电动车跷跷板设计 采用AVR Mega系列单片机Mega16作为主控芯片Word下载.docx

电动车跷跷板设计 采用AVR Mega系列单片机Mega16作为主控芯片Word下载.docx

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综上考虑，我们采用步进电机。

3、倾角探测

自制倾角传感器。

车上固定一个重摆，重摆一端牵引分压电阻器，不同倾角下，返回的电压值亦不同，通过ADC读取电压值，从而获得小车所处位置倾角。

这一方案成本低廉，使用简单，但对车身的稳定性要求较高。

车速必须平稳到几乎没有任何加速度，且响应速度较慢。

采用集成倾角传感器。

本系统使用ZCT245AL－485双轴倾角传感器。

采样频率2～15HZ可调，分辨率可达0.1度，与单片机通过485进行通信。

传感器精度高，响应速度快，在这个对响应速度有特殊要求的系统中十分适宜。

出于对精度和响应速度的考虑，我们采用集成倾角传感器。

4、电机驱动板

使用分立元件进行搭建。

此方案成本低廉，但元件参数一致性不好控制。

使用L298电机驱动芯片进行电机控制。

单片机产生序列脉冲分别加至芯片输入口，输出口可控制步进电机。

此方案简单易行稳定。

故本系统采用L298驱动步进电机。

5、显示模块

LCD串行模式占用IO资源少，连接方式简单，显示内容丰富。

为了使人机界面更加友好，我们选用LCD作为系统的显示模块。

6、语音播报

利用STA013芯片对MP3进行解码，实现平衡状态的语音播报，这是我们独具特色的一个模块。

7、90度夹角内上板方案的选择

在跷跷板与地面接触线处放置引导光源，引导小车上板。

此方案需小车依靠光敏器件寻找光源方向，完成上板动作。

但上板后方向难以保证是准直方向，而且板宽较短，不易在板上进行小车准直调整，同时引导光源容易受背景光源的干扰。

在板纵向中央做一黑线带标志，与板平行并延长至地面，小车在给定范围内出发，先找到黑线带，循迹上板，这样可保证上板方向和以后行进方向的准直。

综上考虑，我们选择方案二。

8、重心微调方案

小车在平衡位置附近做小幅度前进后退动作，通过倾角传感器判断动作后结果与平衡的差距，并作出相应处理。

小车内内置一重物摆，可通过一个小电机调整重物摆的倾角，从而达到对小车重心位置微调的目的。

方案三：

小车内加置一个小丝杠，通过一个小步进电机带动丝杠运动，丝杠上夹持一重物块儿，完成对小车重心的微调。

出于对车体内部结构紧凑的考虑，我们采用方案三。

综上，我们采用：

自制车体、步进电机、L298控制步进电机、集成倾角传感器、LCD显示、循迹上板、丝杠夹持重物进行重心微调的方案。

（三）系统设计：

本系统采用AVRMega系列单片机Mega16为主控芯片，小车车体为四轮结构，其中两后轮为主动轮，采用两个独立的步进电机驱动，前轮可自由转动。

小车内部加重心微调装置，光电对管循迹装置。

其中重心微调装置由步进电机，丝杠，重物滑块构成。

外部有电池组，稳压模块，单片机最小系统板，倾角传感器，LCD显示模块和报警装置构成。

程序算法以贪婪法为主思想，实现平衡位置最短距离逼近调整。

由于车体有重心微调装置，在程序中有两级调差，两级调节共同作用，使得小车可以平稳快速的到达平衡位置。

（四）结构框图：

（见图1）

图1结构框图

二、理论分析与计算

（一）测量与控制方法：

平衡的调节以贪婪算法为主要思想，根据重心和平衡理论，平衡状态一定出现在跷跷板中点或者越过中点的位置，暂且称这些区域为危险区域。

因此在达到危险区域之前是不会出现跷跷板的状态变化，亦即处于安全状态。

所以根据这一理论基础可以在小车到达危险区域之前全速行驶，检测到贪婪位置后再进行状态的调整。

整体运动控制采用状态机理论，通过外部事件触发状态机的跳变，进行不同状态的处理。

利用时间片轮循实现多任务。

利用定时器将系统时间进行细分，中断中执行状态机的标志变换，然后再根据状态进行相关的命令处理。

微观上分时操作，宏观上同时操作。

完成电动车模式选择，计时，角度测量，循迹，LCD显示和平衡指示等功能。

在时间片轮循的基础上实现优先级设定，利用定时器将系统时间进行细分，中断中执行与优先级相关的变量的改变，根据变量的不同实现事件处理顺序的优先级设定。

（二）重心步进值计算：

小车总质量：

M车轮半径：

R车轮电机步进角：

α

微调重物块质量：

m丝杠螺距：

L丝杠传动电机步进角：

θ

丝杠上重物移动的步进距离

重心的步进步长为

在这个重心两级调节系统中，重心的步进步长可以做得非常精细，在

=

时，步进距可达到千分之一毫米。

三、电路与程序设计

（一）检测与驱动电路设计

1．光电对管电路

光电对管检测引导线，检测小车的行进路线是否为准直，电路图见附图1。

2．电机驱动电路

利用LM298驱动步进电机，电路图见附图2。

3．稳压电源电路

本系统所使用的电池组电压为12V，故需通过稳压电路为单片机提供5V电源，电路图见附图3

4.mp3语音播报模块

使用mp3对平衡状态进行语音播报，电路图见附图4。

（二）总体电路图（见附图5）

（三）软件设计与工作流程图

系统运行描述：

系统上电后LCD显示启动进度条，之后进行模式判断进入两种不同模式：

在板上调整平衡的状态：

全速运行到贪婪线，此阶段不进行角度的扫描。

随后减速运行，并即时扫描倾角。

到角度到达0度–n度范围内时进入微调阶段，n由丝杠所能调节的重心距离决定，当达到平衡状态时LED闪三下，LCD显示调整平衡成功并通过MP3进行语音播报。

在平衡位置停留5秒中后全速运行到B。

检测B并在B处停留5秒。

全速返回A处，显示全程时间数据。

爬板调整平衡的状态：

调整平衡的部分和在板上调整平衡一样。

平衡后扫描角度，当角度出现比较大的变化时判断为扰动并重新调节平衡。

停留5秒钟指示运动完成并显示相关数据。

图2程序流程图

四、系统测试

（一）基础部分任务完成情况测试（部分数据，详见附表一）

过程

测试数

A至C

C至平衡

C至B

B到A

平衡时倾角

第一次

6s

26s

14s

0.3°

第二次

25s

5s

0.5°

第三次

22s

13s

（二）发展部分任务完成情况测试（部分数据，详见附表二）

测试指标

完成时间

启动到第一次平衡

扰动后到新平衡

全程时间

新平衡处水平倾角

41s

45s

99s

38s

48s

110s

0.4°

42s

113s

（三）测试结果分析

在小车上坡过程中，由于我们使其尽量靠近其贪婪线，故行车速度和时间参数一致性好，在测试中表现得很统一。

反之，由于小车平衡点是个不稳定位置，只有在一个很窄的“危险区”内才有可能达到，因而，每一次平衡点的到达过程是一个不可预知运动过程，其时间参数有很大的离散型。

由于在到达“危险区”前和度过“危险区”后，小车全速前进，小车行车过程尽量把时间节余给调节平衡的过程，小车整体行车时间较为理想。

五、设计总结

在这短暂的四天三夜中，我们从拿到题时对系统整体功能的分析到最后作品的完成，遇到过许多棘手的问题，全队情绪曾一度低落。

一点点问题的发现到这些问题的逐一解决，我们克服了心理上的懦弱，坚定了信心，情况逐渐向明朗的方向前进。

在遇到困难甚至进度上的完全停滞时，我们最终顶了上来。

意志力帮助我们取得了胜利。

六、参考文献

[1]谭浩强.。

《C语言程序设计》（第二版）。

清华大学出版社

[2]王划一等。

《自动控制原理》。

国防工业出版社

[3]童诗白、华成英。

《模拟电子技术基础》。

高等教育出版社

[4]于海生等。

《微型计算机控制技术》。

附录

附图1光电对管电路

附图2电机驱动电路

附图3稳压电源电路

附图4mp3语音模块

附图5总体电路图

附表一：

基础部分测试数据

第四次

24s

第五次

28s

第六次

第七次

第八次

第九次

第十次

附表二：

发展部分测试数据

35s

105s

37s

52s

109s

39s

47s

119s

51s

117s

43s

49s

112s

53s

115s

部分源代码：

#include"

config.h"

constunsignedcharSet_F[]="

#00,FILT04"

;

//constunsignedcharSet_F[]="

#00,FILT30"

constunsignedcharSet_baud[]="

#00,*9600B"

constunsignedcharSet_encode[]="

#00,*AS"

constunsignedcharSet_zero[]="

#@@,&

Z"

constunsignedcharSet_output[]="

#00,*n"

uint8Angle[]="

"

voidUSART_Init（unsignedintbaud）

{

unsignedinttmp;

/*设置波特率*/

tmp=F_CPU/baud/16-1;

UBRRH=（unsignedchar）（tmp>

>

8）;

UBRRL=（unsignedchar）tmp;

/*接收器与发送器使能*/

UCSRB=（1<

<

RXEN）|（1<

TXEN）;

/*设置帧格式:

8个数据位,2个停止位*/

UCSRC=（1<

URSEL）|（1<

USBS）|（1<

UCSZ0）|（1<

UCSZ1）;

}

voidUSART_Transmit（unsignedchardata）

/*等待发送缓冲器为空*/

while（!

（UCSRA&

（1<

UDRE）））;

/*将数据放入缓冲器，发送数据*/

UDR=data;

unsignedcharUSART_Receive（void）

（UCSRA&

RXC）））

returnUDR;

voidsend_cmd（void）

uint8i;

USART_Transmit（'

$'

）;

voidGet_Angle（void）

uint8i=0;

if（USART_Receive（）=='

X'

）

{

Angle[0]='

for（i=1;

i<

15;

i++）

{

Angle[i]=USART_Receive（）;

}

Angle[14]=0x20;

Angle[15]=0x20;

}