基于SCT89C51單片機的智能行李箱電動輪的設計

李明明　郝文靜　管梓程　付泉桂　丁玉茹

摘要：基于STC89C51單片機設計了外置式可拆卸的行李箱電動輪，通過電動機與行李箱輪子的結合來實現行李箱的獨立驅動，利用可充電的電池來提供電力，使用光電編碼器與直流減速電機來實現電動輪的測速與調速功能，使行李箱的使用更加方便省力。該文給出了系統的總體設計、硬件組成部分以及軟件算法實現等內容。實驗結果表明，此裝置能夠大大減少使用者在拉動行李箱時的阻力，實現省力拉動行李箱的目的。

關鍵詞：STC89C51;直流減速電機;測速與調速;行李箱電動輪

中圖分類號：TP272? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0217-03

隨著生活節奏的加快和生活質量的提高，人們越來越多地需要進行工作出差或旅游休閑。在旅途中奔波時，行李箱必不可少。無論是國內市場還是國外市場，行李箱依然主要靠人力拉動。隨著工作復雜性的提高，以及人們對生活舒適性的追求，行李箱往往需要裝載很多物品，顯得相當笨重，在運動的時候會有很大的阻力。此時，一個方便易攜帶的行李箱不但可以省時省力，提高效率，而且可以降低拖運笨重的行李箱時帶來的不愉快感，提升旅行的體驗和質量。然而更換一個普通行李箱并不能解決這些問題，并且市面上已有的自動行李箱往往價格不菲，體積固定，難以適應不同旅行的需求。為了解決上述問題，本文從常見的行李箱入手，研究怎樣通過外加電動輪使行李箱的使用更加方便省力。

本設計采用STC89C51單片機做主控，通過光電編碼器采集電機速度，經過直流減速電機的測速與調速算法調節，使助力輪的速度趨近使用者拉動的速度，以達到省力的目的。本文設計的外置式行李箱電動輪具有輕便易于攜帶、可拆卸、占地面積小、可反復充電等特點。并且作為行李箱的外設，不會對貴重的行李箱主體造成影響，同時避免了更換智能行李箱所造成的花費。在人們追求高水平生活質量的當今，本裝置的設計與實現可以極大地滿足人們的需求。

1 系統總體設計

本文設計了一種可外加安裝在普通行李箱上的電動輪，主要由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件部分包括底板、直流減速電機、滾輪、電源、光電編碼器、單片機系統板以及電機驅動板等裝置;軟件部分為系統自動測速及調速算法。系統結構框圖及工作流程圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 STC89C51單片機

STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內含4K Bytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性。

2.2 MG513BP30直流減速電機及編碼器

MG513BP30為永磁有刷直流減速電機，工作電壓7-13V，減速比為1：30。在12V電壓下，額定功率7W，額定電流540mA，堵轉電流5.4A，堵轉扭矩15KG.cm。原始轉速15000rpm，減速后空載轉速500rpm。光電編碼器采用高精度AB相光電編碼器，尾部500線AB相輸出，減速比1：30的電機減速器輸出軸轉一圈，可以輸出15000個完整脈沖。且自帶上拉整形，單片機可以直接讀取。光電編碼器用于測量速度。

2.3 L298N驅動板

L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。

2.4 電源、底板及固定裝置

電源采用YSD12-5A鋰電池，輸入電壓12.6V DC，可同時輸出12V5A DC及5V1A DC。電源容量19000mAh。5V接口為單片機系統板供電;12V接口為電機驅動板單獨供電。電機驅動板為兩個直流減速電機及光電編碼器提供動力。底板采用鋁合金材料，質量輕強度高，且有固定帶連接孔可供此電動輪與行李箱連接。行李箱電動輪的整體結構圖如圖2。

2.5 硬件工作原理

根據系統總體設計，系統主控制器采用STC89C51單片機，外接12MHZ晶振。STC89C51單片機和直流減速電機驅動板安裝在單片機系統板上。

直流減速電機驅動板的驅動信號由STC89C51單片機提供，通過導線給予直流減速電機輸出信號。光電編碼器將速度信號反饋給單片機從而調節直流減速電機的速度。在行李箱行走過程中，滾輪旋轉帶動直流減速電機轉動，光電編碼器采集直流減速電機的速度，將信號傳遞給單片機，單片機將采集的信息進行處理，得到相應的輸出信號給直流減速電機驅動板中的電機驅動芯片L298N，L298N輸出相應的脈沖寬度調制（PWM）電流信號用以驅動直流減速電機，使其達到合適的省力扭矩。

3 系統軟件設計

3.1 小功率直流電機的調速原理

用單片機實現小功率直流電機調速是極為方便的。PWM全稱脈沖寬度調制（PulseWidthModulation），主要是通過改變占空比（即電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值）來控制電機速度。利用脈寬調制（PWM）方式實現調速的優點是電源的能量功率能得到充分利用，電路的效率高。例如：當輸出占空比為50%的方波時，脈寬調制（PWM）電路輸出能量功率也為50%，即幾乎所有的能量都轉換給負載。而電阻降壓調速時，要使負載獲得電源最大50%的功率，電源必須提供71%以上的輸出功率，這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上。

3.2 系統程序設計

根據調速系統硬件電路、信號傳輸形式、跟隨速度要求及行李箱特點等，制定了系統的工作流程，如圖3所示。

單片機內已燒入程序預設，為了使系統的速度更加穩定，程序將PWM占空比從0%到100%每隔10%設置一擋，共設置11擋，單片機輸出的PWM信號則可以是這11擋中的任意一擋。單片機通過光電編碼器進行10ms一次的速度采集，將采集到的數據與預設值比對，用T0定時器中斷改變占空比擋位完成相應的PWM輸出。電機驅動板采集單片機的PWM信號，改變從而實現電機轉速的改變。測速模塊的數據采集和PWM調速模塊的實時處理，使本產品的速度實時趨向于行李箱拉動時的速度，實現省力的目的。

4 實驗測試分析

本文中所設計的產品實驗測試分為兩部分，分別測定空載時的轉速與實際使用時在大理石地面上的轉速，轉速由插在單片機板上的1602液晶顯示屏顯示（僅為測試使用，產品實際使用沒有此裝置，故圖中未展示）。為了方便與人實際行走速度做對比，這里將轉速換算為對應的速度：輪子直徑[d]為0.064m，根據公式[v=π?d?r]可計算得到速度。

空載測試時，將產品輪子懸空，改變程序中的占空比值，記錄下顯示屏的實時轉速，此時的轉速僅為參考值。空載測試的目的是以此作為標準，通過與實際在大理石地面上使用時的轉速對比，判斷實際使用時是否達到目標的轉速。在相同占空比情況下，實際使用時的轉速達到空載轉速的35%以上就認為達到目標轉速。

表1與表2為空載測試時，改變占空比所測的數據。

當行李箱質量在5-10kg時，實際使用時轉速、速度與占空比關系如表3和表4所示。

在保證電動機正常穩定工作的情況下，最適宜的占空比為60%-70%，此時速度為0.9m/s-1.2m/s。成年人正常走路的速度約為1m/s，二者可基本保持一致。

實際測試時，使用者開始拉動行李箱，行李箱電動輪受力自動加速至使用者行走的速度，并能保持恒定;若使用者速度加快，行李箱電動輪會自動提速，直到與使用者行走速度一致;當使用者停止拉動時，行李箱會自動減速停止。

以裝置空轉測試的轉速區間為基礎，得出實際使用時合理的轉速區間分配。通過空載測試和實際測試結果的轉速分析，在占空比大于20%時，實際測試的轉速能達到空載轉速的35%以上，轉速值達到了基本目標。實際測試的轉速值換算為速度之后，與成年人正常走路速度做對比，在最佳占空比情況下（60%-70%），行李箱電動輪的速度與人走路速度基本一致。由此可得出結論：行李箱電動輪能夠給使用者提供有效的助力，并且在人正常走路的速度區間內，行李箱電動輪能保持最佳狀態工作。

5 總結

本文設計了一種行李箱電動輪。由電源模塊、測速模塊、PWM調速模塊和顯示模塊組成。測速模塊測量出的速度信號實時傳遞給PWM調速模塊和顯示模塊，顯示模塊顯示實時速度，PWM調速模塊將收到的速度信號與預設值比較后進行調速。經過理論分析與實際參數調整，實現了自動的加速減速功能，從而保證了在人拉動行李箱時助力輪速度與人的速度基本一致。但此裝置的使用依然有一定的限制，在地面阻力非常大時，將達不到理想的助力效果。但在大多數情況下，此裝置都能發揮巨大的作用，具有很好的應用價值。

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