转换器功能将其转化为数字信号，并通过PTR8000无线通信模块发送给电动车系统。

图10.9.10 跷跷板角度检测部分电路原理图【软件设计】1、程序流程图1）如图10.9.11所示，为电动车系统程序流程图。

本程序以菜单显示为主线，画面显示小车在A、B、C的平衡状态，平衡状态时发出声光报警信号。

系统主程序流图如图8-21所示：开始（初始化）开机按键是否按下？小车是否与跷跷板平行？直行到C 点附近调节车身平衡小车是否平衡？停车5秒直行到跷跷板B 点是否到达B 点？停车5秒回退到A 点结束直行NNNNYY YY2) 如图10.9.12所示，为跷跷板角度检测系统程序流程图。

图10.9.12 跷跷板角度检测系统程序流程图8.2.5 系统功能测试将小车放在起始位置（A点），开启电源，让小车自由行驶。

记录从A点到C点附近的时间，在C点找平衡的时间，平衡后从C到B点的时间，以及从B点回到A点的时间。

如表8-1所示：表8-1 测试结果记录项目第一次第二次第三次第四次最大时间从A点到C点附近的时间（s）29 30 28 26 30在C点找平行的时间（s）45 53 60 57 60平衡后从C到B点的时间（s）30 22 27 29 30从B点回到A点的时间（s）60 55 56 58 608.2.6 总结本系统使用A T89S52单片机做主控制器，10 PU-M步进电机驱动、辅以光电传感器和角度传感器等测量器件，设计并实现了电动小车自动行驶上跷跷板，利用水平倾角自动判断寻找到翘翘板上的平衡点。

通过LED灯给出平衡指示，并在平衡点停留指定时间后行驶至跷跷板另外一端、停留指定时间后返回至起点的全过程，全程用LCD液晶实时显示工作状态及平衡时角度、行驶时间等参数。