复杂机电系统二部二组研制笔记Word格式.docx
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图1-2弹跳玩具小车
我们也调查了市面上存在的弹跳玩具小车。
普遍采用的是两轮结构，以最大程度简化小车，达到减轻重量、方便控制的目的。
但是能实现的弹跳功能普遍不理想。
大概最高高度为80cm,而且对弹跳的方向控制很差。
1.2实施方案制定
在分析清楚沙蚤的工作原理和实现难点之后，我们初步进行了如下的规划：
1）弹跳实现方式：
采用气缸、气罐组合，为小车提供弹跳力；
2）减震措施：
由于落地时轮子受到很大的冲击，我们选择制造多孔的塑料车轮；
3）控制方法：
采用单片机，利用蓝牙实现对小车的控制。
1.3任务分工以及时间节点划分
整个项目分为机械部分和控制部分。
设计方案由整个小组共同完成。
刘猛和李贤睿负责小车的机械部分，胡杰和郭文新负责小车控制部分的实现。
机械部分包括小车的具体结构设计，具体零部件布局，零部件加工以及组装。
控制部分包括芯片选型，控制程序编写与调试。
时间节点和整个部的时间节点保持一致。
2.弹跳功能实施
2.1弹跳机构设计、实验与制作
2.1.1气缸排气弹跳式
总体结构如下图：
图2-1总体结构
设计整车质量为5KG，中间蓝色体为储气瓶，灰色带支架部件为弹射缸，设计通过高压快速排气阀瞬间排气使弹射缸内充满气体推动推杆，产生冲击力冲击地面，把车体弹起。
但是经过购置气缸、排气阀等做实验发现，冲击力极小。
图2-2气缸测试
分析出的原因为：
储气罐气体排放是按一定速度进入弹射缸，另外，管路、排气阀有阻力且漏气，成品气缸阻尼大、受力面积不详，弹射缸内并不是瞬时高压，由于根据计算初选罐内压为0.6兆帕是按直接静压力算得的，与实验条件不符。
拟采取措施：
增大储气罐内压、改进弹射缸结构。
下图为0.22升30兆帕储气瓶和最高压35兆帕打气筒。
图2-3改良思路
管路可采用高压管路，弹射缸按初始设计尺寸自己加工，可以实现原有目的。
下图为设计图：
图2-4整体二维图
最终由于高压弹射摔落时储气瓶受到冲击过大，考虑到安全因素，放弃了此方案。
2.1.2螺杆螺母压缩弹簧式
设计3D图如下：
图2-5弹簧弹跳三维图
爆炸图如下：
图2-6弹簧弹跳爆炸图
机构草图如下：
图2-7机构草图
零件清单如下表：
DC电机
联轴器
推力球轴承
螺杆
螺母
推片
弹簧
1个
外套同
内套筒
定位螺栓
卡锁机构
2个
2副
设计过程：
1）弹簧选用
按起跳1米计算，另外加损失系数，选取刚度系数k=17000，外径30mm，簧径6mm，据此选购了长度为160mm，压缩距离为80mm，最大受力170kg的弹簧。
图2-8弹簧选型
2）螺杆螺母强度计算
根据机械设计手册，按螺杆强度进行设计，按螺母强度进行校核，计算得：
d=10mm，d1=7.5mm,d2=9mm,选用导程2mm,螺杆材料45，螺母材料铜。
同时根据拧紧力矩的计算求得电机输出扭矩为1.68N.m,即16.8kg.cm。
据此加工定做了螺杆，选购了螺母和驱动电机和联轴器。
如下图：
图2-9螺母和联轴器
电机选用直流电机，通过控制运行时间调整运行行程。
图2-10直流电机
3）内外套筒的设计
内外套同用于给弹簧导向，根据弹簧和变形尺寸设计，实物图如下：
图2-11套筒实物图
二维图纸：
内筒：
图2-12内筒二维图
外筒：
图2-13外筒二维图
4）卡锁机构的设计
卡锁机构用于锁紧和释放弹簧力，设计了推片推动卡轴，使卡轴后撤，除去对内筒的约束力，使内筒在外筒导向作用下弹出，释放弹簧力。
图2-14卡琐机构
卡壳：
图2-15卡壳二维图
卡轴：
图2-16卡轴二维图
螺帽：
图2-17螺帽二维图
图2-18推片实物图
二维图纸为：
推片：
图2-19推片二维图
5）弹射机构装配实物
3弹跳小车抬头及固定结构方案的设计
3.1抬头结构设计探讨
经过和组员针对控制模块的探讨与实践发现，要实现对舵机的控制来实现小车抬头是一件复杂的事，特别是精确控制舵机使小车完成60°
的抬头更是要经过长时间的调试。
鉴于时间成本与控制方面知识的欠缺，我们设计了60°
的三角块，来搭设丝杠螺母弹跳机构，实现弹簧与地面成60°
角。
3.2三角块简图
三角块底板上开有六个Φ6深5的光孔，通过螺栓螺母与小车铝合金板装配。
斜边和直角边加了筋板，增加三角块强度。
斜面上大孔为减重孔。
图1三角块设计图
3.3丝杠螺母弹跳机构固支结构设计
组员刘猛计算，设计并购买了丝杠螺母弹簧弹跳机构，为了对各机构进行装配，设计了相应的固支板。
底板上大孔为减重孔。
图2固支板设计图
固支板与弹跳机构装配图如下图所示：
图3固支板与天条机构装配图（A）
固支板与天条机构装配图（B）
3.4结构方案的加工
3D打印技术目前风靡全球，借这次实践课的机会，组员们也想拥有自己的3D打印作品，因此选择了通过3D打印技术来加工固支板和三角块。
考虑到强度因素，我们选择了高强度的光敏树脂材料，并对固支相应部位进行加厚处理，对三角块进行了加筋板倒圆角处理。
通过对加工厂的咨询，了解到三角块与固支板在3D打印时，能一体化打印，省去了通过螺栓螺母进行装配的繁冗操作，打印图如下：
图4固支板与三角块3D打印图（A）
固支板与三角块3D打印图（B）
3.5小车车身结构
小车采用铝合金基板，安装四个减速电机单独驱动四个车轮。
金属结构，载重能力大，抗冲击能力好，整车长度170mm,整车宽度175mm。
电机额定电压6V，空载转速133RPM，减速比1：
45，重量约90克。
整车约重725克。
图5小车机构
4.控制部分设计
4.1整体控制结构
小车的控制部分，需要综合小车的行动控制、弹跳系统的控制等一系列过程。
控制系统的总体结构如下图所示：
图4-1控制结构图
我们设计的控制器采用msp430单片机作为下位机处理器，上位机串口通信电路和蓝牙通信模块组成。
下位机主要由蓝牙通信模块、电机驱动模块和超声波测距模块以及电源模块等组成。
其中，上位机和下位机之间的通讯采用的是HC05主从一体蓝牙通讯。
HC05蓝牙模块带EDR，采用2Mbps~3Mbps调制度，内置2.4GHz天线，用户无需调试天线，给我们的使用带来了方便。
而且，该蓝牙模块工作在3.3V，供电较为方便。
HC05是采用CSRBC04的蓝牙芯片技术，能自适应跳频，体积小，非常适合用在小车上通讯。
4.2MSP430单片机简介
现在市面上流行的控制系统处理器非常之多，比如经典的Intel控制的8051系列，Atmel公司的Avr己系列，Philips公司的LPC2100系列，和TI公司的MsP430系列。
本设计选用MSP430单片机，MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，由于具有F1ash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。
这是TI公司推出具有FLASH型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具.
MSP430F5529将国际上先进的JTAG技术和FLASH在线编程技术引入MSP430。
这种以FLASH技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个。
较为理想的样机开发方式。
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（对SC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；
大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；
还有高效的查表处理指令；
有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125璐。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。
当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6惦。
丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（TimerA）、定时器B（TimerB）、串口0、l（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位／12位ADC、ⅡC总线直接数据存取（DMA）、端口0（PO）、端口l~6（Pl~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。
MSP430系列单片机的这些片上外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FIASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。
这种方式只需要一台PC机和1个，JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
4.3MSP430f5529管脚配置
引脚号
引脚功能
硬件连接
电机模块
P2.0
TA0CCR0
ENA
P2.1
TA0CCR1
ENB
P4.0
I/O
IN1
P4.1
IN2
P4.2
IN3
P4.3
IN4
蓝牙模块
P3.3
RX
TXD
P3.4
TX
RXD
3.3V
GND
超声波测距
P5.1
TRIG
P5.2
ECHO
VCC
4.4运动控制电路设计及实现
4.4.1L298驱动模块和控制基本原理
L298N芯片可以驱动两个二相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电压来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。
通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
将其OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别接2个电机，IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制电平，控制电平的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。
逻辑功能如下：
左电机
右电机
状态
1
正转
前行
反转
左转
停
以左电机为中心左转
右转
以右电机为中心右转
后退
接线方式如下：
图4-2电机驱动
L298N可以直接对电机进行控制，无须隔离电路，亦能够满足直流减速电机的大电流要求，调试时，可以用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。
对电机的调速，采用PWM调速的方法。
PWM的原理是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压为U=Vcc*（t/T）=a*Vcc。
其中a=t/T为占空比，Vcc是电源电压，电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。
4.4.2定时器基本原理
定时器A功能模块主要包括：
（1）计数器部分：
输入的时钟源具有4种选择，所选定的时钟源又可以1、2、4或8分频作为计数频率，TimerA可以通过选择4种工作模式灵活的完成定时/计数功能。
（2）捕获/比较器：
用于捕获事件发生的时间或产生时间间隔，捕获比较功能的引入主要是为了提高I/O
端口处理事务的能力和速度。
不同的MSP430单片机，TimerA模块中所含有的捕获/比较器的数量不一样，每个捕获/比较器的结构完全相同，输入和输出都取决于各自所带控制寄存器的控制字，捕获/比较器相互之间完全独立工作。
（3）输出单元：
具有可选的8种输出模式，用于产生用户需要的输出信号，支持PWM输出。
定时器的工作模式包括：
（1）停止模式：
停止模式用于定时器暂停，并不发生复位，所有寄存器现行的内容在停止模式结束后都可用。
当定时器暂停后重新计数时，计数器将从暂停时的值开始以暂停前的计数方向计数。
例如，停止模式前，TimerA工作于增/减计数模式并且处于下降计数方向，停止模式后，TimerA仍然工作于增/减计数模式，从暂停前的状态开始继续沿着下降方向开始计数。
如果不需这样，则可通过TACTL中的CLR控制位来清除定时器的方向记忆特性。
（2）增计数模式：
捕获/比较寄存器CCR0用作TimerA增计数模式的周期寄存器，因为CCR0为16位寄存器，所以该模式适用于定时周期小于65536的连续计数情况。
计数器TAR可以增计数到CCR0的值，当计数值与CCR0的值相等（或定时器值大于CCR0的值）时，定时器复位并从0开始重新计数。
增计数模式的计数过程如图4-2所示。
通过改变CCR0值，可重置计数周期。
（3）连续计数模式：
在需要65536个时钟周期的定时应用场合常用连续计数模式。
定时器从当前值计数到单增到0FFFFH后，又从0开始重新计数。
（4）增/减计数模式
需要对称波形的情况经常可以使用增/减计数模式，该模式下，定时器先增计数到CCR0的值，然后反向减计数到0。
计数周期仍由CCR0定义，它是CCR0计数器数值的2倍。
使用定时器可以产生定时中断、定时脉冲和
PWM（脉宽调制）信号。
PWM信号是一种具有固定周期T和不定占空比t的数字信号，如果PWM信号的占空比随时间变化，那么会产生不同的模拟信号。
在输出模式7下，每次TA计数值超过TACCRx时，TAx引脚会自动置低，当TA计数至TACCR0时，TAx引脚会自动置高。
因此实际的输出波形就是PWM调制方波。
只需要改变TACCR0的值即可改变PWM方波周期，改变TACCRx即可改变从TAx引脚输出信号的占空比：
TACCRx越大，占空比越大。
从而达到控制电机的目的。
4.5蓝牙通讯模块功能图
如图所示，通过处理上位机传来的控制信号，单片机能够控制电机的运动，从而控制小车的运动。
驱动电路
电机
单片机
上位机信号
4.6超声波测距的原理及实现
单片机给出最少10us的高电平信号，采用IO口TRIG触发测距;
模块自动发送
8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；
有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速）/2。
对于定时器的中断：
其中包括溢出中断、IO中断等。
在比较模式下，当主计数器计至TA0CCRx时，计数满标志位置1。
在捕获模式下，当捕获条件发生，相应的标志位置1。
CCIFG标志会在中断执行后自动清零，其余模块共用了中断入口，他们的CCIFG标志位会根据TA0IV寄存器的值在知行相应的中断后自动清除。
中断语句格式为
#pragma
vector=Timer0_A1_VECTOR
Timer0代表的是TA0或者TB0，A1代表的是处理的中断由非CCR0的寄存器产生，否则A0指的是由CCR0产生
__interrupt
void
TA0_ISR（void）//void后面的名称随意，声明是中断服务程序
PxIE寄存器用于设置每一位I/O的中断允许，PxIES寄存器用于选择每一位I/O的中断触发沿。
在使用I/O口中断之前，需要先将I/O口设为输入状态，并允许改为I/O的中断，再通过PxIES寄存器选择触发方式为上升沿触发或者下降沿触发。
PxIFG寄存器是I/O中断标志寄存器：
0=中断条件不成立
1=中断条件曾经成立过。
无论中断是否被允许，也不论是否正在执行中断服务程序，只要对应I/O满足了中断条件，PxIFG中的相应位都会立即置1并保持，智能通过软件人工清除。
这种机制的目的在于最大可能的保证不会漏掉每一次中断。
在MSP430系列单片机中，P1口的8个中断和P2口的8个中断各公用了一个中断入口，因此该寄存器另一个重要作用在于中断服务程序中用于判断哪一位I/O产生了中断。
IO中断的语句格式为：
vector=PORT1_VECTOR
P1_ISR（void）//声明一个中断服务程序，名为P1_ISR（）
实物图如图所示：
图4-3超声波模块
其中VCC为3.3V供电，GND为地线，TRIG为由单片机输入的触发控制信号，ECHO为回响信号。
舵机
超声波模块
返回信号
如图所示，通过超声波测距模块测得的障碍物高度，发送到单片机，经过单片机处理后，控制舵机的转动来实现弹跳高度的控制。
4.6相关程序及实物图
图4-4部分程序
图4-5实物图
4.7运动小车控制上位机研发
知识储备：
1、了解msp430硬件原理
2、掌握msp430软件编写流程，控制方法，通信原理
3、学习掌握程序开发流程
开发界面：
图4-6上位机界面
控制原理：
1、连接蓝牙模块值电脑，设置好串口名、波特率等通信参数，打开串口通信，显示串口状态连接中即连接成功。
2、点击开始按钮，小车处于通电模式。
3、前进、后退、左转、右转分别控制小车运动，可调整运动速度和转弯角度。
4、起跳控制部分：
首先小车运动到障碍物自动停止，测量高度，然后把测量高度发回给pc显示在预判高度文本框中，然后起跳高度文本框自动读取数据，认为判断是否合理，不合理则认为调整高度，然后点击起跳按钮，控制小车起跳部分，电机压缩一定弹簧量然后起跳。
5、工作完成后，电机停止按钮，小车停止运动，断电处于待机状态。
6、退出键关闭界面。
5.工作总结
在整个复杂机电设计过程中，遇到了很多问题，也收获了很多。
首先，是时间节点的把握。
因为材料采购和方案的更换，使得我们的进度有些落后。
部分原因也是因为我们没有对可能会出现的问题制定后备方案，在方案出现问题之后，再来制定第二个方案浪费了我们很多宝贵的时间。
其次，是组员之间的配合。
组员之间良好的配合对于整个项目的正常进行有很大的影响。
在整个复杂机电的设计过程中，组员虽然都能积极参与，但是相互之间的沟通还是不够，导致有些问题不能及时解决，影响整体的进度。
最后，这个项目给我们今后掌控好一个项目提供了宝贵的经验和参考。
做好一个项目不仅仅需要很好的知识储备，更需要团队之间的合作和配合。
并且，需要对可能会出现的问题做合适的准备，减小突发事件对进程的影响。
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