電動車蹺蹺板論文國賽題目

大學第六屆電子設計競賽電動車蹺蹺板作品論文參賽隊員：黃余周杰治岐二零一四年四月摘要本電動車蹺蹺板是以鐵板為車架，msp430單片機為控制核心，加以直流減速電機、LN298驅動電路、mpu6050陀螺儀、紅外光電傳感器、N5100液晶、NRF24L01無線模塊以及穩(wěn)壓電源電路以及其他電路構成。系統(tǒng)由msp430通過IO口控制小車的前進后退停頓平衡以及轉向，并通過NRF24L01把小車同電腦上位機連接，進展命令控制和數(shù)據(jù)發(fā)送。尋跡由CTRT5000型紅外光電對管完成，平衡由mpu6050陀螺儀完成，用L298N驅動直流減速電機，同時本系統(tǒng)用N5100液晶顯示，以顯示當前電動車的運動狀態(tài)以及各局部運行時間。關鍵詞：msp430NRF24L01L298N直流減速電機紅外光電傳感器mpu6050陀螺儀N5100液晶Abstracttheelectricvehicleseesawisanironplateframe,MSP430singlechipmicroputerascontrolcore,toDCgearmotor,LN298drivecircuit,mpu6050gyroscopes,infraredphotoelectricsensor,N5100LCD,NRF24L01wirelessmoduleandapowersupplycircuitandothercircuit.ThesystemconsistsofMSP430throughtheIOporttocontrolthecarforwardandbackstopbalanceandsteering,andthroughtheNRF24L01cartocarwithputerPCconnection,mandcontrolanddatatransmission.TracingbyCTRT5000typeinfraredphotoelectrictubefinish,balancedbympu6050gyroscope,L298Ndrivendcgearmotor,atthesametime,thesystemusedN5100liquidcrystaldisplay,toshowthemotionstateofelectricvehiclesandpartsoftherunningtime.Keywords:MSP430NRF24L01L298NDCmotorandinfraredphotoelectricsensormpu6050gyroscopeN5100LCD目錄一.模塊方案比擬與設計1.1車架設計1.2控制器模塊1.3電源模塊1.4尋跡傳感器模塊1.5電機模塊1.6電機驅動模塊1.7平衡模塊1.8顯示臺顯示模塊1.9無線連接模塊1.10上位機的制作二．硬件實現(xiàn)及單元電路設計2.1電機驅動電路的設計2.2黑白線檢測電路的設計2.3電壓穩(wěn)壓電路設計2.4液晶顯示屏電路的連接2.5MPU6050陀螺儀模塊電路設計2.6NRF24L01無線發(fā)送接收模塊電路設計三、算法實現(xiàn)：3.1循跡局部3.2電機驅動局部3.3液晶顯示局部3.4陀螺儀濾波局部3.5小車整體平衡算法局部3.6小車無線啟動算法局部3.7LABVIEW上位機的制作四、軟件設計1、小車上電后程序流程2.根底局部程序流程3.發(fā)揮局部程序流程4.小車循跡轉向程序流程五、系統(tǒng)功能測試1.根底局部2.發(fā)揮局部六、總結七、附錄1.小車單片機2.從機單片機模塊方案比擬與設計根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、無線模塊、尋跡傳感器模塊、平衡傳感器模塊、直流減速電機及其驅動模塊、液晶顯示模塊。本系統(tǒng)大概的方框圖如下列圖所示：電壓模塊電壓模塊單片機主控制器模塊循跡模塊陀螺儀無線模塊驅動電機報警信號液晶顯示為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設計了幾種方案并分別進展了論證。1.1車架設計方案1：購置玩具電動車。購置的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉速快，負載性能差，不易調速。而且這種電動車一般都價格不扉。因此我們放棄了此方案。方案2：自己制作電動車。經過反復考慮論證，我們制定了三輪電動車，后面兩輪分別驅動轉向。前面按一個萬向輪。即左右輪分別用兩個轉速和力矩根本完全一樣的步進電機進展驅動，前面裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流減速電機轉向一樣但轉速不同時就可以實現(xiàn)電動車的轉彎，由此可以輕松的實現(xiàn)小車的左轉和右轉。綜上所述，最后選擇方案二。1.2控制器模塊因為這個暑假我們將參加省賽，而這個比賽是由TI公司贊助舉辦的，需要用TI公司生產的芯片，為了熟練，因此我們這次選用該公司開發(fā)的msp43016位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、構造簡單、處理速度高、中斷處理能力強等特點。1.3電源模塊由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。方案1：采用8.4V大容量理電池，經過7805穩(wěn)壓電路把電壓穩(wěn)成5V之后，在經過ams1117穩(wěn)壓成3.3V為單片機以及一些相應的模塊供電。選用的鋰電池具有價格低，容量大，體積小和輸出電流大等特點。方案2：采用2節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共8.4V給直流電供電，經過7805的電壓變換后為單片機和傳感器供電。經過實驗驗證，當電池為直流電機供電時，單片機、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。因此我們放棄了此方案。綜上考慮，我們選擇了方案1。1.4尋跡傳感器模塊CTRT5000紅外光電對管是由一個發(fā)光管和一個接收管組成，當被測物是黑線時，紅外光電二極管U發(fā)射出的光線被反射回來時很弱，光敏三極管無法導通，所以跟隨器輸出給單片機的信號為低電平。相反的，當被測物是白線時，由于反射回的信號較強，致使三極管導通，然后把該點的電位經過393比擬器同電位器上調節(jié)后的電壓比擬，從而到達在遇到黑線和沒有遇到黑線時分別輸出上下電平。從而使小車可以沿著黑膠帶行走。此光電對管調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定，體積小，構造緊湊。1.5電機模塊方案一：用步進電機。步進電機可以準確地控制角度和距離。步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在轉速較高時會急劇下降，故其轉速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，并且它的體積大，價格高，質量大，另外步進電機的編程復雜，增加了編程的難度。

方案二：采用直流電機。直流電機運轉平穩(wěn)，精度也有一定的保證，雖然沒有步進電機那樣高，但完全可以滿足此題目的要求。通過單片機自帶的的PWM輸出同樣可以控制直流電機的旋轉速度，實現(xiàn)電動車的速度控制。并且直流電機相對于步進電機價格經濟。綜合性價比和功耗等方面的考慮，我們選擇方案二，使用直流電機作為電動車的驅動電機。1.6電機驅動模塊方案一：采用繼電器對電機的開關進展控制，可以完成電機的正轉，反轉，調速，但繼電器響應時間慢，使小車運動靈敏度降低，增加了避障的難度。而且機械構造易磨損，可靠性不高。它適用于大功率電機的驅動，對于中小功率的電機則極不經濟。方案二：采用SM6135W電機遙控驅動模塊。SM6135W是專為遙控車設計的大規(guī)模集成電路。能實現(xiàn)前進、后退、向右、向左、加速五個功能，但是其采用的是編碼輸入控制，而不是電平控制，這樣在程序中實現(xiàn)比擬麻煩，而且該電機模塊價格比擬高。方案三：采用集成的驅動電路芯片L298N。L298N驅動芯片具有體積小，可靠性平安性高，抗干擾能力強等優(yōu)點，適合控制智能小車的運動。且有較大的電流驅動能力，連接方便簡單。我們上學期參加小車比賽的時候用過此驅動芯片，有一定的電路搭建運用經歷。綜合以上考慮，我們選擇方案三，使用L298驅動直流電機。1.7平衡模塊方案一：采用水銀開關探測蹺蹺板平衡度，其原理是蹺板左偏水銀開關電路導通，右偏水銀開關斷開電路不通，這樣控制電動車在平衡點小角度來回擺動來使蹺蹺板動態(tài)平衡，安裝簡單而且本錢很低。但控制精度很低，不易實現(xiàn)題目要求。方案二：采用MPU6050六軸加速度陀螺儀模塊，把陀螺儀的數(shù)值傳回來，經過單片機的濾波，然后轉化成角度來判斷蹺蹺板的傾斜角度。該模塊具有體積小、精度高、采集速度快和操作代碼簡單等特點。綜合以上考慮，我們選擇方案三，使用MPU6050陀螺儀測量角度。1.8顯示臺顯示模塊方案一：用數(shù)碼管進展顯示。數(shù)碼管顯示速度快，使用簡單，顯示效果簡潔明了。但是現(xiàn)實容單一，但不能顯示漢字，顯示容較少，人機關系較差。而且需要單片機實時掃描，占用單片機CPU存多。方案二：采用N5100LCD顯示。LCD可以用全中文界面顯示，顯示容豐富，易于人機交流，且可以串行接口，節(jié)省I/O資源，顯示簡單?？紤]到此題的要求，只需要一片LCD就可以實現(xiàn)，故我們選擇方案二。1.9無線連接模塊因為我們小組想通過電腦上位機無線控制現(xiàn)車的運行，以及實時監(jiān)視小車左右輪點擊的速度和蹺蹺板的平衡角度。因此我們需要選擇一組無線模塊，經過綜合考慮，我們選擇NRF24L01無線模塊，它具有價格低、體積小、資料豐富、發(fā)送穩(wěn)定和距離遠等特點。1.10上位機的制作 我們選用LABVIEW軟件制作上位機，LABVIEW是圖形化制作上位機的一款軟件，具有操作簡單、上手快、控件豐富和制作周期短等特點。因此我們就選擇該軟件制作我們需要的上位機。最終方案經過反復論證，我們最終確定了如下方案：1采用TI公司的MSP430單片機作為主控制器。2電機采用直流減速電機。3采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片。4采用CTRT5000紅外光電對管制作尋跡模塊。5采用MPU6050雙軸傾角傳感器。6采用8.4V大容量理電池供電。7采用N5110液晶顯示行進中的傾角。8采用NRF24L01驚醒無線通信9采用LABVIEW制作上位機二．硬件實現(xiàn)及單元電路設計2.1電機驅動電路的設計L298N驅動直流電機，它靠兩個引腳控制一個電機的運動。智能尋跡小車采用后輪驅動，左右后輪各用一個直流減速電機驅動，通過調制后面兩個輪子的轉速或正反轉來到達控制小車轉向的目的。芯片引腳和功能如圖1，驅動電路如圖2。ENAP4.6左電機使能端EABP4.7右電機使能端IN1P4.1左電機PWM控制輸出IN2P4.2左電機PWM控制輸出IN3P4.3右電機PWM控制輸出IN4P4.4右電機PWM控制輸出圖1L298N的引腳和圖2驅動電路圖2.2黑白線檢測電路的設計：通過光電檢測器來實現(xiàn)黑白線的監(jiān)測，當檢測到黑線時輸出端為低電平，白線時為高電平。兩個TCRT5000來實現(xiàn)小車走直線。輸出端要加上拉電阻，才能得到穩(wěn)定信號，其原理圖如下圖。2.3電壓穩(wěn)壓電路設計：電池電壓8.4V進來，首先然后經過LM7805穩(wěn)壓成5V，然后再經過AMS1117降壓成3.3V供單片機個整個系統(tǒng)使用。經過兩輪降壓的目的是為了使電壓更加的穩(wěn)定，防止過大的壓降使穩(wěn)壓管燒毀。設計電路圖如下列圖所示：2.4液晶顯示屏電路的連接：該款液晶顯示器為NokiaN5110液晶顯示器，它由48*84點矩陣LCD組成。該液晶顯示器不同于LCD1602，它本身沒有字庫，所以需要人為制作字庫，但是，在繪制圖畫方面它與1602相比具有明顯的優(yōu)越性。正因為它沒有字庫，每一幅圖片都由人為取碼完成數(shù)字圖片繪制，這使圖片的顯示更為簡單。在該學習板上采用模擬SPI通信，但它本身可以采用標準SPI協(xié)議通信的，因而其顯示速度可以滿足一般要求。1腳VC為3.3V電源接入2腳為GND3腳CE為片選4腳RS為復位腳5腳DC為命令數(shù)據(jù)存放器選擇線6腳DN為串行數(shù)據(jù)線7腳CK為時鐘信號線8腳BL為背光燈控制接口2.5MPU6050陀螺儀模塊電路設計：MPU-6000為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MPU-6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運動處理(DMP:DigitalMotionProcessor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應用端輸出完整的9軸融合演算技術。標準的IIC通信協(xié)議，芯片置16bitAD轉換器，16位數(shù)據(jù)輸出。2.6NRF24L01無線發(fā)送接收模塊電路設計：NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM頻段的單片收發(fā)芯片，無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器增強型SchockBurstTM模式控制器功率放大器晶體放大器調制器解調器輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進展設置極低的電流消耗。〔軟件設置1Mbps或者2Mbps的空中傳輸速率〕3.CE芯片的模式控制線。4.CSN為芯片的片選線5.SCK為芯片控制的時鐘線(SPI時鐘)6.MOSI為芯片控制數(shù)據(jù)線7.MISO芯片控制數(shù)線8.IRQ中斷信號引腳。三、算法實現(xiàn)：3.1循跡局部：由于小車是在蹺蹺板上行走，而又不能保證左右輪電機的轉速完全一樣，為保證小車能正常在蹺蹺板上行走，故采用在蹺蹺板上貼黑膠帶引導小車行走的做法，。在運行過程中會有小車反復前進后退的情況，經過屢次試驗后，采取在小車前后均設置兩個光電對管的做法。當小車前進時，翻開前面的光電對管為小車循跡，后退時用后面的光電對管循跡。最后試驗證明方案可行，在前進和后退的過程中均能穩(wěn)定地沿著黑線運行。3.2電機驅動局部： 小車在運行的過程中需要得到不同的行走速度，而我們采用的是直流減速電機，故采用用單片機輸出占空比不同的PWM波來控制電機轉速和方向的方式，單片機一共需要輸出4路PWM，每兩路PWM波控制一個電機。具體做法是，通過設置msp430部的定時器2然后在P41~P44這四個引腳上輸出4路PWM波。固定電機一段輸入低電平，另一端輸入電壓為8.4Ｖ的PWM波來控制正轉。反之控制電機反轉?！蚕嚓P代碼見后面附錄〕3.3液晶顯示局部： 由于我們組采用的是N5110這塊液晶屏，操作引腳少，顯示容靈活，但不自帶字庫，所以我們采取字體取模的方式得到不同大小，不同字體的字碼，并復制到程序的數(shù)組中。并采用模擬SPI總線協(xié)議的方式對液晶屏進展控制。實驗結果證明顯示效果好、容豐富和反響速度快。3.4陀螺儀濾波局部： 我們采用MPU6050陀螺儀測傾角的方法，直接讀回來的是各軸的加速度和角加速度，并不是我們想要的傾斜角度，而且不穩(wěn)地。如果直接用靜態(tài)的加速度換算得到的角度，在蹺蹺板轉動時，得到的角度很有很大的波動和很多干擾波刺。因此我們需要對采集回來的數(shù)據(jù)進展濾波以及融合成需要的角度。我們采用的是互補濾波的方法，并通過自己用LABVIEW寫的上位機軟件對濾波前后的波形進展比對，進而反復對互補濾波參數(shù)的調節(jié)。 通過msp430部的定時器1設置對陀螺儀的采樣周期T，經過屢次試驗我們采用的采樣周期為5ms，然后對每次得到的陀螺儀角加速度進展積分，再代入互補濾波公式跟靜態(tài)值進展數(shù)據(jù)融合，得到對水平面真實的傾斜角度。經過反復屢次的實驗，最終得到下面比擬適宜的參數(shù)。靜態(tài)換算的角度值：acc_angle=atan2(acc_*,acc_z)*(180/3.14159265);陀螺儀的轉動角速度計算：gyr_angle=(float)(gyro_data+53)/16.4;互補融合：angle=(0.97)*(angle+y*dt)+(0.03)**;//angle為真實的傾角下面是一濾波過程中濾波效果的截圖：3.5整體小車平衡算法局部：①一開場調節(jié)小車的時候，我們采用采用PID算法中的PD來閉環(huán)〔角度環(huán)〕控制的方式來調節(jié)蹺蹺板平衡，讓小車在平衡點附近來回運動尋找平衡點。平衡曲線類似于欠阻尼平衡的曲線〔如下列圖〕。采用的控制公式：電機輸出=Kp×角度+Kd×角速度經過屢次反復的調節(jié)，運行發(fā)現(xiàn)無法在規(guī)定的時間穩(wěn)定下來。原因是蹺蹺板是采用鐵板材料做成的，重量很大，轉動起來之后有很大的慣性。而小車比擬輕，小車運行過平衡位置很長的一段距離之后，蹺蹺板才開場擺動，所以存在很大的滯后性，因此整個系統(tǒng)的靈活性和響應速度跟不上。無論我們的參數(shù)怎么調節(jié)，始終沒有到達我們需要的效果。最后，我們決定換一套方案。②經過上面所述的屢次試驗失敗之后，我們發(fā)現(xiàn)采用欠阻尼式的調節(jié)方法不可行。所以我們換成了過阻尼式的調解方案。我們先讓小車在之前PD調節(jié)的根底上快速找到平衡點的位置〔即讓小車在蹺蹺板上快速前進，直到蹺蹺板轉到轉到另一端著地〕，接下來改成逐次逼近的方式讓蹺蹺板進入平衡圍。蹺蹺板的角度平衡曲線如下列圖所示〔圖片僅其參考作用〕：具體的做法是：因為由前面的失敗實驗知道，不能讓蹺蹺板擺動起來，所以我們不能讓小車保持連續(xù)的前進狀態(tài)。所以，我們得采取措施消除蹺蹺板轉動時的慣性，我們讓小車前進一段時間t1，接著停頓一段時間t2的做法。這樣的話，在蹺蹺板轉動起來之后，小車聽停一段時間t2，把蹺蹺板穩(wěn)住，消除它的轉動慣性。小車的速度每次都按照speed=speed*2.0/3的幅度衰減。直到蹺蹺板的切斜角度板進入題目要求的圍之。經過屢次反復的實驗和參數(shù)的調節(jié)，發(fā)現(xiàn)這種方案可行，蹺蹺板平衡的各項要求均能在小于題目要求的時間完成。3.6小車無線啟動算法局部： 由于本次比賽的時間比擬充裕，為了提高作品的運行效果和充分發(fā)揮我們的創(chuàng)新能力。我們小組決定在完成題目要求的根底局部和發(fā)揮局部的根底上，增加電腦上位機無線控制小車運行的功能。具體的做法是增加一塊單片機最小系統(tǒng)作為通信的從機。小車和從機板上均連接一塊NRF24L01的無線模塊，然后寫入操作無線模塊的程序實現(xiàn)小車和從單片機進展命令和數(shù)據(jù)交換。由于NRF24L01的傳輸速度快，參加模塊之后根本上不影響小車的運行效果，但是加大了代碼的容量和復雜度。經過實際的實驗操作調試，發(fā)現(xiàn)此想法可行，有不錯的運行效果。 小車上電復位之后，停頓在原地等待從機的啟動命令。一旦接收到從機發(fā)送的啟動命令，馬上開場運行。并實時把蹺蹺板的傾斜角度和小車左右輪的速度發(fā)送回來給從機接收。然后通過串口把數(shù)據(jù)顯示在PC機的上位機上。3.7LABVIEW上位機的制作： 我們采用labview軟件來制作我們所需要的上位機軟件，該上位機是基于串口的根底上的。用labview上與串口相關的控件實現(xiàn)PC機與從單片機之間的連接。用連接、VISA配置串口、屬性節(jié)點、VISA讀取、VISA寫入、VIASA關閉這六個函數(shù)就可以實現(xiàn)PC機與單片機之間的串口連接。用匹配模式函數(shù)可以把從單片機傳上來的字符串分解成各個局部。加上其他一些函數(shù)空間對數(shù)據(jù)的轉化和處理便可在電腦上通過前面板上把數(shù)值以指針和量表的形式顯示出來。 最終制作好的上位機局部底層函數(shù)框圖如下：最終制作好的上位機前面板如下：四、軟件設計1、小車上電后程序流程圖如下所示：2.根底局部程序流程圖如下列圖：3.發(fā)揮局部程序流程圖如下列圖：4.小車循跡轉向局部：五、系統(tǒng)功能測試根底局部：不同狀態(tài)下電動車行駛和停留時間測量數(shù)據(jù)A點到達中點第一次第二次第三次時間〔秒〕656尋找平衡第一次第二次第三次時間〔秒〕353837中點平衡第一次第二次第三次時間〔秒〕555中點到B點第一次第二次第三次時間〔秒〕566退回原地第一次第二次第三次時間〔秒〕505156電動車從起始端A出發(fā)，在6秒鐘行駛到中心點C附近；35秒鐘之，電動車在中心點C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5秒鐘，并給出明顯的平衡指示；電動車從平衡點出發(fā)，5秒鐘行駛到蹺蹺板末端B處〔車頭距蹺蹺板末端B不大于50mm〕；電動車在B點停頓5秒后，10秒鐘倒退回起始端A，完成整個行程；在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，最終并分階段實時顯示電動車行駛所用的時間。發(fā)揮局部：打破平衡后電動車重新平衡所用時間的測量數(shù)據(jù)尋找第一次第二次第三次時間〔秒〕354037電動車從A點出發(fā)