全国电子设计竞赛控制类设计报告07年赛题——电动车跷跷板完整版设计报告

11号F题1电动车跷跷板摘要:本设计以一片单片机STC12C5A60S2作为核心来控制电动车跷跷板，加以控制芯片L298N和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用反射式红外传感器，通过STC12C5A60S2对输入的信号进行处理，使用LCD1602分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。以红外传感器对路面黑线检测用，行驶距离使用对射光电传感器加以码盘进行检测。使用三轴数字倾斜角度模块，检测跷跷板是否水平。关键词：STC12C5A60S2光电传感器L298N控制电动机LCD1602三轴数字倾斜角度模块Abstract:ThissystemismainlybasedonachipcalledSTC12C5A60S2.Thisintelligentcardesignedbyusthreecanrunautomaticallythroughblacklinesonthegroundandsoon.Keywords:single-chipmicrocomputercontrolsystemL298nThethreeaxisdigitaltiltanglemoduleLCD16022（一）引言：我们认为该题目可以很好的培养我们对于传感器，驱动模块，硬件结构，软件结构，控制模块的全新认识，并且能够使得我们更好的将这些部分融合成一个整体，进行良好的运用。该设计模块以单片机作为控制中心，加以控制芯片L298N和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用反射式红外传感器，通过STC12C5A60S2对输入的信号进行处理，使用LCD1602分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。以红外传感器对路面黑线检测用，行驶距离使用对射光电传感器加以码盘进行检测。使用三轴数字倾斜角度模块，检测跷跷板是否水平。该模块控制比较稳定，速度适中，是本题目的适合的解决方法。（二）方案设计：（1）设计思路：该设计模块以单片机作为控制中心，加以控制芯片L298N和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用反射式红外传感器，通过STC12C5A60S2对输入的信号进行处理，使用LCD1602分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。以红外传感器对路面黑线检测用，行驶距离使用对射光电传感器加以码盘进行检测。使用三轴数字倾斜角度模块，检测跷跷板是否水平。（2）方案比较论证：1.电机驱动调速模块：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻较小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且很难实现。方案二：采用普通L298N来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后退，并用单片机进行软件调速，缺点是单片机容易受L298N的电源影响，系统变得不安全。方案三：采用带光耦隔离的L298N来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后退。通过STC12C5A60S2内部的集成PWM定时器，实现整车的加速与减速，精确小车的速度。好处是保护控制控制端不受电机的影响，使得系统安全可靠，避免单片机烧坏。基于上述理论分析，拟选择方案二。2.路面黑带检测模块黑带检测的原理是：红外光线照射到路面并反射，由于黑带和白纸的系数不同，可根据接的红外线的强弱判断是否到达黑带。方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射—接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大的干扰，一旦外界光亮3条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然产生超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。方案二:反射式的红外发射—接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，并经过反相斯密特触发器之后送入单片机，可以降低环境干扰。基于上述理论分析，拟选择方案二。3.显示模块方案一：8个使用数码管动态扫描的方式，分别显示时间和路程，缺点是功耗较大，并且只能显示数字和少量的字母，不适合人的观察。方案二：lcd1602有功耗低、体积小、重量轻等特点，方便放置于小车上，能满足显示的要求。基于上述理论分析，拟选择方案二。4.电源选择方案一：所有器件采用单电源供电，这样供电电路比较简单；但是由于电动机启动瞬时电流很大，会造成电压不稳，干扰严重，缺点十分明显。方案二：双电源供电，将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离，这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。基于上述理论分析，拟选择方案二。5.角度检测模块：方案一：采用ADXL345模块，ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。它具有高分辨率（4mg/LSB），能够测量约0.25°的倾角变化。使用ADXL345等数字输出加速度计时，无需进行模数转换，从而可以节省系统成本和电路板面积。方案二：像寻迹电路那样采用红外对管，将3个红外对管排成一排，在做一个装有红外发射管的单摆，在水平状况下，使发射管正对于中间的接收管，当小车爬坡时，单摆与接收管不再垂直，而产生一定倾角，中间的接收管不再接收，基于这种原理，理论上是可行的，但是由于红外对管受可见光的影响很大，测试结果与理论相差甚远。综上所述，我们采用方案一。（3）总体方案组成和说明：总体设计方案的硬件部分详细框图如下：STC12C5A60S2红外检线模块LCD显示模块PWM电机驱动模块电机倾角传感器adxl345光电测速模块、测距模块4（4）各部分详细说明：1.STC12C5A60S2单片机最小系统此系统以STC12C5A60S2为核心，最小系统如图所示：2.黑线检测部分：我们采用两个反射式光电检测电路对跑道上的黑线进行检测，并使用六反相斯密特触发器输出高低电平信号，这样可以消除外界光线的干扰，单片机同时检测到两个光电传感器输出由高到低的电平跳变时，这为黑线，硬件如图所示：3．光电测速部分：采用对射光电传感器，通过对电机上的码盘线计数，产生下降沿，通过LM393电压比较器输出高低电平，这能有效克服环境干扰。每50ms计算一次，按照公式：瞬时速度=下降沿个数÷电机减速比÷码盘线数×车轮周长；总路程=∑（每50ms路程）；由此可以计算出路程和速度。硬件图如下：53.L298N电动机驱动模块部分该电路采用电动机驱动芯片L298来控制电动机的正转与反转，加以第二路电机电源保证了电动机启动时有足够的电流。在试验中控制电压为单片机输出的高低电平直接控制。具体电路图连接如下：4.电源部分考虑到L298N输出的压降，故使用2节3.6V18650可充电电池给电机供电。而单片机也用2节3.6V18650可充电电池，并使用11175v稳压芯片给单片机供电。5.倾角检测模块：模块内部包含5v转3v稳压芯片。IO口电平转换芯片，兼容3v至5v信号传输，提供单片机IIC通信方式的选择。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度软件设计流程图：（三）设计实现：6（1）叙述方案实现过程中出现的问题：小车行驶到跷跷板的底部时，总是超出跷跷板末端一小部分，与题目的规定车头距跷跷板末端B不大于50mm相违背。（2）解决方法与对方案的修改：当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。我们将PWM调速部分软件设计中，增加了反转的控制。（3）最后完成方案的说明：如果使用自然减速式，由于惯性，小车全速行驶时需比较长时间后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大，无法实现精确制动的目标。但是使用反转式的时候，能够非常快速的使小车停止。（四）测试：（1）测试方法：用秒表对小车行驶的每个过程进行分段计时，记录数据。用米尺记录误差大小。（2）测试所需仪器仪表：秒表，米尺。（3）测试过程与结果表格：具体功能要求实际测试情况第一次第二次第三次第三次基本部分(不加配重)电动车从起始端A出发，行驶至C点附近功能实现。平均用时2.1s2.0s2.3s2.0s2.0s电动车在中心点C附近使跷跷板达到平衡状态，尾灯闪烁指示已达到平衡后，保持平衡状态5s以上功能实现。平均用时5.6s.最少用时4.0s(不包括保持平衡时间)，烧烧板两边的高度差小于2.0cm，保持平衡5s4.0s9.8s4.7s4.0s电动车从平衡点行驶到距跷跷板B处小于50mm处功能实现。平均用时3.2s3.1s2.9s3.3s3.3s电动车在B点停止5s后，倒退回起始点A。实时显示时间功能实现。平均用时3.8s(不包括在B点停止的5s时间)3.8s4.0s3.8s3.4s发挥部将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点300mm以外、90'功能实现。起始到B点平均用时4.4s4.4s4.4s4.3s4.6s7分(加配重)扇形区域内某一指定位置，电动车自动驶上跷跷板电动车在跷跷板板上取得平衡，尾灯闪烁指示平衡，并保持平衡状态5s以功能实现。板两边的高度差小于2.0cm，保持平衡5s。从B点到平衡平均用时10.1s8.211.2s10.810.4将另一块质量为电动车10%-20%的配重放置在A至C间指定的位置，电动车重新取得平衡，尾灯闪烁指示平衡，并保持平衡5s以上功能实现。板两边的高度差小于2.0cm，保持平衡5s。再次平衡平均用时16.5s16.511.5s24.0s14.1s电动车在3min内完成发挥部分全过程功能实现。全过程平均用时41.0s，最少用时37.1s39.1s37.1s49.1s39.0s其他特色与创新（五）结论：（1）完成情况：成功完成基础部分和发挥部分所有题目。（2）心得体会：通过这个题目，我们对角度传感器有了新的认识，我们也智能小车的优化、控制有了更多的经验。（3）存在的问题：（4）进一步努力的方向：摄像头采集模块。