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1、电动车跷跷板总结报告1电电 动动 车车 翘翘 翘翘 板板 总总 结结 报报 告告学校：组员： 2013.7.27电动车跷跷板总结报告2摘要摘要本系统采用一个能实时测量角度的角度传感器，采用STC12C5A 作为主控芯片， 外加四路循迹传感器，完成了规定时间内定点停车、保持平衡，倒车至指定位置、 能够沿直线行进，指示小车平衡，显示达到平衡的时间，显示总行驶时间等基 本的功能，并能基本完成在跷跷板有配重的情况下的基本动作。关键词关键词单片机 STC12C5A，角度传感器 MMA8452,L293D 电机驱动，四路循迹传感器一：方案论证与比较一：方案论证与比较1.1.微机控制模块微机控制模块 方案一
2、：采用 STM8S208C8 单片机，本开发板采用 ST 公司 8 位单片机 STM8S208CB，原理图简单，外部 IO 口较多，是一款简单实用高性价比的入门级 开发板。 方案二：采用 STC12C5A 单片机，该芯片由宏晶科技生产的单时钟/机器周期 （IT）的单片机，是高速/低功耗的超强抗干扰的新一代的 8051 单片机，指令 代码完全兼容传统的 51 单片机，但速度快 8-10 倍，内部集成 MAX810 专用复位 电路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制和强干扰。 因此，我们采用较为熟悉的 STC12C5A 单片机，并且它是 1T 的高速单片机，运 算速度
3、完全适合角度传感器，所以我们选择方案二2.2.车架模块车架模块 方案一：自己制作车架，采用铝板，通用板，木板搭构，结构灵活，能很好的 装相应的传感器 方案二：自行购买车架，这种车架结构牢固，价格低廉，车架上较多的孔，能 够用来装传感器和电机 因此，我们采用方案二，节省制作时间，提高工作效率3.3.电机模块电机模块 方案一：采用步进电机，步进电机有较大的扭矩，能通过单片机产生准确的步 幅，能够让小车移动较小的距离 方案二：采用直流电机，直流电机驱动简单，有较高的转速和扭矩 由于步进电机的价格较高，编程麻烦，且在这个项目中对电机的要求不高，直 流电机能满足要求，因此，我们采用方案二4.4.角度传感
4、器模块角度传感器模块 方案一：采用专用的平衡传感器倾角传感器。倾角传感器经常用于系统的水平 测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、 “液体摆”式、 “气体摆”三种倾角 传感器，倾角传感器是通过测量静态重力加速度的变化，转换成倾角变化。测 量输出传感器相对于水平面的倾角和俯仰角度，角度响应速度最快 5 次/秒。具 有 5 阶滤波。精度高响应速度快。电动车跷跷板总结报告3方案二：采用水银开关探测跷跷板平衡度，其原理是跷板左偏水银开关电路导 通，右偏水银开关断开电路不通，这样控制电动车在平衡点小角度来回摆动来 使跷跷板动态平衡，此方案测量灵敏、安装简单而且成本很低。 考虑测量数据的准确性，我们采用方
5、案一，在淘宝上购买了角度传感器 MMA84525.5.显示模块显示模块 方案一：采用 12864 液晶显示，12864 不仅能显示数字、符号，还能显示汉字 与图形，操作方法与其他液晶显示相似 方案二：采用 1602 液晶显示，1602 体积小，能显示字母、数字、符号，相比 与 12864 显示的内容较少 由于我们只需要显示电动车行驶的全部时间，已平衡的信号标志，相对显示内 容较少，且考虑到屏幕的大小，因此，我们采用方案二6.6.电机驱动模块电机驱动模块 我们直接采用 L293D 电机驱动电路，L293D 是一个具有高电压大电流的全桥驱 动芯片，它响应频率高，功耗大。因此我们选用 L293D 作
6、为步进电机的驱动， 而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能 优良。二：系统原理图二：系统原理图电动跷跷板采用STC12C5A 单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当 经过规定的起始黑线，红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始避障、调速；在电 动车进驶过程中，采用双极式 H 型 PWM 脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能； 系统原理图如下图：否 否是开始开始计时LCD 初始化寻黑线延时 ms读取角度值判断是否平衡小车前进小车后退液晶显示平衡 延时 5S前进是否到达 B 端显示时间 延迟 5S后退是否到达 A停止停止电动车跷跷板总结报告4寻线转向模块
7、设计寻线转向模块设计否否 否是是 是三：硬件设计电路三：硬件设计电路 1.循迹模块的电路设计 由红外发射管发射信号，当信号遇到反射后，黑色接受管接到信号，此时三极 管截至，输出低电平，发光二极管亮；当信号没有被发射时，黑色管接收不到 信号，此时三极管导通，输出高电平，发光二极管灭 电路图如下：我们在电动车的前后各装了两个光电传感器，在往前行驶的过程中，车前面的 两个光电传感器工作。小车向右行驶时，左边的检测到黑线，输出高电平，单 片机接受到信号，控制左边的电机减速，左右两边有一定的速差，从而实现小 车的寻线。我们在跷跷板的前端和末端贴了两条黑线，当小车行两边的传感器 全部检测到末端的黑线，说明
8、已到达终点，停止 5s，5s 后小车启动返回，当同 时检测到起点的黑线时，小车停止，整个行驶过程结束2.2.电机驱动电路设计电机驱动电路设计停止系统初始化前进左边前进向左转判断传感器是否检 测白线检测哪个对管为高电 平向右转检测两边是否为白线电动车跷跷板总结报告5驱动电路如下：L293D 四倍高电流 H 桥驱动程序。 L293D 提供双向驱动电流高达 600 毫安，电压是从 4.5 V 至 36 V 的。该设备是专为驱动等感性负载继电器，电磁阀，直流双极步进和马达， 也可以给其他高电流/高电压提供电源负载。 其中，我们采用两块 L293D 芯片实现四轮驱动，每个电机的 INX1，INX2 接单
9、- 片机，OUT 分别接电机的正负极，利用单片机的控制来实现小车的前进、后退 与拐弯。3.3.液晶显示模块液晶显示模块 液晶电路结构如第一行将显示小车第一阶段、总过程的时间，第二行将会显示小车平衡的标志 4.4.电压转化模块电压转化模块q48050q2 8050q1 8550q38550r110kr210kr4r3M12A74LS0612A74LS0612A74LS0612A74LS061K1KVCCD1D3D2D410K10K电动车跷跷板总结报告6电路图如下： 5V 转 3VLM317 是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形 式，又具备输出电压可调的特点。此
10、外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波 抑制比高等优点。lm317 是可调节 3 端正电压稳压器，在输出电压范围 1.2 伏到 37 伏时能 够提供超过 1.5 安的电流，此稳压器非常易于使用。 我们只要调节 R2 的阻值就能达到想 要的电压 3.3V。5.5.角度传感器模块角度传感器模块MMA8452 内部测的是 X,Y,Z 轴的加速度，通过单片机读取到三个值，通过反正切 arctan 运 算出角度值。因为这是经过运算得到的有较大的误差，尤其在有外部抖动的情况下，因此 我们只是用一个粗略的范围来判断小车是否平衡。计算公式为：a=(Vout-Voff)/sensitivity;a=(V
11、out-Voff)/sensitivity; 角度角度=arcsin(a);=arcsin(a);901600mmAB配重物体C200mm400mm图1 起始状态示意图电动车跷跷板总结报告7跷跷板长约 1600mm，高约 70mm，理论的倾角为 5 度左右，平衡时倾角为 0 度，因此我们只 要求当小车测的角度在-3 至 3 即可认为平衡四四: :软件设计软件设计系统软件设计说明系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可
12、分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块” ，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：1、 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；2、 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序、角度子程序中断
13、子程序、显示子程序调速子程序转向子程序构成。具体程序见附录五：系统调试与测试五：系统调试与测试1.1.模式选择模块模式选择模块模式一：（按键 P30）当按下按键时，小车将直接进行寻线，在延时一段时间之后，关闭寻线，开启测角度功能，当现角度大于给定的范围时，小车向前行驶一段时间，并向后行驶一段距离，以一进一退的方式前进；当角度小于规定的角度时，小车以一退一进的方式前进，直至小车达到平衡模式二：（按键 P31） （在跷跷板有配重的情况下）当按下按键时，小车会在跷跷板之外30 厘米处的任意处开始寻线，当车前的两个光电管都接受不到信号时，延时，小车开始寻线。我们在跷跷板的一段端贴了一条黑胶布，当检测到
14、黑线时，小车开启角度测量，开始寻找平衡点，寻平衡的方式与模式一相同。2.2.平衡显示模块平衡显示模块我们首先采用的是小车每步以很小的距离前进，并延时一段时间，再检测小车是否平衡。电动车跷跷板总结报告8如果不平衡的话，小车就继续前进或后退。但经过几天的尝试，我们发现小车的重量较轻，木板较重，当小车到达平衡点时，木板仍处于上翘状态，只有当小车再往前几厘米时，有一定的力矩时，木板才会移动，但此时小车已经过平衡点。小车将会进入死循环，很难找出平衡点。我们后来选用了两个方案：方案一：增大中心轴直径，用以增大摩擦力；当摩擦力增大时，能够较好的缓冲木板下落时的速度，能够很好的削弱下降时的惯性，后经我们实验，
15、增大中心轴直径能更加容易找到平衡点方案二：小车以一进一退的方式前进或后退，我们采用这种方式行进的距离也很小，大约在 1cm 左右，但这方法的好处在于当小车快平衡时，小车前进的距离已超过平衡点，此时木板有向下的趋势，在前进一段距离之后，小车马上往后移动一定的距离，此时总的移动距离较小，但在小车后退的过程中，木板又往后压。通过这个过程能使木板翘起，这样小车能比较简单的完成动作。后经过小组讨论，我们认为加粗中心轴直径效果虽好，但有投机取巧的嫌疑，方案二能通过简单的延时函数就能实现小车的前进和后退，遂我们采用方案二根据题目要求计算得木板的最大倾角在 5 度左右，但在我们实际用传感器测得最大倾角在10
16、度左右，经过我们几天的调试，当角度在-6 到 6 时我们即认为小车达到平衡，此时平衡效果较好，能达到题目要求3 3：供电模块：供电模块L293D 电机驱动电路能输出最大峰值为 1A 的电流，在调试的过程，我们采用了多种电源，包括 1.5V 的干电池，8V 的充电锂电池，和数控直流稳压电源。由于 8V 的锂电池输出电压较高，电机的转速较高，很难实现电机的控制，这样会导致小车在行驶的过程中不稳定，不利于寻找平衡点，在提高电压的同时会出现电机转速不一样的情况；采用数控直流稳压电源虽然能输出 0250v 的电压，但必须连上电源线，比较麻烦，有时会因为操作不当导致输出电压过高，损害仪器；干电池采用串联的形式，电压能达到 6v 左右，经过长时间使用，压降不会有太大的变化。因此，我们采用 4 节电池串联供电 五：参考文献五：参考文献1.黄根春等编著全国大学生电子设计竞赛教程基于 TI 器件设计方法 电子工业出版社 2.赵建领编著 51系列单片机开发宝典 电子工业出版社 3.张毅刚,彭喜元,新编MCS-51单片机应用设计,第一版 哈尔滨工业大学出版社 4.赵负图,传感
