电动车跷跷板设计报告

电动车跷跷板学校：滨州学院参赛学生：任鸣宇王志华杨锋专业：应用电子技术指导教师：马国利1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，语音指示模块2目录1.系统方案.............................................41.1微控制器模块....................................41.2车体设计........................................41.3电机模块........................................51.4电机驱动模块....................................51.5寻迹传感器模块..................................51.6角度传感器模块..................................61.7电源模块........................................61.8显示模块........................................61.9最终方案........................................62.主要硬件电路设计....................................62.1电机驱动电路的设计..............................62.2黑白线检测电路的设计：..........................62.3角度检测电路的设计：............................73.软件实现............................................73.1理论分析.....................................73.2总体流程图...................................74.系统理论分析及计算..............................84.1小车角度的计算................................84.2小车平衡角度的分析............................834.3小车从停车5s后到达B点的分析.................85．系统功能测试：...................................85.1测试方案.....................................85.2测试仪器及设备...............................95.3测试结果......................................95.4测试分析及结论................................106.结束语............................................1041.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：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，我们选择了此方案二，采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。1.2车体设计方案：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。角度传感器黑白传感器电源L298N电机驱动AT89S52电机小车运转系统总体框图显示模块5综上考虑，我们选择了此方案2，自己动手制作一辆电动车。1.3电机模块方案：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，我们此选择方案，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：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，我们选择此方案，使用L298驱动直流电机。1.5寻迹传感器模块方案：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。所以我们选择了择此方案，采用黑白传感器作为寻迹模块。1.6角度传感器模块方案：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：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，我们选择了此方案，采用双电源供电。1.8显示模块方案：：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。6考虑到本题的要求，只需要一片LCD就可以实现，故我们选择此方案。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及电路图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HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN2（IN4）快速停止LXX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。73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总体流程图是否有键按下？开始角度传感器检测直线调节平衡调节前进NY总体流程图返回84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。小车角度=arcsin∣dA-dB∣180mm95.3测试结果（1）平衡时角度测试（单位：度）平衡时角度1.31.21.11.00.90.80.70.60.50.0出现次数1355993231（2）小车平衡点寻找时间检测（单位：秒）平衡停留时间604533282218出现次数210181551（3）小车从平衡到达B时的时间测试（单位：秒）时间54.543.532出现次数171015133（4）小车从B点返回到A点的时间测试（单位：秒）时间121098.76出现次数261015925.4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3-4s4．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。6.结束语经过我们小组的努力，我们终于成功的完成了题目的要求,并在此基础上进行了创新。制作过程中，我们遇到了很多困难，比如角度传感器的使用，液晶的角度显示，小车寻找平衡点的不稳定性等。但我们通过自己研究，小组讨论，向其他同学请教，都一一克服了。经过这次比赛我们深刻体会到了团队精神和自己解决问题的能力，在此，衷心的感谢老师们对我们的培养。