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1、具有自平衡装置的电动车跷跷板摘要：电动车跷跷板是第八届全国大学生电子设计大赛的题目之一，本设计在四川赛区获得了一等奖，在全国竞赛中获得了二等奖。本制作是一种能在跷跷板上行驶，并且可以在跷跷板上自动找到平衡点的电动车。它以 MC9S12DG128单片机作为控制核心，由驱动调速模块、路面检测模块、显示模块、电源模块等几部分组成。本制作设计了平衡杆力矩补偿装置，使调节跷跷板的平衡精度更高。关键词：MC9S12DG128 单片机 单轴倾角传感器 SCA61T 摄像头 PWM 调速Abstract: The electric car seesaw is one of eighth session of
2、national university student electron design big game topics, this design has won the first award in the Sichuan contest area, has won the second prize in the national competition. This manufacture is one kind can go on the seesaw, and may find the balance point automatically on the seesaw the electr
3、ic car.It by the MC9S12DG128 monolithic integrated circuit took the control core, by the actuation velocity modulation module, the road surface examination module, the demonstration module, the power source module and so on several parts is composed. This manufacture has designed the equalizing bar
4、moment of force compensation system, causes the adjustment seesaw the balanced precision to be higher.Key word: MC9S12DG128 monolithic integrated circuit Single axle inclination angle sensor SCA61T camera PWM velocity modulation汽车作为人们交通的工具，随着计算机技术、通信技术、传感器技术等的发展，智能汽车的研究成为汽车发展的一大趋势。本制作是一种能在跷跷板上行驶，并且可
5、以在跷跷板上自动找到平衡点的电动车，包括车体、车轮、电源、控制电路、驱动电路、传感器和控制开关等部分。它以 MC9S12DG128 单片机作为小车的控制核心，采用红外反射传感器和摄像头同时工作，精确检测引导线；采用单轴倾角传感器 SCA61T 检测倾角信息，稳定性较好；采用字符液晶显示屏的显示时间，倾角等信息，更加直观方便；采用场效应管组成的 PWM 控制电路，效率高，开关速度快，稳定性强。利用软件计算并控制小车自动在跷跷板上寻找平衡点，保持平衡状态。本制作还设计了平衡杆力矩补偿装置，使调节跷跷板的平衡精度更高 。其系统组成见图 1。 红外反射传感器液晶显示屏C9S12DG128M前进摄像头后
6、进摄像头角度传感器转向前轮舵机平衡杆伺服电机换向控制继电器小车驱动电机7.2V 电池斩波升压12V5V稳压6V稳压系统电路组成框图1 硬件电路的设计与实现1.1 驱动电路本电路采用的是基于 PWM 原理的场效应管电路。这种电路由于工作在管子的饱和截止状态下，效率非常的高。开关速度快，稳定性强，能够调整电动机转速。1.2 路面检测模块红外反射传感器判断黑线快速准确，稳定可靠，检测距离近。摄像头采集点多，探测距离远。我们将红外反射传感器和摄像头有效的结合在一起使用，用两个摄像头分别在前进与倒车时检测引导线，利用一对红外反射传感器检测起点和终点。电动车可以从跷跷板起点到达终点，而且可以从终点倒退回起
7、点。红外反射传感器和摄像头安装位置示意图见图 2。倒车摄像头红外反射传感器前后前图 2 红外反射传感器和摄像头安装位置示意图前进摄像头1.3 平衡调节模块电动车在跷跷板上运行时需要实时检测跷跷板的倾角，我们采用性能优异的 SCA61T 系列单轴倾角传感器。它的工作原理是利用测量重力加速度的分量通过计算将模拟输出量电压转化为绝对倾角。转换公式如下： ySensitvofVuarci其中， ofset是设备在 0g 位置时的电压输出（一般输出值为 2.5V） ，ySniv是设备的灵敏度（通常灵敏度为 2V/g） 。通过显示坡角确定平衡点。设计说明中对平衡的定义是 A、 B两端与地面的距离 BAd不
8、大于40mm。由于电动车有一定的质量，小车在行驶到平衡位置刹车时，惯性会使跷跷板产生来回振荡，甚至失去平衡。为了避免使跷跷板产生来回振荡，我们就控制小车在行驶到平衡位置附近时把车速降到很低，但依然不能避免跷跷板产生振荡的问题。于是我们设计了力矩补偿装置伺服器微调平衡杆，见图3，图 4 为平衡调节杆受力分析。平衡调节杆跷跷板水平线小车图 3 伺服器微调平衡杆由图可知，平衡杆补偿的力矩为：T=(mgL/2)sin它与、杆长 L、杆的质量 m 有关。当杆长 L、杆的质量 m 一定时，就只与 有关。伺服器可以控制平衡杆在-90 90范围内旋转，因此此装置可补偿力矩范围是: -mgL/2 mgL/2。我
9、们选用了 24cm 长，184g 的平衡杆，是小车总质量的 11.7%。利用平衡杆可调节小车的重心的偏移量为：-1.4cm1.4cm，可见此平衡杆微调小车重心的范围比较大，也比较理想。1.4 显示模块液晶显示屏显示方式为 2 行显示 16*2 个字符。主要由 LCD 显示屏、控制器、驱动器、偏压产生电路构成。本设计中用于显示跷跷板角度，小车运行时mg L图 4 平衡调节杆受力分析间以及小车运行状态等。 2 软件部分的设计与实现MC9S12DG128 单片机是 Motorola 公司 M68HC12 系列 16 位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和 CAN 功能块部分组成，基本结构
10、包括：中央处理器单元 HCS12（CPU） 、2 个异步串行通信口 SCI、2 个同步串行通信口 SPI，8 通道输入捕捉/输出比较定时器，1 个 8 通道脉宽调制模块以及 49个独立数字 I/O 口（其中 20 个具有外部中断及唤醒功能） ，在片内还拥有128KB 的 Flash ROM，8KB 的 RAM 和 2KB 的 EEPROM。MC9S12DG128 作为小车整个控制部分的核心，负责对路面引导线的检测与与坡度检测，控制驱动伺服电机，数据显示等功能。2.1 主程序的设计数据初始化键盘按下？设置参数，按下发车键采集前进摄像头数据走偏？采集角度传感器数据路面水平？舵机调整调整平衡停止 5
11、 秒，蜂鸣器报警后发车探测红外反射管到达 B 区？停止 5 秒采集倒车摄像头数据走偏？探测红外反射管到 A 区？停车结束开始YNNYYNYNNYYN采集前进摄像头数据舵机调整N走偏？Y舵机调整2.2 平衡调节模块软件设计通过角度传感器实时检测跷跷板角度，判断是否处于平衡位置。当小车行驶到平衡位置附近时，采取逐步减小步进数的方法调整。当小车行驶到平衡位置时使小车刹车，但由于惯性的存在，它会越过平衡点一些距离，甚至很多时候跷跷板会产生振荡。 此时利用力矩补偿装置进行微调，循序渐进的进行力矩平衡调节，最后使整个系统处于平衡状态。平衡杆的调节也不能过快，一步调节到位系统会发生振荡，跷跷板会在平衡位置附
12、近不停的抖动。因此必须循序渐进的慢慢调节平衡杆的角度使跷跷板处于平衡状态。为了增强可靠性，采取连续 5 次检测到平衡后才启动平衡报警程序的除干扰算法。平衡调节模块程序流程图：开始采集跷跷板倾角连续采集 50次倾角=0？调整平衡声音报警 5 秒钟结束NY五、结论本设计在硬件上使用了红外反射传感器和摄像头检测路面，解决了因摄像头的自身精度的差异或其外部因素使其数据丢失，影响电动车的正常运行，增强了抗干扰能力。在软件上，我们使用优化算法，克服了干扰，在MC9S12DG128 单片机上实现了车速控制，自动转向，智能倒车，精确定位等功能。参考文献：1 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法M. 北京：清华大学出版社，2004.10 .2 何克忠，李伟.计算机控制系统M. 北京：清华大学出版社，1998.4.
