一、要求
设计并制作一个跷跷板电动车，在不加配重的情况下，电动车从起始端A出发到跷跷板末端B循线行驶，并要求在中心点C附近，使跷跷板处于平衡。然后电动车从B点停止5s后，Imln内倒退回起始端A。
发挥部分：将配重固定在可调整范围内，将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点以外的90度扇形区域内，电动车循线自动驶上跷跷板，并在跷跷板上取得平衡，保持平衡5s钟以上；然后改变配重放置的位置，电动车应能重新平衡。
对于基本部分，要用光电传感器(ST178)保证小车在跷跷板上走直线，用角度传感器SCA100T-D02检测角度。然后，进行算法的设计。
在整个行驶过程中，分阶段实时显示电动车行驶所用的时间，给出明显的平衡指示。我们选用NOKIA3310屏，设置一个定时器就可以显示了。
对于发挥部分，硬件上不用加模块，只要再设计算法就可以了。
觉得达到这些要求不是很难，于是进行了创新设计分析。为小车增加了躲避故障检测、速度测量、语言提示等功能。
二、方案实现
1．硬件设计
(1)总体方案
系统主要由传感器、ATMEGA32单片机、直流电机驱动器和电动车左侧轮、右侧轮轮电机、显示及按键输入几部分组成，系统结构框图如下图所示。
分别用于前进、后退的5个红外光电传感器ST178输出的轨迹探测信号，分别送入ATMEGA32单片机PCO-PC4口和PA3-PA7口。由单片机通过软件计算判断行驶轨迹，发出2路PWM控制信号，经直流电机驱动器，分别控制电动车左侧轮、右侧轮电机的运行。
倾角传感器SCA100T-D02输出的检测电动车倾角信号，送入ATMEGA32单片机PBO～PB2、PC7口。当电动车到达中点C后，单片机控制电动车改为步进方式，寻找平衡点。当倾角信号约等于零时，单片机发出控制信号，使电动车停车Ss，并由状态提示模块发出平衡信号，由NOKIA 5110 LCD显示时间和工作状态。
电动车在中点C平衡Ss后，单片机发出控制信号，控制电动车以一定的速度向末端B循线行驶。并由红外光电传感器ST178探测到末端B的位置，控制电动车在末端B停车。然后监测尾部光电传感器，控制左、右轮电机反转，电动车循线倒退回到起点A。
按键输入信号，接人ATMEGA32单片机的PD5、PD6口。PD5口对应的按键提供任务选项选择，PD6口对应的按键负责确认任务执行。
(2)循线检测电路设计
光电传感器ST178检测电路的设计如下图所示。
调节RP1可以改变检测的灵敏度，光电传感器通过反射接收给定轨迹的明暗变化，转换成强度不同的电流信号，通过7414比较器，转换成TTL电平给单片机。检测到黑线，单片机读入信息0，否则为1。
(3)驱动电路设计与计算
设计的直流电机驱动电路如下图所示。单片机输出信号PB3为高电平时、三极管Qll、Q12、Q16导通，电机电流从L2流向Ll，电机正转；单片机输出信号PDO为高电平、三极管Q13、Q14、Q15导通，电流从Ll流向L2，电机反转。需要特别注意的是，PB3和PDO不能同时为高电平，以避免左右两侧的桥臂上下直通而烧毁三极管。
单片机输出信号PB3为高电平时，为保证Qll、Q12、Q16饱和导通，取R16=150k，R12=lk，流过三极管Qll的集电极电流为：
保证了电路的可靠工作。
2．控制算法与软件设计
(1)循线检测控制算法
电动车前排光电传感器信号由PCO～PC4送入AVR单片机，后排光电传感器信号由PA3~PA7送入AVR单片机。在AVR程序中读取PCO—PC4的状态值，取反后存放到RAM单元1中称数据1；读取PA3~PA7的状态值，取反后存放到RAM单元2中称数据2，然后进行数据比较。若数值l>数值2，说明电动车方向偏右，则发出PWM命令使电动车向左调整；直到数值1=数值2，且数值不等于10000和00001时，则表明电动车寻迹准确，发出电动车全速前进命令。
(2)平衡检测电路与倾角计算
倾角传感器SCA100T-D02单轴的最大有效测量范围为±90度。当传感器位置发生倾斜时，则传感器可以检测到沿X、Y轴的重力分量。通过SPI接口读取的数据范围为00000000000—11111111111，00000000000表示-90。，10000000000表示O度，11111111111表示+90度，所以其角度计算公式可以表示为：
其中Dout表示传感器的输出值，sens表示芯片的灵敏度，为一固定的系数。
由于系统对角度值采样频率随应用条件的不同有所变化，经实测本系统的角度变化最快不会超过20Hz，我们取采样周期为50ms。实行过程中还通过校正行为来寻找相对零度时的值，得到这个值后，每次测量时将测量值减去或加上这一偏差值，从而校正地面不平引起的相对误差。电动车在整个平衡过程中将尽力寻找坡度最小的点，并根据当前坡度对自己的位置作出调整，当坡度最后接近相对0时，则判断电动车达到平衡点。
(3)软件设计
本系统软件设计方案采用了菜单式的控制方式。菜单式的控制方式控制方便，操作简单，可以满足电动车不同行驶状态的要求。菜单选择设计了两个键控制，一个为菜单的任务选项键，另一个为相应项目的执行键。
菜单的任务选项有：基本动作，发挥动作，创新动作，姿态调整，X修正，Y修正。控制程序总流程结构图如下图所示。软件设计也有难点，尤其是平衡的判断。
第一个算法，在快达到平衡时、小车会冲过平衡点很远，然后，退的又很慢、超出了时间限制。经改进，让小车冲过平衡点后、先快速初调，再慢调，直到达到平衡。解决了超时问题。
另外还加上平时做过的一个语音模块APR9600，用来发出问侯语，并提示开始和结束。
又加上一个ATMEGA8控制一个点阵，与主控制芯片通信，显示前进或后退。
本系统除完成基本部分和发挥部分的设计要求外，还设计了其他的功能：
①LED对工作状态进行提示；
②语音对工作过程开始、结束的提示；
③前后车灯指示；
④姿态调整；
⑤LCD汉字显示。
最后测试表明，平衡时间、各阶段行驶的时间及平衡的测量，均达到了要求。
