设计要求小车在一个1.6m长的跷跷板上完成从跷跷板一端A点出发、向前行驶，自动在跷跷板另一端B点停止，并延时5s后自动返回至A点；发挥部分要求小车在跷跷板上自找平衡点并停车，并声光提示。
一、设计思路
为满足要求，设计共采用了8个电路模块，总体如下图所示。其中，单片机为控制系统核心，步进电机驱动模块选用STK672-040芯片完成。
二、硬件设计
1．单片机小系统设计
根据小车要实现的功能，采用Atmel公司的AT89S52作为主控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与80C51产品指令和引脚完全兼容。芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。AT89S52的I/O口很丰富，利用Pl、P2口进行声光提示及计时显示控制，P3、P4口对键盘监控及对步进电机驱动模块进行控制，所以只用一个芯片就能完全满足要求。
2．步进电机驱动系统设计
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。相比于直流电机，在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，且步进电机的转换精度高，驱动电路简单。本系统采用两相混合式步距角为1.8度的步进电机，并使用与之匹配的STK672-040芯片驱动，能较好的满足系统要求。
STK572-040具有承载3A电流的能力，对于两相步进电机具有极高的精确度与稳定性。只需接入单片机的相序信号及脉冲控制信号就能实现驱动电机前进、后退、加速、减速的功能，驱动电路如下图所示。
3．U形管平衡检测仪
自制U形管平衡检测仪如下图所示。该检测仪采用了摇摆递减算法，通过液面在U形管中的高度来检测小车是否达到平衡点的位置。没有达到平衡点时，小车自动寻找平衡位置，直至跷跷板平衡为止。该方案灵敏度高，精确度优于水银开关组，而且材料易得，可完全替代角度传感器。
4．边界位置检测模块
模块的核心器件是RPR220型光电对管。RPR220是一体化反射型光电探测器，发射器是砷化镓红外发光二极管，接受器是高灵敏度硅平面光电三极管。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管电路简单，工作稳定。足以实现对终点（边界）信号的检测。利用555定时器构成施密特触发器对接收信号整形，去除反射噪声，将边界信号转换成单片机能够识别的电平，并以此作为控制信号、控制小车停车或前进。
5．语音录放模块
语音提示采用音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路APR9600，单片电路可录放32~60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。录音时外部音频信号通过话筒输入和线路输入方式进入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器(Pre-Amp)中自带自动增益调节(AGC)．可由外接阻容元件设定响应速度和增益范围。电路如下图所示。
6．LCD显示模块
LCD显示器具有字符多样、显示信息量大、能耗低、寿命长等特点，我们选用1602ALCD显示模器，并利用单片机P2口进行程序控制。能显示小车从A点到B点所用的时间和行进的距离，当小车到达平衡点后、能显示所走过的路程长度和小车寻找平衡点所用的时间。电路连接如下图所示。
三、软件设计
程序主要分为两个部分，分别完成题目中对应的两种要求，通过单片机扫描键盘的状态来调用相应的子程序完成相应动作，键l按下时，完成题目的基本要求，小车从A点出发，向前行驶，自动在B点停止，并延时5s后自动返回至A点。键2按下时，小车完成发挥部分的动作，即完成从A点出发，向B点驶近，直到小车接收到平衡传感器传来的信号，停止在平衡位置，使跷跷板平衡。另外通过编程实现小车边界检测、控制LCD显示器模块1602A显示、控制驱动芯片发出相应相序、实现小车行驶时的计时及U形管摇摆递减算法等功能。主程序框图如下图所示。
最后经测试，该设计完全满足要求，能够实现预定功能，且反应灵敏、速度快。但在设计过程中发现，步进电机所需的电流较大，所以应选用大功率的直流电源供电。步进电机的质量及传动装置对小车的设计有着决定性的作用。另外，LCD显示器的接法、小车轮胎的摩擦力、上坡的速度、跷跷板面的颜色、光电对管的灵敏度也都对整个设计有着极为重要的影响。
