基于單片機的后輪驅動小車差速器設計

朱麗瑩 鄧天樂 戴媛媛 張毅恒 王繼磊

摘 要：文章提出一種基于51單片機的后輪驅動小車差速器設計方案，以兩片STC89C51RC單片機芯片作為后輪驅動小車差速器的主控芯片。兩片單片機相互配合，實現小車的速度測量及差速轉向。該設計符合電子差速器的發展趨勢，為進一步研究工作打下了基礎。

關鍵詞：電子差速；STC89C51RC；單片機；速度測量

中圖分類號：U469.72 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著國家“一三五”計劃的頒布及實施，越來越多的科研人員開始研究電力驅動、無污染的新能源汽車。作為新能源汽車的典型代表，電動汽車也越來越受到廣泛的關注?，F階段的電動汽車的驅動方式一般采用后輪驅動電機連接減速器用以帶動車輪，對于其轉向方式，一般采用控制內外車輪連接的轉速器不同的轉速比從而實現轉彎內外車輪的轉速差而實現轉向。而本文提出的電子差速采用兩個電機直接控制兩個后輪，可通過控制電機直接控制內外輪轉速比，省去了減速器復雜的機械結構，提高了轉向的靈活性，降低整車成本[1]。

本文所設計的差速器由兩塊單片機構成，通過角度傳感器和速度傳感器獲取當前小車的轉彎角度和速度，在單片機1中由阿克曼原理[2]計算出PWM占空比差傳送給單片機2，單片機2則根據PWM占空比差值調整內外輪轉速，使小車實現差速轉向。

1 系統硬件設計

1.1 系統設計框圖

本設計由STC89C51控制模塊、測速傳感器、角度傳感器以及電機驅動電路等組成，系統設計框圖如圖1所示。

1.2 單片機控制模塊

本設計選用STC89C51RC單片機作為主控芯片。STC89C51RC是一款采用8051核的ISP在系統可編程芯片，器件兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，是高速、低功耗的新一代8051單片機，片上有2個16位定時器，2路外部中斷，4個8位并行輸入輸出I/O接口等功能[3]。

1.3 測速模塊

測速模塊選用槽形光耦傳感器。如圖1所示，碼盤上均勻分布透光與不透光部分，電機轉動時帶動碼盤同步轉動[4]。當碼盤不透光部分遮擋光耦傳感器時，光耦傳感器輸出高電平，無遮擋時輸出低電平，經整形后便得到脈沖信號，將其接入單片機外部中斷引腳，再利用頻率測量法即可計算小車速度。

1.4 角度測量模塊

我們使用電位器式角度傳感器測量小車轉彎角度。小車轉彎時帶動電位器旋鈕旋轉，從而改變電位器輸出電壓，將所測角度信號轉化為電壓信號。但由于電位器輸出的是模擬電壓，因此我們使用PCF8591這款芯片將模擬電壓信號轉換為數字信號輸入單片機進行處理。

PCF8591是單電源、低功耗的8位CMOS數據采集器件，具有四個模擬輸入端口、一個輸出端口和一個串行IIC總線接口。PCF8591的地址引腳A0， A1和A2用于硬件地址編程，允許將最多8個器件連接至IIC總線而不需要額外硬件。PCF8591的功能包括內置跟蹤保持、8位模數轉換和8位數模轉換等。其地址、控制和數據信號都是通過IIC總線進行傳輸的，其最大轉化速率決定于IIC總線的最大速率[5]。

1.5 電機驅動電路

電機驅動電路由L298N直流電機驅動模塊構成。L298N是一種雙H橋電機驅動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流。其功率部分的供電電壓范圍為2.5～48V，邏輯部分由5V電源供電，可以方便的驅動一個兩相步進電機或兩個直流電機[6]。

2 系統程序設計

為了更好的實現系統功能，本電子差速器由兩塊單片機構成。單片機1主要完成測速及角度測量功能，由數碼管顯示。并將由阿克曼原理計算出的PWM占空比差傳送給單片機2進行下一步處理。其流程圖如圖3所示。單片機1的定時器1負責每0.5s啟動一次速度測量與角度測量，之后將占空比差發送給單片機2。測速采用頻率測量法：在固定時間內，計取光電開關脈沖個數，由脈沖個數除以沖片上不透光部分數目得到電機所轉圈數[7]。又因為電機直接驅動車輪，因此圈數除以固定時間即可算出車輪轉速，乘上車輪周長便可以得到小車行進線速度。由于單片機兩個外部中斷優先級不同，為了保證速度測量的精度，程序采取錯時測量的方法，即在定時器0定時的第一個0.2s內，只開啟外部中斷0，記錄左輪脈沖個數。在第二個0.2s內，只開啟外部中斷1，記錄右輪脈沖個數。計算完左右輪速度后再由數碼管顯示。角度的測量則是利用單片機IO口模擬IIC接口與PCF8591進行通信，獲取當前角度傳感器輸出電壓，經過換算后得到小車轉彎角度，由數碼管進行顯示。最后，將計算所得結果通過IO口發送給單片機2，由此完成一次循環，進行下一輪測量。

單片機2用于驅動小車電機。由于STC89C51沒有PWM輸出模塊，我們用定時器0模擬輸出周期為1ms的PWM波來控制后輪內外電機轉速。定時器1負責每0.5s讀取一次單片機1發來的占空比差值，并將外輪對應占空比調節為兩輪平均占空比加其原占空比差值，內輪對應占空比調節為兩輪平均占空比減其原占空比差值，由此調整兩電機輸入電壓，以實現小車的差速轉向。

3 結束語

綜上所述，文章闡述了后輪驅動小車差速器的軟硬件設計，價格低廉，實驗效果良好。但是，小車雖然在地面環境和初始條件較好時能夠穩定運行，然而在受到外界干擾時可能出現不正常工作的現象。因此，增強系統的穩定性是下一步工作的主要目標。

參考文獻：

[1]段敏，孫明江，閆鵬斌，等.后輪輪轂電機驅動電動汽車電子差速控制器研究[J].遼寧工業大學學報，2016，36（3）：184-190.

[2]姜明國，陸波.阿克曼原理與矩形化轉向梯形設計[J].汽車技術，1994（5）：16-19.

[3]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]楊虹.單片機測速系統的一種新方法[J].天津職業技術師范大學學報，1999（3）：25-27.

[5]陳柱峰.基于PCF8591的I^2C總線A/D、D/A轉換[J].企業技術開發，2009，28（5）：18-21.

[6]孫緒才.L298N在直流電機PWM調速系統中的應用[J].濰坊學院學報，2009，9（4）：19-21.

[7]劉漢明.車輛智能發動機轉速測量系統設計與實現[J].微計算機信息，2008（5）：244-245.