基于单片机的后轮驱动小车差速器设计

朱丽莹 邓天乐 戴媛媛 张毅恒 王继磊

摘 要：文章提出一种基于51单片机的后轮驱动小车差速器设计方案，以两片STC89C51RC单片机芯片作为后轮驱动小车差速器的主控芯片。两片单片机相互配合，实现小车的速度测量及差速转向。该设计符合电子差速器的发展趋势，为进一步研究工作打下了基础。

关键词：电子差速；STC89C51RC；单片机；速度测量

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0035-02

Abstract： In this paper， a design scheme of rear wheel drive car differential based on 51 single-chip microcomputers is presented. Two STC89C51RC microcontroller chips are used as the main control chip of the rear wheel drive car differential. The two single-chip computers cooperate with each other to realize the speed measurement and differential steering of the car. The design accords with the development trend of electronic differential， and lays a foundation for further research.

Keywords： electronic differential； STC89C51RC； single chip microcomputer； velocity measuremen

引言

随着国家“一三五”计划的颁布及实施，越来越多的科研人员开始研究电力驱动、无污染的新能源汽車。作为新能源汽车的典型代表，电动汽车也越来越受到广泛的关注。现阶段的电动汽车的驱动方式一般采用后轮驱动电机连接减速器用以带动车轮，对于其转向方式，一般采用控制内外车轮连接的转速器不同的转速比从而实现转弯内外车轮的转速差而实现转向。而本文提出的电子差速采用两个电机直接控制两个后轮，可通过控制电机直接控制内外轮转速比，省去了减速器复杂的机械结构，提高了转向的灵活性，降低整车成本[1]。

本文所设计的差速器由两块单片机构成，通过角度传感器和速度传感器获取当前小车的转弯角度和速度，在单片机1中由阿克曼原理[2]计算出PWM占空比差传送给单片机2，单片机2则根据PWM占空比差值调整内外轮转速，使小车实现差速转向。

1 系统硬件设计

1.1 系统设计框图

本设计由STC89C51控制模块、测速传感器、角度传感器以及电机驱动电路等组成，系统设计框图如图1所示。

1.2 单片机控制模块

本设计选用STC89C51RC单片机作为主控芯片。STC89C51RC是一款采用8051核的ISP在系统可编程芯片，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，是高速、低功耗的新一代8051单片机，片上有2个16位定时器，2路外部中断，4个8位并行输入输出I/O接口等功能[3]。

1.3 测速模块

测速模块选用槽形光耦传感器。如图1所示，码盘上均匀分布透光与不透光部分，电机转动时带动码盘同步转动[4]。当码盘不透光部分遮挡光耦传感器时，光耦传感器输出高电平，无遮挡时输出低电平，经整形后便得到脉冲信号，将其接入单片机外部中断引脚，再利用频率测量法即可计算小车速度。

1.4 角度测量模块

我们使用电位器式角度传感器测量小车转弯角度。小车转弯时带动电位器旋钮旋转，从而改变电位器输出电压，将所测角度信号转化为电压信号。但由于电位器输出的是模拟电压，因此我们使用PCF8591这款芯片将模拟电压信号转换为数字信号输入单片机进行处理。

PCF8591是单电源、低功耗的8位CMOS数据采集器件，具有四个模拟输入端口、一个输出端口和一个串行IIC总线接口。PCF8591的地址引脚A0， A1和A2用于硬件地址编程，允许将最多8个器件连接至IIC总线而不需要额外硬件。PCF8591的功能包括内置跟踪保持、8位模数转换和8位数模转换等。其地址、控制和数据信号都是通过IIC总线进行传输的，其最大转化速率决定于IIC总线的最大速率[5]。

1.5 电机驱动电路

电机驱动电路由L298N直流电机驱动模块构成。L298N是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2A的电流。其功率部分的供电电压范围为2.5～48V，逻辑部分由5V电源供电，可以方便的驱动一个两相步进电机或两个直流电机[6]。

2 系统程序设计

为了更好的实现系统功能，本电子差速器由两块单片机构成。单片机1主要完成测速及角度测量功能，由数码管显示。并将由阿克曼原理计算出的PWM占空比差传送给单片机2进行下一步处理。其流程图如图3所示。单片机1的定时器1负责每0.5s启动一次速度测量与角度测量，之后将占空比差发送给单片机2。测速采用频率测量法：在固定时间内，计取光电开关脉冲个数，由脉冲个数除以冲片上不透光部分数目得到电机所转圈数[7]。又因为电机直接驱动车轮，因此圈数除以固定时间即可算出车轮转速，乘上车轮周长便可以得到小车行进线速度。由于单片机两个外部中断优先级不同，为了保证速度测量的精度，程序采取错时测量的方法，即在定时器0定时的第一个0.2s内，只开启外部中断0，记录左轮脉冲个数。在第二个0.2s内，只开启外部中断1，记录右轮脉冲个数。计算完左右轮速度后再由数码管显示。角度的测量则是利用单片机IO口模拟IIC接口与PCF8591进行通信，获取当前角度传感器输出电压，经过换算后得到小车转弯角度，由数码管进行显示。最后，将计算所得结果通过IO口发送给单片机2，由此完成一次循环，进行下一轮测量。

单片机2用于驱动小车电机。由于STC89C51没有PWM输出模块，我们用定时器0模拟输出周期为1ms的PWM波来控制后轮内外电机转速。定时器1负责每0.5s读取一次单片机1发来的占空比差值，并将外轮对应占空比调节为两轮平均占空比加其原占空比差值，内轮对应占空比调节为两轮平均占空比减其原占空比差值，由此调整两电机输入电压，以实现小车的差速转向。

3 结束语

综上所述，文章阐述了后轮驱动小车差速器的软硬件设计，价格低廉，实验效果良好。但是，小车虽然在地面环境和初始条件较好时能够稳定运行，然而在受到外界干扰时可能出现不正常工作的现象。因此，增强系统的稳定性是下一步工作的主要目标。

参考文献：

[1]段敏，孙明江，闫鹏斌，等.后轮轮毂电机驱动电动汽车电子差速控制器研究[J].辽宁工业大学学报，2016，36（3）：184-190.

[2]姜明国，陆波.阿克曼原理与矩形化转向梯形设计[J].汽车技术，1994（5）：16-19.

[3]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4]杨虹.单片机测速系统的一种新方法[J].天津职业技术师范大学学报，1999（3）：25-27.

[5]陈柱峰.基于PCF8591的I^2C总线A/D、D/A转换[J].企业技术开发，2009，28（5）：18-21.

[6]孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报，2009，9（4）：19-21.

[7]刘汉明.车辆智能发动机转速测量系统设计与实现[J].微计算机信息，2008（5）：244-245.