基于Sunplus SPCE061A控制核心的電動車蹺蹺板設計及實現

      在多次全國電子設計大賽中，電動車的設計一直都是熱點，從歷屆的電動車設計作品來看，電動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。本文中電動車設計所采用的方案，車體小巧靈活，不需借助任何的附加設備即可工作，而且對蹺蹺板的要求很低。

1 總方案設計
      系統可以劃分為控制部分和信號檢測部分。其中，控制部分由控制器模塊、電源模塊、電機模塊、顯示模塊、語音模塊等模塊構成；信號檢測部分由平衡檢測模塊、引導模塊構成。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傳送給控制器，控制器根據信號來判斷電動車當前的狀態，做出相應的反應(前進(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，避免了長信號線或者無線通信帶來的信號采集不準確問題。經過多次試驗，證明車體能夠輕松找到平衡點。系統方框圖如圖1所示。

      該設計電動車蹺蹺板實物圖如圖2所示，從中可以看到，現在電動小車的狀態為平衡點附近，這是因為蹺蹺板的平衡是一種絕對的動態平衡，即平衡時，小車在板上平衡點做振動運動，因為這樣的運動幅度非常小，可以認為是一種偽靜態。

2 各模塊具體實現方案及硬件電路
2．1 車體設計及電機控制模塊
      該設計采用的車體由鋁合金車架及兩個直流電機組成，具有堅固穩定的特點，并且直流電機帶有驅動電路及減速箱，減速箱的減速比為64：1。設計中使用L298搭建了驅動電路，經過調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
      該設計采用凌陽公司的SPCE061A單片機，SPCE061A是16位結構的微控制器。該單片機具有驅動能力高和集成度高，易擴展，可靠性高，功耗低，結構簡單，中斷處理能力強等特點。SPCE061A的CPU時鐘為0．32～49．152 MHz，內置32 KB FLASH和2 KWords的SRAM，速度(Tempo)可以滿足電機控制對實時性的要求；SPCE061A還可以通過在線調試器：Probe和EZ Probe實現在線程序下載和調試，極大地(Terra)提高開發效率；另外SPCE061A尤其適用于語音處理和識別等領域，可方便地用來實現聲音錄制、播放，只要調用庫函數即可實現音頻編程，可以實現語音播放功能，比別的單片機更有特色。因此選擇此方案。
2．3 電源模塊
      該設計采用6節1．2 V可充電式鎳氫電池串聯共7．2 V給直流電機和傳感器供電，經過7805的電壓變換后為單片機供電。經過實驗驗證，采用此種供電方式后，只有一組電源，便于安裝，且直流電機工作良好，單片機、傳感器的性能穩定。電路原理圖見圖4。

2．4 引導模塊
      該系統采用黑線引導法，在地面和蹺蹺板上均畫有黑線，用尋跡的方式引導電動車。尋跡采用RG149A光電對管。RG149A通過檢測反射信號的不同來區分黑白，信號經LM324整形后傳輸給控制器。LM324需外接一個滑動變阻器，以找到合適的阻值，使得輸出高低電平信號能被正確識別。經過反復試驗，尋線效果良好，在直線和彎道都能很準確地實現尋線，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
      在語音模塊設計中直接使用凌陽61A板自帶語音模塊。正如前文介紹，61板具有強大的語音處理功能，擁有語音的MIC輸入端，自帶自動增益(AGC)控制，具有語音輸出接口，可外接喇叭。根據音頻處理模塊功能的強弱，在錄制語音時，需要選擇采樣率和音頻格式，同時還要注意音頻文件的大小。
2．6 顯示模塊
      該系統設計采用凌陽公司生產的64×128液晶顯示屏模塊，該模塊自帶液晶顯示驅動，只需在程序中建立相應字庫即可實現顯示。因為在顯示模塊上的工作可以近似認為是一種實時性的，并且數據量大，這就需要在軟件的編寫上進行合理的安排，以使CPU及時響應和協調各功能子模塊的正常工作。
2．7 平衡模塊
      該設計使用無觸點磁敏電位器自制重錘角度傳感器。在電位器上加一重錘，通過重錘的擺動角度帶來電位器角度的變化，以實現對角度的測量。該角度傳感器安裝在電動車上，當蹺蹺板處在非平衡狀態時，車體的傾斜角度反映在重錘的轉角上，再通過A／D轉換將角度信號采集到處理器中進行相關的處理。在本設計中，有三個關鍵角度值，即蹺蹺板上平衡區間的兩端點角度值和平衡區間中的實際中點值。小車在自動找平衡時，是根據平衡區間的端點值判斷自己是否處于平衡區，是則調用平衡區功能函數進行工作，直到最終找到真正平衡點。經過多次試驗論證，小車能夠快速準確地尋找到平衡點。原理圖及實物圖見圖6。

3 程序設計
      軟件設計與工作流程圖如圖7所示。

4 理論分析與計算
4．1 角度傳感器原理
      當電動車處于水平狀態時(此時蹺蹺板平衡)，角度傳感器重錘成自然下垂狀態，此時得到一電壓值作為基準電壓；而當電動車處于非水平狀態時(此時蹺蹺板失衡)，重錘會隨著蹺蹺板的傾斜角度而偏離原位置一定角度，從而產生電壓信號的變化，控制器根據電壓信號變化及趨勢來控制電機。
      在本系統中當角度傳感器的工作電壓為3．3 V時，則應用角度傳感器關鍵值可以參照表1。

4．2 過程邏輯計算
      在不加配重情況下，電動車從起始A出發到中心平衡點C的過程中，小車從A點快速前行至超過平衡點的下降點處，會檢測到傾斜角度電壓值有突然減小趨勢。此時，小車停止使角度傳感器穩定，之后小車根據傾角傳感器的電壓值倒車至平衡點附近，然后以小速度(Tempo)不斷調整尋找實際平衡點，直至平衡。
實際執行方案：先快速前行，當電壓信號(設為c)小于等于2．232 V時，快速倒車(只執行一次，用標志位判斷)，此后的所有情況為：
      當c≥2．253 V時，前進(Forward)；
      當c<2．232 V時，后退；
      當2．232 V

5 創新發揮與結果分析
5．1 創新發揮
      該電動小車具有語音播報與語音識別功能。
      (1)口令控制電動車開始行進(Proceed)，有無配重的兩種情況，通過不同的口令來實現。
      (2)語音播報電動車工作狀態，例如到達平衡、到達B點等情況。
      (3)語音提示加載第二塊配重和加載完畢。
      同時，該小車具有同步顯示電動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個孔來計算電動車行駛的距離。本系統的車輪周長為21．336 cm，設n為掃描的孔數，則掃描n孔行駛的距離為S＝21．336／8*n(cm)，再通過計時器得到電動車行駛時間，從而算得電動車的速度(Tempo)。將距離、時間、速度(Tempo)顯示在LCD屏上。
5．2 結果分析
      第一階段時間測試結果如表2所示。

      從測試結果可以看出，平衡點的尋找時間具有很大的隨機性，以至于時間超出了預計范圍。經過仔細觀察分析，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械上做起來比較困難，這個方案很快被否決了；第二套方案是不使用凌陽單片機自帶的PWM波，而是通過軟件自行制作占空比可調范圍更廣的方波，從而實現電機的無級變速。經過試驗，測試數據如表3所示。

      由表2可看出，電動車已經可以在短時間內找到平衡點，因為采用無級變速，使得電動車在平衡點附近也能進行適當的速度(Tempo)調整，而不像之前在平衡區間只能始終采用一種速度(Tempo)。上板測試結果如表4所示。

      平衡測試結果如表5所示。

      從測試結果來看，本系統的性能接近預想狀態。

      6 結 語
      電動車以凌陽SPCE061A作為電動車的控制核心，將無觸點磁敏電位器加重錘改造后自制成角度傳感器檢測平衡點，實現了電動車自動尋找蹺蹺板和板上平衡點自動尋找等功能。從測試結果可以看出，該設計達到預期效果。角度傳感器的自行設計是關鍵點所在，語音播報與語音識別功能和同步顯示電動車的里程信息及速度(Tempo)等功能是一大亮點。