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1、 机自16班机械部分 王剑虹 2110101145电路部分 佀昶 2110302019 软件部分 罗运运 2110101141自动循迹代步轮椅设计说明书 目录1、概述11.1总体概述21.2市场背景21.3适用人群32、机械部分42.1设计要求42.2具体机构设计和标准件选择42.2.1车架设计42.2.1.1前车架设计52.2.1.2后车架设计62.2.2电机选择62.2.3后轮选择72.2.4前轮选择82.3可靠性分析83、控制电路部分93.1主芯片选择93.2位置检查模块123.3电机驱动模块选择134系统软件的设计 184.1应用软件的设计184.2软件测试184.3电机选择204.4
2、轮椅转向系统的设计264.5具体程序代码28参考文献371、概述1.1总体概述自动循迹代步轮椅是一款辅助老人、残疾人士出行的自动循迹电动轮椅。其整体外观如图1.1所示。其设计思想是使用光电循迹原理，结合软件编程，机械控制等方法，达到自动循迹的效果。此产品设计过程中综合了机电一体化设计思想，将机械和电子有机结合起来，用电子辅助机械，使在功能不变的前提下结构尽量简单，运作可靠。产品的设计从用户角度出发，将产品设计得人性化。本产品使用电瓶作为动力，能源清洁，获取方便。车架选用钢材结构，保证强度的前提下，使结构紧凑可靠。轮胎使用实心橡胶轮胎，减震性能良好，避免用户充气的麻烦。图1.1 自动循迹轮椅整体
3、外观1.2背景市场随着能源短缺和环保需要，电动车所占的比重越来越大。相对传统机车，电动车拥有结构简单，能源清洁，重量轻，运行可靠，维修方便，价格低廉等优点。设计过程中采用了机电一体化设计思路，使机械与电子部分充分结合起来，机电一体化设计模式见图1.2。图1.2 机电一体化设计模式简介近几年，电动轮椅也逐步发展起来，并且逐年改进，功能越来越完善。可见在电动轮椅这个方向是很有市场前景的。本产品在结构上对普通电动轮椅进行了优化，使结构简单，运行可靠。在功能上加入了自动循迹功能，主要使用对象是不能自主活动的老人，病人和残疾人。对比老式电动轮椅，本产品主要有以下优点：1）、结构更加轻便、可靠；2）、设计
4、过程中采用了机电一体化设计思想，用电子控制机械，使功能更加齐全，结构简单；3）、加入了自动循迹功能，特别适合用于医院，疗养院，养老院使用；4）、电机，电瓶等部件使用标准件，维修方便，价格低廉；1.3适用人群本产品主打功能是自动循迹功能，即不需要外部人员和乘坐者的操作便可以循着事先规划好的路线前进，到达标准位置停下，返回等过程。适合用于医院，疗养院，养老院使用。未至于本产品时，一个护士或者工作人员只能照看一个病人，而在使用本产品后，一名护士可以同时照看多名病人。每位病人的轮椅按着事先安排好的路线前进，在病人运输，休闲散步等方面有着极大优势。相信本产品能为这些事业带来极大的方便。2、机械设计部分2
5、.1设计要求本产品要实现的功能主要有1）、能载人正常行走，遇到紧急情况能安全停车；2）、给老人、病人、残疾人使用，要求避震效果好；3）、能实现自动循迹功能；4）、结构合理，安全可靠；因此具体的设计要求如下：1）、能载重80kg以上，主要受力机构应力不超过需用值，保证一定的安全系数，变形不查过许用值；2）、通过对测得电路的分析，机械部分接受到电路部分的控制后能正确实现前进，后退，转弯，停车等功能；3）、有良好避震功能；4）、为方便携带和搬运，重量不超过70kg； 2.2具体机构设计和标准件选择2.2.1车架设计为达到良好的避震效果，车架分为前后两个部分，前后两车架使用螺栓和减震机构进行连接。连接
6、情况如图1.3所示。图1.3 车架总体结构2.2.1.1前车架设计前车架的主要结构如图1.4所示。前车架设计中重要使用了标准的方钢和圆管，材料为低碳钢，通过焊接的方式进行连接。为保证强度和足够空间，前车架采用双层结构设计。车架前方伸出圆管为连接脚踏板用。前车架通过螺栓与后车架和减震机构连接。侧边的圆环是连接扶手和前车轮用。图1.4 前车架结构展示2.2.1.2后车架设计后车架主要使用标准圆管焊接而成，主要结构如图1.5所示。前方通过螺栓与前车架连接，中间圆钢与电机连接，圆钢上焊接的方块用于电机的定位。中间中空的部位用于放置电瓶，为保证足够运行时间和路程，预留了较大空间来存放大容量的电瓶。后方伸
7、出的部分用于安装防倾倒的后轮。图1.5 后车架结构示意图2.2.2电机选择计算电机所需转速和扭矩，考虑减速器减速比，选择直流电机，12v电压。电机和减速器外观如图1.6所示。图1.6 电机及减速器外形展示2.2.3后轮选择考虑到电机转速和扭矩，所需的运行速度为10km/h，有良好的减震性能。选择14寸实心橡胶轮作为驱动后轮。外形如图1.7所示。轮毂为铝合金材质，轮胎为实心橡胶。后轮为驱动轮，通过两个后轮的转速差来实现转向。选用实心橡胶轮胎在保证良好避震性能的前提下避免了用户充气的麻烦。图1.7 后轮外形图2.2.4前轮选择前轮选择8寸万向轮，材质为塑料和橡胶。在后轮的驱动下，前轮随着转向。外形
8、如图1.8所示。图1.8 前轮外形展示2.3可行性分析取前车架和后车架主要部件进行受理分析，受力分析报告见附录。满足强度要求。3. 控制电路的设计控制电路作为控制程序的载体，主要分为主控芯片、位置检测模块和电机驱动模块。3.1主控芯片的选择经小组讨论，我们决定采用技术成熟且被广泛使用的80C51单片机。80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Li
9、ne Package），内有128个RAM单元及4K的ROM。80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。以下对其管脚进行简单的介绍。图3.1 80C51管脚图Vss(20脚):接地Vcc（40脚）: 主电源+5VXTAL1（19脚）:接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片
10、机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。RST（9脚）: 单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）PSEN（29脚）: 在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。PSEN端同
11、样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。ALE/PROG（30脚）:在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。EA/VPP（31脚）: 当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外
12、程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。在对87C51EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。输入/输出引脚：（1）P0.0P0.7 (39脚32脚)（2）P1.0P1.7 （1脚8脚）（3）P2.0P2.7 （26脚21脚）（4）P3.0P3.7 （10脚17脚） 图3.2 主控芯片外围电路主控芯片选择完毕后，还需对其外接电路进行设计。外接电路要与电机控制模块和位置检测模块相适应，同时一些基本的电路如晶振的接法和频率的选择，则参照有关资料进行连接。下面结合实际电路来介绍一下。每个单片机系统里都有晶振，全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合
13、单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。其实晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步如上图所示，给单片机加上晶振X1，查阅单片机资料。将其频率调
14、到22MHz。RC复位电路的工作原理是，上电前电容里的电荷放光，上电瞬间，电源通过电阻向电容充电，在充电过程中，RESET的电压慢慢上升，对外部电路进行复位，当RESET上升到复位高电平时，外部系统开始工作。这里存在两个问题，一个是必须合理选择电阻和电容的值否则复位时间过长或过短都不能满足要求，第二个问题是当系统正常复位后在工作状态下，电源突然有一个较短时间的大幅度抖动。因此设计复位电路主要考虑这两个问题来选取电阻电容值。 P1.0P1.5与L298N使能端和输入端相连，P0.0P0.2因为有AD转化功能，所以用来与光电检测器相连，接受位置信号。2.2位置检测模块位置检测采用反射式光电传感器。
15、其原理如下：图3.3 TCRT5000及其信号放大电路光电传感器由两部分组成，一个发光二极管和一个光敏二极管。给发光二极管通电，使其发光。若检测到黑线，则发出的光被黑线吸收，光敏二极管接收不到反射回来的光，OUT端输出则为低电平。反之则为高电平。我们通过市场调研，了解到TCRT5000比较常用，且性能可以满足需求，所以决定采用TCRT5000作为位置检测传感器。以下为它的基本参数：光学 - 反射式 - 模拟输出检测距离: 0.591 (15mm)检测方法: 反射电压 - 集电极发射极击穿（最大）: 70V电流 - 集电极 (Ic)（最大）: 100mA电流 - DC 正向(If): 60mA输出类型: 光电晶体管工作温度: -25C 85C考虑到控制系统和整体性能，我们决定采用三个TCRT5000检测位置。有关TCRT5000个数选择，在控制算法设计中进行具体介绍。2.3电机驱动模块的选择经讨论，我们决定选择L298N芯片对两个直流电机进行驱动。L298N电机驱动模块具有以下特点:1. 可实现电机正反转及调速；2. 启动性能好，启动转矩答；3
