电动车跷跷板.docx
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电动车跷跷板
电动车跷跷板
摘要：
本系统采用AT89S52作为主控制芯片，再加上黑白传感器、角度传感器等传感器，完成了规定时间内定点停车、保持平衡，倒车至指定位置、能够沿直线行进基本的功能。
关键词：
AT89S52，黑白传感器，角度传感器。
Abstract:
ThissystemwithAT89S52forcorecontroller,realizationpasstoaddBlack-and-whitesensor,AngleSensorsandLCD.Tospreadfeelingtoequipcompletionprovisiontimetobealittlebitalreadydecidedparkingandholdthebalanceinrefitbehindsmallcarbodyworktowardsrefittingbehindcommonlytheintelligenceofthecarcontrol,reversethecartoappointedposition,advancealongthestraightlineofessentialfunction.
Keyword:
AT89S52,Black-and-whitesensor,anglesensor.
1.系统方案.............................................4
1.1微控制器模块....................................4
1.2车体设计........................................4
1.3电机模块........................................5
1.4电机驱动模块....................................5
1.5寻迹传感器模块..................................5
1.6角度传感器模块..................................6
1.7电源模块........................................6
1.8显示模块........................................6
1.9最终方案........................................6
2.主要硬件电路设计....................................7
2.1电机驱动电路的设计..............................7
2.2黑白线检测电路的设计：
..........................7
2.3角度检测电路的设计：
............................8
3.软件实现............................................9
3.1理论分析.....................................9
3.2总体流程图...................................9
3.3直线调节流程图.................................10
3.4平衡调节流程图.................................11
3.5返回流程图.....................................12
4.系统理论分析及计算...............................12
4.1小车角度的计算................................12
4.2小车平衡角度的分析............................12
4.3小车从停车5s后到达B点的分析.................13
5．系统功能测试：
....................................13
5.1测试方案......................................13
5.2测试仪器及设备................................13
5.3测试结果......................................13
5.4测试分析及结论................................14
6.结束语............................................14
1.系统方案：
系统总体设计框图如下图所示
1.1微控制器模块
方案一：
采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
方案二：
采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。
AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。
且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。
我们自己制作51最小系统板，体积很小，下载程序方便，放在车上不会占用太多的空间。
从方便使用的角度考虑，我们选择了方案二，采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。
1.2车体设计
方案一：
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：
首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不扉。
因此我们放弃了此方案。
方案二：
自己制作电动车。
经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，前万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，后部装一个万向轮。
当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前后两轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
对于车架材料的选择，我们铝合金车架，轻便，美观。
综上考虑，我们选择了方案2，自己动手制作一辆电动车。
1.3电机模块
方案一：
用步进电机。
步进电机可以精确地控制角度和距离。
步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在转速较高时会急剧下降，故其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，并且它的体积大，价格高，质量大，另外步进电机的编程复杂，增加了编程的难度。
方案二：
采用直流电机。
直流电机运转平稳，精度也有一定的保证，虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。
通过单片机的PWM输出同样可以控制直流电机的旋转速度，实现电动车的速度控制。
并且直流电机相对于步进电机价格经济。
综合性价比和功耗等方面的考虑，我们选择方案二，使用直流电机作为电动车的驱动电机。
1.4电机驱动模块
方案一：
采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。
而且机械结构易磨损，可靠性不高。
它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。
方案二：
采用SM6135W电机遥控驱动模块。
SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。
能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。
方案三：
采用集成的驱动电路芯片L298N。
L298N驱动芯片具有体积小，可靠性安全性高，抗干扰能力强等优点，适合控制智能小车的运动。
且有较大的电流驱动能力，连接方便简单。
综合以上考虑，我们选择方案三，使用L298驱动直流电机。
1.5寻迹传感器模块
方案一：
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。
方案二：
用黑白传感器测量。
黑白传感器是专门检测白底黑线或黑底白线的传感器，黑白线只出现高低电平变化，变化明显，易于区别，且传感器接线简单，信号稳定，非常适合小车的寻迹。
所以我们选择了择方案一，采用黑白传感器作为寻迹模块。
1.6角度传感器模块
方案一：
采用水银开关和编码器。
控制精度很低，不易实现题目要求。
方案二：
采用AME-B001角度传感器。
AME-B001，0－360度测量范围，同步串行接口，绝对角位置输出，但是安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便
方案三：
采用ZCT245AL-485-BUS双轴倾角传感器。
ZCT245AL-485测角范围在±45度之间，分辨率能达到0.1度，可以工作在半双工方式下，能准确测量小车与平面的夹角，易于单片机控制。
选用MAX485芯片实行与51板通信，电路简单，
由于跷跷板最大倾角为5度左右，角度变化范围较小，因此要求角度传感器精度高，频率快。
总上考虑我们选择此方案3，采用ZCT245AL-485-BUS双轴倾角传感器。
1.7电源模块
在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V，L298N芯片的电源5V和电机的电源7-15V。
所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠。
方案一：
用9V的锌电源给前、后轮电机供电，然后使用7805稳压管来把高电压稳成5V分别给单片机和电机驱动芯片供电。
这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不足。
方案二：
采用双电源。
为了确保单片机控制部分和后轮电机驱动的部分的电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，即：
用直流电12v供给单片机，后轮电机的电源用5V供电，这样有助于消除电机干扰，提高系统的稳定性。
基于以上分析，我们选择了方案二，采用双电源供电。
1.8显示模块
方案一：
用LED显示。
数码管能显示数字和符号，颜色鲜艳，易于观察，可实时动态显示，编程简单，易于控制，优点亮度高、成本低，但不能显示汉字，显示内容较少，人机关系较差。
方案二：
：
采用带字库的LCD显示。
LCD可以用全中文界面显示，显示内容丰富，易于人机交流，且可以串行接口，节省I/O资源，显示简单。
考虑到本题的要求，只需要一片LCD就可以实现，故我们选择方案二。
1.9最终方案
经过反复论证，我们最终确定了如下方案：
1采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。
2电机采用直流减速电机。
3采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
4采用黑白传感器作为寻迹模块。
5采用ZCT245AL-485-BUS双轴倾角传感器。
6采用双电源供电。
7采用12864液晶显示行进中的倾角。
2主要硬件电路设计
2.1电机驱动电路的设计
L298N驱动直流电机，它靠两个引脚控制一个电机的运动。
智能寻迹小车采用后轮驱动，左右后轮各用一个直流减速电机驱动，通过调制后面两个轮子的转速或正反转来达到控制小车转向的目的。
芯片引脚和功能如图1，驱动电路如图2。
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2（IN4）
同IN2（IN4）
快速停止
L
X
X
停止
图1L298N的引脚和功能
图2驱动电路图
2.2黑白线检测电路的设计：
通过光电检测器来实现黑白线的监测，当检测到黑线时输出端为低电平，白线时为高电平。
两个TCRT5000来实现小车走直线。
输出端要加上拉电阻，才能得到稳定信号，其原理图如图所示。
2.3角度检测电路的设计：
角度传感器ZCT245AL-485通过MAX485完成与单片机的半双工通讯方式。
ZCT245AL-485的绿线和蓝线分别接MAX485的11脚，12脚，单片机的P11,P12分别接MAX485的1脚和5脚，P13,P14接3脚和4脚。
其原理图如图所示。
3软件实现
3.1理论分析
通过题目可知小车与水平面的夹角从arcsin（7/80）到-arcsin（7/80）之间变化，当为0度角时跷跷板处于平衡状态。
在不加配重的情况下，小车应在C点保持平衡。
小车要在30S内到C附近，则小车速度等于路程和时间的比值，可知小车速度在2cm/s到4cm/s之间。
当为0度角时跷跷板平衡，此时延时5s，并报语音。
30s到B点和小车到C点的速度相同。
倒车行程程序和从开始到B点的类似。
3.2总体流程图
3.3直线调节流程图
3.4平衡调节流程图
3.5返回流程图
4系统理论分析及计算
4.1小车角度的计算
4.2小车平衡角度的分析
通过题目可知小车与水平面的夹角从arcsin（7/80）到-arcsin（7/80）之间变化，当为0度角时跷跷板处于平衡状态，这是理想状态。
题目中平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=∣dA-dB∣不大于40mm。
因此只要小车角度在arcsin（4/160）到-arcsin（4/160）之间即认为是达到平衡了。
4.3小车从停车5s后到达B点的分析
电动车从平衡点出发，向B点行驶的过程中，小车车前的黑白线传感器一直在检测黑白线，只要两个传感器同时检测到黑线，即认为是到达B点。
根据题目要求只要车头距跷跷板末端B不大于50mm即可。
5．系统功能测试：
5.1测试方案
根据题目要求，自制了跷跷板，上面布置上黑线，以引导小车走直线以及到A点和B点停车。
反复让小车在环境中进行实验。
测试并记录下小车多次完成各个阶段任务的情况，用统计的方法得出小车的性能参数及误差范围。
5.2测试仪器及设备
测试仪器及设备
仪器名称
型号
用途
数量
计算机
联想PC
调试程序
1
数字万用表
MASTECHmy－65
测量各模块电路参数
是否满足要求
1
另外还有秒表，用来测量定位误差。
5.3测试结果
（1）平衡时角度测试（单位：
度）
平衡时角度
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.0
出现次数
1
3
5
5
9
9
3
2
3
1
（2）小车平衡点寻找时间检测（单位：
秒）
平衡停留时间
60
45
33
28
22
18
出现次数
2
10
18
15
5
1
（3）小车从平衡到达B时的时间测试（单位：
秒）
时间
5
4.5
4
3.5
3
2
出现次数
1
7
10
15
13
3
（4）小车从B点返回到A点的时间测试（单位：
秒）
时间
12
10
9
8.
7
6
出现次数
2
6
10
15
9
2
5.4测试分析及结论
根据上述测试数据，可以得出以下结论：
1.平衡时的角度小于1度。
2.小车平衡点寻找时间大约为30-40s，控制在了60s以内。
3.小车从平衡点到达B时的时间3-4s
4．小车从B点返回到A点的时间8-9s
综上所述，本设计达到了设计的要求。
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