跷跷板自平衡系统的研究与设计
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摘 要：该跷跷板自平衡系统通过电动车在跷跷板上往返运动实现跷跷板的自平衡。系统以STC89C52RC单片机作为主控模块，同时包括小车姿态检测模块、循迹模块、直流减速电机、驱动模块以及电源。通过C语言编写实现系统姿态检测与校正、角度显示以及循迹的功能，使系统达到平衡。
关键词：电动车；跷跷板；姿态检测；脉宽调制
1引言
跷跷板自平衡系统是一种常见的运动控制系统，其控制方法和数学算法与船舶平衡控制、飞行器姿态的调整控制方法十分相似，而且许多控制理论概念（如系统稳定性和系统抗干扰能力等等）与学科领域（如机械学、力学、控制理论、数字信号处理等等）都可以通过跷跷板系统直观地反映出来。因此，对跷跷板自平衡系统的研究有非常重要的理论和实践意义。。
2系统基本方案
本设计的主要功能是实现小车在跷跷板上往返运动并最终找到平衡位置使跷跷板达到平衡状态，为达到此目的，提出了以下几种方案。
方案一：在跷跷板的转轴处设置电位器，跷跷板转动，电位器阻值大小发生变化，将对应的电阻大小输出的电压通过蓝牙模块发送给小车，经单片机处理使小车在跷跷板上达到平衡。
方案二：在跷跷板板面下方设置一个倾角传感器，跷跷板平衡时传感器校准，跷跷板转动，将偏移后的角度数据通过蓝牙模块发送给小车，经单片机处理使小车在跷跷板上达到平衡。
方案三：将倾角传感器布置于小车上，因小车的倾斜程度与跷跷板相同，跷跷板上不设电路。
通过权衡比较，选择操作更简便的方案三。
3 各模块方案选择和论证
3.1主控模块
使用STC89C52RC单片机作为主控模块，STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器，能够达到实现本设计功能的基本要求。
3.2 小车姿态检测模块
方案一：使用GY521-MPU6050传感器，通过模拟I2C总线进行读写，返回加速度与角速度，但是需要通过编程计算才能获得角度值。
方案二：使用 GY-25倾斜度模块，该模块具有体积小、性价比高、可串口输出格式等优点，通过硬件经数据融合算法使陀螺仪与加速度传感器中的原始数据输出为直接的角度数据。可满足本设计对平衡角度的要求。
经过比较，方案二优于方案一，故采用方案二。
3.3 循迹模块
电动车在跷跷板上往返行进时会因震动而改变方向，在未达到平衡状态时便已驶离跷跷板。由此需要添加寻迹模块，在跷跷板中线处放置黑色寻迹线，采用红外对管组成发射接收电路，红外线发射管发射出一定频率的红外线，当检测到反射面时，反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理后，亮灯提示，同时输出数字信号（一个低电平信号），并最终通过单片机判断是否偏离跑道。
3.4 电机与驱动模块
为实现跷跷板最终平衡的功能，要求电机可在低速行驶，具有大转矩，不会在倾斜时出现堵转的情况，因此选用直流减速电机。
因本系统只需在跷跷板上完成简单的往返运动，行进路线单一，L298N电机驱动便可实现所需功能，并可通过对其PWM使能端的控制实现PWM調速。
3.5 电源选择
方案一：系统使用8节5号电池组成12V电源给L298N供电，由L298N的板载5V输出给单片机供电。该方案具有供电简单易实现的优点。
方案二：双电源供电，使用8节5号电池给电机驱动供电，同时使用另一组4节1.2V镍氢充电电池给单片机供电。可消除电机驱动单片机的干扰，提升系统稳定性。
本设计最初选择方案一，实施后发现部分情况会产生单片机系统掉电的问题，会对平衡状态监测模块产生影响。改用方案二后，该问题消失，系统可靠性提高。
3.6 显示模块
系统采用LCD1602模块，能够同时显示32个字符，满足本系统对显示的要求。利用该模块可对小车角度实时监控，并显示一些必要的信息。
4 软件设计
使用C语言编写，通过串口对GY-25传感器发送读取及校准指令，完成后根据GY-25传感器反馈的角度值判断小车平衡状态，并依据角度大小和角度变化量对电机进行PWM脉宽调速，将角度值与校准结束剩余时间显示在LCD1602显示器上。同时单片机接收红外对管反馈的数据，检测小车是否偏移预定路线，并对此做出反应。
图3 程序工作流程图
5.结语及系统分析
本项目搭建了以单片机AT89C51为核心的跷跷板自平衡系统，使用红外对管和角度传感器GY-25来采集数据，分别通过PWM技术与循迹模块实现对小车运动速度与方向的控制，从而实现小车在跷跷板上来回运动达到最终平衡的效果。
参考文献：
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（作者单位：中国民航大学电子信息与自动化学院）
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