電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)報(bào)告

1、摘要： 本課題組設(shè)計(jì)制作了一款智能自動(dòng)小車。 小車具有以下幾個(gè)功能： 尋跡功能（按路面的黑色軌道行 駛）；計(jì)算并顯示所走的路程和行走的時(shí)間，變速行駛，自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)使蹺蹺板達(dá)到平衡。 該作品基于凌陽 1616 位單片機(jī) SPCE061ASPCE061A 用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過各種傳感器來采集信息， 并送入主控單元 SPCE061SPCE061/單片機(jī)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電機(jī)控制電路 包括方向控制單元和速度控制單元兩大部分。角度檢測部分由角度傳感器產(chǎn)生信號(hào)后送入單片機(jī)； 黑帶檢測和速度檢測部分都是利用紅外線對(duì)射方式， 在小車的車輪粘上一個(gè)擋光圓所料片圈， 并在 上面開一

2、些透光孔， 通過設(shè)定固定時(shí)間來計(jì)量車輪轉(zhuǎn)過圈數(shù)進(jìn)而測出速度。 控制單元接收到信號(hào)后， 通過程序控制來完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了無人控制即可完成設(shè)計(jì)需要?jiǎng)幼?。系統(tǒng)方案論證與比較 方案一：通過搭建各種數(shù)字電路來組合成小車的控制系統(tǒng)， 對(duì)擴(kuò)展的黑線檢測，速度檢測，角度測 量等信號(hào)進(jìn)行處理。本方案設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，擴(kuò)展性不好，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。 方案二：采用凌陽 1616 位單片機(jī) SPCE061ASPCE061A 來作為系統(tǒng)的控制單元。紅外線探頭采用市面上通用的 發(fā)射管與及接收頭，經(jīng)過 LF358LF358 放大后送入單片機(jī)；角度傳感器采用分辨率可以達(dá)到小于等度的 WQH36WQH36- -4545 傾角傳感

3、器，它所產(chǎn)生的信號(hào)通過 A/DA/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來比較 簡單，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，靈活性較好，各類功能也易于實(shí)現(xiàn)。所以決定采用方案二，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 圖如下圖所示： 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能夠很好地達(dá)到設(shè)計(jì)題目的要 求，因此采用方案二來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 廣黑帶檢測 角度測量r1 r 紅外線發(fā)射 U_ J 61 單 片 機(jī) A 紅外線接收 二，模塊電路設(shè)計(jì)與比較 速度測量模塊 方案一：利用紅外線對(duì)射方式，在小車的車輪粘上一個(gè)擋光圓塑料圈， 并在上面開一些透光孔， ， 通過計(jì)算在固定時(shí)間內(nèi)計(jì)量車輪轉(zhuǎn)過圈數(shù)而測出速度。 方案二：

4、利用霍爾元件來對(duì)轉(zhuǎn)過的車輪圈數(shù)來計(jì)程，在車輪子上裝小磁片，霍爾元件靠近磁片 一次計(jì)程為車輪周長。此方案傳感的信號(hào)強(qiáng)， 電路簡單，但精度不高。 通過計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)數(shù)間接測量車速，利用了霍爾元件感應(yīng)磁塊產(chǎn)生脈沖的原理，再對(duì)脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù)。 另可采用紅外線原理提高記程精度， 其方法為在小車的車輪粘上一個(gè)擋光圓所料片圈， 并在 上面開一些透光孔，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外光透射過去，不斷地輸出脈沖，通過單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)， 再經(jīng)過一個(gè)數(shù)據(jù)的處理過程，這樣就可把小車走過的距離計(jì)算出來，小孔越多，測量值越精密 。 檢測黑線模塊 方案一：采用光敏電阻進(jìn)行檢測。光發(fā)射端為發(fā)光二極管，接收端為一光敏電阻。光敏電阻根 據(jù)接收

5、光的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不同的電阻值， 而輸出不同的信號(hào)。 由于黑色吸收光的能力較強(qiáng)， 所以光敏 電阻遇到黑線和不遇到黑線接收到的光的強(qiáng)度不同， 產(chǎn)生的電阻值也不同， 輸出信號(hào)也不同， 單片 機(jī)會(huì)對(duì)不同的輸入信號(hào)給與相應(yīng)的控制。 但是這種方法受外界光線強(qiáng)度影響比較大， 所以很難把握 對(duì)輸出信號(hào)的控制。 方案二：采用紅外線檢測方式，其原理與紅外對(duì)射方式基本相同，也是由一個(gè)放射管一個(gè)接收 管組成。 接收管根據(jù)接收到的紅外線強(qiáng)度輸出一系列信號(hào)， 并送入單片機(jī)進(jìn)行控制。 這種方法受外 界因素影響比較小，對(duì)輸出信號(hào)的控制比較好把握。 對(duì)比兩個(gè)方案，我們決定采用方案二進(jìn)行檢測，因?yàn)樗梢栽O(shè)計(jì)的精確度。 平衡測量模塊

6、 方案一： 采用一個(gè)無接觸磁敏電位儀和一個(gè)陀螺， 把他們固定在金屬支架上， 陀螺的垂線正對(duì)磁敏 電位儀的孔， 通過測量電位儀輸出電壓的變化測出陀螺擺角的變化， 通過程序控制小車在蹺蹺板上 的平衡。但是它的精確度很差，由于陀螺具有慣性，在電動(dòng)車快速行駛過程中，陀螺難免會(huì)因?yàn)閼T 性而來回?cái)[動(dòng)，這樣很難檢測到穩(wěn)定的輸出信號(hào)，所以控制起來比較困難。 方案二： 采用精密角度傳感器， 通過對(duì)角度的測量來掌控小車的平衡。 使用該傳感器可以很精確地 測量出角度，而且它的重量也很輕，輸出信號(hào)穩(wěn)定，便于用程序來控制。從各方面都提高了小車的 可控制性， 也提高了精確度。 本次設(shè)計(jì)為了小車能在蹺蹺板上更好更精確地掌控

7、平衡， 本課題組經(jīng) 研究決定采用方案二，用市面上的 WQH36WQH36- -45 45 傾角傳感器作為角度測量的基本元件，通過精確地 測量角度進(jìn)而使小車能自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡。 4 4，顯示模塊 方案一：采用 LCD LCD 顯示，用單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)，但顯示亮度和字體大小在演示時(shí)不盡人意， 價(jià)格也比較昂貴。 方案二：采用 LEDLED 七段數(shù)碼管，- -I/O I/O 口上，設(shè)計(jì)電路簡單，顯示效果直觀，明亮，調(diào)試容易 故采用 LEDLED 數(shù)碼管顯示。數(shù)碼顯示如圖所示： 三.系統(tǒng)原理及理論分析 1 1,單片機(jī)最小系統(tǒng)組成 單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)智能系統(tǒng)的核心部分，它對(duì)各路傳感信號(hào)的集、處理、分析及對(duì)各

8、部分整體 調(diào)整。主要組成是：凌陽 SPCE061A1SPCE061A1 位單片機(jī)、晶振及各路的傳感器件。 2 2，測速及控速原理 采用紅外線對(duì)射方法，發(fā)射管發(fā)射紅外線，接收管對(duì)發(fā)射管紅外線進(jìn)行接收并輸出 TTLTTL 電平。 當(dāng)接收管接收到紅外線時(shí)，接收管輸出低電平，否則輸出高電平，這樣輸出一系列 TTLTTL 電平，送入 單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。而控速原理則是利用 PWMPWM 進(jìn)行控速，具體如下：PWMPWM 法分自然采樣法和 規(guī)則采樣法，這里我們采用規(guī)則采樣法。其理論計(jì)算如下： Toff Toff = = Ts/4 Ts/4 -a; Ton = Ts/4 +Ton = Ts/4 +a 根據(jù)三

9、角形相似關(guān)系，解出 a 值，并帶入上述兩式可求得 Toff Toff = = Ts/4(1Ts/4(1- - Ms inMs in;Ton = Ts/4(1+Msi Ton = Ts/4(1+Msi n n t1)t1)其中 T1T1 為采樣點(diǎn)( (這里為頂點(diǎn)采樣) )的時(shí)刻。 脈沖寬度為：Tpw Tpw = = Ts Ts (1+ (1+ MsirMsir t1)/2= Tt (4+Wlsin t1)/2= Tt (4+Wlsin t1)/2t1)/2 3 3，黑帶檢測原理 利用光的反射原理，當(dāng)紅外線照射在白紙上，反射量比較大，反之，照在黑色物體上，由于黑 色對(duì)光的吸收，反射回去的量比較少，

10、這樣就可以判斷黑帶位置。根據(jù) 遇到白紙與黑帶所產(chǎn)生的不同 TTLTTL 電壓，單片機(jī)利用程序作出相應(yīng)的動(dòng)作。 4 4，平衡控制原理 本次設(shè)計(jì)小車在蹺蹺板上保持平衡主要是利用 WQH36WQH36- -4545 傾角傳感器測量角度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定不同的平衡角 度值，通過程序控制小車進(jìn)而使小車達(dá)到平衡。設(shè)計(jì)要求規(guī)定平衡的定義為 |dA|dA- -dB|v=40mm,dB|v=40mm,由此可計(jì)算岀平衡時(shí)角度的動(dòng)態(tài)范圍為正負(fù)度左右。當(dāng)角度值在(， 9090)之間時(shí)，小車以微小的速度 向前進(jìn)；當(dāng)角度值在(9090，)之間時(shí)，小車以微小的速度向后退， 直到小車達(dá)到平衡為止。 3t-lt5-“-r- 四

11、.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是通過調(diào)用黑線檢測子程序，速度控制子程序，顯示子程序，中斷服務(wù)程序，定時(shí)子程序等一系列 子程序來實(shí)現(xiàn)特定功能的。系統(tǒng)框圖如下： 五，調(diào)試過程及結(jié)論 整機(jī)焊接完畢后，我們首先對(duì)硬件進(jìn)行檢查聯(lián)線有無錯(cuò)誤，再逐步對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試。首先寫 入電機(jī)控制小程序，控制其正反轉(zhuǎn)，停機(jī)均正常。加入尋跡子程序后，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常，調(diào)整靈敏度 達(dá)最佳效果。加入顯示時(shí)間子程序， 顯示正常。對(duì)速度測量子程序也進(jìn)行了調(diào)試，并使其精確度得 到了提高。接著對(duì)黑帶檢測模塊調(diào)試，發(fā)現(xiàn)小車會(huì)跑出黑帶，經(jīng)判斷是因?yàn)樾≤囉捎谒俣忍烨壹t 外線檢測的靈敏度也不是很高而導(dǎo)致沒有監(jiān)測到黑帶。我們通過改變速度并作了多次試驗(yàn)后，設(shè)定 了一個(gè)可以檢測倒速度又不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生很大影響的速度。 最后對(duì)角度測量驚醒測試，通過角 度測量，對(duì)小車的平衡進(jìn)行測量。該測試的難度最高，要非常精確地設(shè)計(jì)好小車在自動(dòng)調(diào)整平衡過 程中的速度，以使小車能能在設(shè)計(jì)要求的時(shí)間范圍內(nèi)盡可能快的調(diào)整好平衡。 開始上電測試