电动车跷跷板设计 采用AVR Mega系列单片机Mega16作为主控芯片.docx
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电动车跷跷板设计采用AVRMega系列单片机Mega16作为主控芯片
摘要：
本系统采用AVRMega系列单片机Mega16作为主控芯片，利用定时器中断产生序列脉冲控制步进电机动作和变频调速。
行程中使用红外对管探测引导线进行路线的准直调整及边缘检测。
使用倾角传感器完成倾角探测实现平衡的调节。
并利用STA013芯片对MP3进行解码，实现平衡状态的语音播报。
各动作过程中小车所用时间及与小车与水平面的夹角通过LCD即时显示。
关键词：
Mega16倾角传感器步进电机
Abstract:
ThissystemadoptsAVRmicroprocesserMega16asmaincontroller.TheprocesserdirectsthemotionofthemotorbyasequenceofpulsesgeneratedbytheMCUtimerinterruption.Inthepurposeofadjustingitsequilibrium，thissystemutilizestheinclinationsensortomeasuretheangleofhorizontalinclinationIntheprocess,andboundarydetectiscompletedthecollimationadjustmentinthehelpofthelightsensors.STA013isputtousetodecodethemp3,thustoreporttheequilibrium.ThetimespentineachprocessandthedipangleisdisplayedintheLCD.
Keywords:
Mega16inclinationsensorstep-motor
一、系统方案
（一）实现方法：
本系统的主要设计任务是完成一个精确定位运动的平衡小车系统。
整个系统由跷跷板和小车构成，利用步进电机对小车在跷跷板上的位置进行较为准确的定位，然后再利用小车内部的重心微调装置进行精细调节，达到平衡的目的。
（二）方案论证：
1、车体选择：
为了使小车的各项指标更好的满足系统的要求，我们选择了自制小车车体。
2、电机选择：
方案一：
直流减速电机
直流减速电机扭矩大，体积小，重量轻，价格相对低廉，是自制车体很好的选择。
但减速电机参数很难对称，双轮前行时走直线较为困难，而且很难精确定位控制。
方案二：
步进电机
步进电机的转速及转过的角度完全由脉冲时序给定，在不过载的前提下，步进电机几乎不发生失步，而且电机转动时不会产生累计误差。
步进电机开环可控大大提高了车体运动的可控性。
综上考虑，我们采用步进电机。
3、倾角探测
方案一：
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。
方案二：
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
方案一：
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。
方案二：
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
方案一：
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。
方案二：
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
方案一：
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。
方案二：
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
6s
14s
0.3°
第二次
6s
25s
5s
14s
0.5°
第三次
6s
22s
6s
13s
0.3°
（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
第一次
41s
45s
99s
0.5°
第二次
38s
48s
110s
0.4°
第三次
42s
48s
113s
0.3°
（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》。
清华大学出版社
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
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
6s
14s
0.3°
第二次
6s
25s
5s
14s
0.5°
第三次
6s
22s
6s
13s
0.3°
第四次
6s
24s
6s
14s
0.5°
第五次
6s
28s
6s
13s
0.3°
第六次
6s
25s
5s
14s
0.3°
第七次
6s
24s
6s
13s
0.5°
第八次
6s
25s
6s
14s
0.5°
第九次
6s
25s
5s
14s
0.4°
第十次
6s
26s
6s
14s
0.3°
附表二：
发展部分测试数据
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
第一次
41s
45s
99s
0.5°
第二次
38s
48s
110s
0.4°
第三次
42s
48s
113s
0.3°
第四次
35s
45s
105s
0.4°
第五次
37s
52s
109s
0.5°
第六次
39s
47s
119s
0.4°
第七次
37s
51s
110s
0.4°
第八次
41s
45s
117s
0.5°
第九次
43s
49s
112s
0.4°
第十次
42s
53s
115s
0.3°
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</*设置帧格式:
8个数据位,2个停止位*/
UCSRC=（1<}
voidUSART_Transmit（unsignedchardata）
{
/*等待发送缓冲器为空*/
while（!
（UCSRA&（1</*将数据放入缓冲器，发送数据*/
UDR=data;
}
unsignedcharUSART_Receive（void）
{
while（!
（UCSRA&（1<;
returnUDR;
}
voidsend_cmd（void）
{
uint8i;
USART_Transmit（'$'）;
}
voidGet_Angle（void）
{
uint8i=0;
if（USART_Receive（）=='X'）
{
Angle[0]='X';
for（i=1;i<15;i++）
{
Angle[i]=USART_Receive（）;
}
Angle[14]=0x20;
Angle[15]=0x20;
}
}
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