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(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各種傳感器來(lái)采集信息， 并送入主控單元SPCE061/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(cè)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(cè)和速度檢測(cè)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(kāi)一些透光孔， 通過(guò)設(shè)定固定時(shí)間來(lái)計(jì)量車輪轉(zhuǎn)過(guò)圈數(shù)進(jìn)

2、而測(cè)出速度。 控制單元接收到信號(hào)后， 通過(guò)程序控制來(lái)完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人控制即可完成設(shè)計(jì)需要?jiǎng)幼鳌Ｏ到y(tǒng)方案論證與比較方案一：通過(guò)搭建各種數(shù)字電路來(lái)組合成小車的控制系統(tǒng)，對(duì)擴(kuò)展的黑線檢測(cè)，速度檢測(cè)，角度測(cè)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(lái)比較困難。方案二：采用凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A來(lái)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(guò) LF358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 WQH36-45傾角傳感器，它所產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)A/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(lái)比較 簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，靈活性較好，各類功能也易

3、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(jiǎn)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(lái)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(cè)r1r紅外線發(fā)射UJ61單片機(jī)A紅外線接收角度測(cè)量二，模塊電路設(shè)計(jì)與比較速度測(cè)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(kāi)一些透光孔， ， 通過(guò)計(jì)算在固定時(shí)間內(nèi)計(jì)量車輪轉(zhuǎn)過(guò)圈數(shù)而測(cè)出速度。方案二：利用霍爾元件來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)的車輪圈數(shù)來(lái)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(zhǎng)。此方案?jìng)鞲械男盘?hào)強(qiáng)， 電路簡(jiǎn)單，但精度不高。通過(guò)計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)數(shù)間接

4、測(cè)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(kāi)一些透光孔，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外光透射過(guò)去，不斷地輸出脈沖，通過(guò)單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)， 再經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，這樣就可把小車走過(guò)的距離計(jì)算出來(lái)，小孔越多，測(cè)量值越精密 。 檢測(cè)黑線模塊方案一：采用光敏電阻進(jìn)行檢測(cè)。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)

5、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(cè)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(cè)，因?yàn)樗梢栽O(shè)計(jì)的精確度。平衡測(cè)量模塊方案一： 采用一個(gè)無(wú)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(guò)測(cè)量電位儀輸出電壓的變化測(cè)出陀螺擺角的變化， 通過(guò)程序控制小

6、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(guò)程中，陀螺難免會(huì)因?yàn)閼T 性而來(lái)回?cái)[動(dòng)，這樣很難檢測(cè)到穩(wěn)定的輸出信號(hào)，所以控制起來(lái)比較困難。方案二： 采用精密角度傳感器， 通過(guò)對(duì)角度的測(cè)量來(lái)掌控小車的平衡。 使用該傳感器可以很精確地 測(cè)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(lái)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平衡， 本課題組經(jīng) 研究決定采用方案二，用市面上的 WQH36-45 傾角傳感器作為角度測(cè)量的基本元件，通過(guò)精確地 測(cè)量角度進(jìn)而使小車能自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡。4，顯示模塊方案一：采用

7、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LED七段數(shù)碼管，-I/O 口上，設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，顯示效果直觀，明亮，調(diào)試容易 故采用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼顯示如圖所示：£3t-lt5-“-r-»三.系統(tǒng)原理及理論分析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)各部分整體 調(diào)整。主要組成是：凌陽(yáng)SPCE061A1位單片機(jī)、晶振及各路的傳感器件。2，測(cè)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TTL電平。當(dāng)接收管接收到紅外線時(shí)，接

8、收管輸出低電平，否則輸出高電平，這樣輸出一系列TTL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 PWM進(jìn)行控速，具體如下：PWM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 = Ts/4 -a; Ton = Ts/4 +a根據(jù)三角形相似關(guān)系，解出a值，并帶入上述兩式可求得Toff = Ts/4(1- Ms in®Ton = Ts/4(1+Msi n® t1)其中T1為采樣點(diǎn)(這里為頂點(diǎn)采樣)的時(shí)刻。 脈沖寬度為：Tpw = Ts (1+ Msir® t1)/2= Tt (4+Wlsin ® t1)/23，黑帶檢測(cè)原

9、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，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 TTL電壓，單片機(jī)利用程序作出相應(yīng)的動(dòng)作。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WQH36-45傾角傳感器測(cè)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(guò)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-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(，90)之間時(shí)，小車以微小的速度向前進(jìn)；當(dāng)角度值在(90，)之間時(shí)，小車以微小的速度向后退，直到小車達(dá)到平衡

10、為止。四.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)調(diào)用黑線檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能的。系統(tǒng)框圖如下：五，調(diào)試過(guò)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(wú)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(cè)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(cè)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(cè)的靈敏度也不是很高而導(dǎo)致沒(méi)有監(jiān)測(cè)到黑帶。我們通過(guò)改變速度并作了多次試驗(yàn)后，設(shè)定 了一個(gè)可以檢測(cè)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(cè)量驚醒測(cè)試，通過(guò)角度測(cè)量，對(duì)小車的平衡進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)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(guò) 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(kāi)始上電測(cè)試時(shí)，小車基本沒(méi)有什么負(fù)載，也能