2007年电子设计大赛报告

1、第八届全国大学电子设计竞赛（2007年）电动车跷跷板摘要：本设计中的电动车跷跷板运动控制系统以AVR系列单片机为控制核心，带光电编码器的伺服电机作为受控执行机构，能够精确的控制速度，快速到达指定位置。利用陀螺仪与SCA103T倾角传感器，能精确测量跷跷板的倾斜度。采用红外对管检测地面及跷跷板上的引导线，确保电动车不偏离跷跷板。同时还具有良好人机交互界面。系统采用基于变速积分式PID控制理论的伺服电机控制算法。本设计的算法简洁优化，电机控制稳定可靠，很好地完成了设计各项要求。关键词：运动控制 AVR单片机 伺服电机 PID算法 倾角传感器 Abstract:In this design elec

2、tric car seesaw movement control system take the AVR series MPU as the control core,brings the increase type photoelectricity encoder the servo electricalmachinery achievement to receive controls the implementing agency, canthe precise control speed, fast arrive assigns the position. Using thegyrosc

3、ope and the SCA103T inclination angle sensor, can the precisionmeasuring seesaw gradient. Uses infrared examines on the ground andthe seesaw to the tube . Simultaneously also has the goodman-machine interactive contact surface. The system uses based on thespeed change integral PID control theory ser

4、vo electrical machinerycontrol algorithm. This design algorithm succinct optimization, theelectrical machinery control stable is reliable, completed well hasdesigned each request.Keywords: motion control ;AVR single chip; PID algorithm; servomotor ; algorithm inclination angle sensor（一）系统方案1.1实现方法本设

5、计以检测引导线的方式，使电动车不偏离跷跷板。使用倾角传感器检测跷跷板的倾斜角度，并把角度信号传送给主控器。主控器经过分析计算后，并结合PID控制算法及PWM调速来控制两个电机转动，从而实现跷跷板平衡及其他各项功能。1.2方案论证与比较1.21控制系统的结构图1 系统结构框图1.22车体驱动方式的选择与论证方案一：采用四轮后二轮（或者前二轮）驱动方式。这种方式美观，稳定，易控制。但是制作时间长，轮子也不容易找到。方案二：采用三轮后二轮驱动方式。这种方式易控制，万向轮容易在市面买到，制作简单。本设计考虑到时间等因素，采用第二种方案。1.23微控制器的选择与论证方案一：使用51系列单片机。这种单片机

6、的开发技术成熟。但这种单片机时钟周期较长，单片机处理能力不高，运算速度较慢。方案二：使用AVR系列单片机。这种单片机采用先进RISC结构，工作性能达1MIPS/MHz，运算速度快，能完成较复杂的运算，并且内部资源丰富。本设计要求单片机具有较高的运算能力，以便小车能很快的定位。并且AVR单片机内部集成A/D转换器，因此，主控制器的设计采用方案二。1.24 路径检测方案的选择与论证方案一：采用霍尔元件集成片。当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮底下安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。方案二：采用CCD摄像头。采用CC

7、D摄像头和图像采集卡对曲线进行识别。这种技术目前较成熟而且寻线效果很好，但是对单片机的运算速度要求较高，算法设计方面也较复杂，成本相对昂贵。方案三：选用基于A/D转换的反射式红外对管。这种传感器具有较高的性价比，操作简单，采集的数据量相对较小，普通单片机完全可以胜任，可以达到很好的识别效果。本设计要求设计简单灵活，系统成本较低，综合以上三种方案，设计采用方案三。1.25电机的选择与论证电机驱动小车行驶在跷跷板上。电机的选择要求定位精确，运行可靠，并且具有较高的运动速度。针对以上需求，提出以下两种设计方案：方案一：使用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机不

8、存在累计误差，只有周期误差。但其电机采用开环控制且存在低频性能差，负载能力弱的缺点。方案二：选用带编码器的直流伺服电机。其电机采用闭环控制，在码盘精度保证的情况下可以做到精确控制。基于PID调节算法可以有效的降低其控制误差，且其具有良好的低频特性和带负载能力。由于系统对电机控制精度要求高，在慢速条件下能平稳控制的电机系统，伺服电机是相对较好的方案，故采用方案二。1.26电机驱动方案的选择与论证方案一：采用继电器对电动机的开关进行切换，以对小车的速度进行调整。但是继电器的响应时间慢，易损坏，可靠性不高。方案二：采用型全桥驱动电路。用单片机产生PWM 调速信号控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关

9、状态，精确控制电机转速。但是分立原件的焊接时间长，增加了制作时间。方案三：采用专用集成电机驱动芯片L298，它内部集成了两个桥式电路，能同时控制两个电机的正反转。简单易行，容易满足设计的要求。基于以上分析，我们选择方案三。1.27车体倾角检测方案的选择与论证方案一：采用电位器测量跷跷板的摆动角度。在支架上安装一个电位器，跷跷板摆动时，就会使电位器输出不同的电压值，经A/D转换后，通过无线方式发送给主控器，从而判断跷跷板是否达到平衡。此方案无需高价的角度传感器，构架简单。但是传输过程中容易受到干扰，精度无法得到保障。方案二：采用ADXL202加速度传感器。ADXL202是一种低成本、低功耗、功能

10、完善的双轴加速度传感器。它既可测量加速度，又可测量倾斜度，且测量精度高。把 ADXL202水平安装在小车上，当它处于平衡状态时，输出电压是电源电压一半；当它处非平衡状态时，输出电压将与平衡电压产生一个差值。主控器通处理分析这个差值，以控制电机的转速，使跷跷板达到平衡。方案三：采用SCA103T倾角传感器，此传感器为单轴，角度测量范围为正负30度。具有分辨率高、低噪声、工作温度范围宽，抗冲击力强等一些列优点。MCU通过SPI串口读取其数据，应用非常灵活。方案四：采用EK2-0704A双感度微型锁尾陀螺仪。 在本设计中要使跷跷板达到平衡，必须精确测量跷跷板的倾斜角度。故采用第三种方案。1.28显示

11、与按键方案的选择与论证方案一：采用独立键盘与LED显示器。这种方式硬件电路结构简单，容易用软件实现本设计的功能。其缺点是键盘与LED都需要占用大量的IO口。方案二：采用矩阵键盘与LCD显示器。这种组合是一种常见的方式，界面友好，技术成熟。并且它们只需占用少量的IO口就可以正常工作。基于以上分析，我们选择方案二。1.29电源方案的选择与论证方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做虽然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，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。 方案二：采用单一电源。这样供电电路比较

12、简单；但是由于电动机启动瞬间电流较大，而PWM 驱动的电动机电流波动很大，会造成电压不稳。我们认为小车的机动性和灵活性更为重要，故采用方案二，但是对电源部分进行了处理，使得单片机的电源相当稳定。（二）理论分析与计算2.1对象模型分析图2 模型示意图说明：跷跷板的质量为2m，跷跷板的长度为：2L。小车的实际参数：m1=1.15kg m=1.5kg L=0.8m 我们只讨论没有加配重的情况，忽略小车的转动惯量，我们得到：根据力矩平衡条件，我们可以得到第一个动力学方程，假设木板顺 时针的转动方向为正：我们令,得到：另外对小车的受力进行分析，我们得到第二个动力方程：我们假设： ，得到状态方程：输出方程

13、为：将数据代入之得到状态方程：系统的特征方程为由 ，根据实际的参数解得系统的特征根为：，其中有三个极点落原点上，由李雅普诺夫第一法得系统不稳定。又可以求得系统的能控矩阵为：，即矩阵满秩，系统可控同理：因此系统是可观测的。综上：系统是一个不稳定的系统，但可控可观测。2.2控制方法分析本系统采用伺服电机闭环控制，结合PWM波调节电机转速。由于系统对速度精确度要求较高，所以传统的PID算法容易超调及产生积分饱和。故采用变速积分式PID算法。公式如下：2.3检测单元分析与计算2.31小车行程及速度的检测采用自制的光电编码盘计算小车的行程及速度。电机转动，编码盘就有输出脉冲。假设电机转动一圈，编码盘输出

14、A个脉冲，车轮的半径为R。则小车所行驶的路程S =A*Pi*R*R(其中Pi为：3.1415)。在单位时间t内测出的路程就是速度：v = s/t。 图3简易编码盘示意图2.32小车倾角的检测 小车的倾角检测是本系统的核心部分，跷跷板的角度摆幅在正负6度内。我们采用型号为SCA103T的高精度倾角传感器，角度测量范围为正负15度。角度测量公式为：其中VDout是输出量，Offset是VDout与角度为0度时输出量的差值。Sensitivity传感器的灵敏度。2.33小车与引导线相对位置的检测电动车在跷跷板上正向行驶和返回的时，都需要检测黑线，确保电动车不偏离跷跷板。为此在电动车的前后各装了8对光

15、电对管。 图4，光电对管排图如图4所示。电动车向前行驶时，3和4在黑线上，电动车偏离轨道时，2或5最先检测的到黑线，其次是0，1，6，7。根据各个管子偏离中心线的位置来调整PID算法与PWM波的参数，最终实现设计要求的功能。（三）系统的具体设计与实现3.1系统的硬件设计3.11主控制单元模块该模块的设计是基于一个Mege128的最小系统，以此作为主控器，完成高端的信息处理。其部分核心电路原理图如图3所示。3.12路面引导线检测模块该模块设计使用基于A/D转换的红外检测单元，进行黑线的识别。16个光电对管分成两组，每组排成一行，分别安放在小车的前后。部分电路原理图如图5所示。图5 部分寻线电路图

16、3.13电动机PWM驱动模块该电路是利用TTL电平进行控制，通过单片机的IO口输出高低电平，控制电机两边的电平高低，从而实现电机的正反转，很方便单片机的操作，亦能满足直PWM波调速的要求。电机切换正反转时电流不能突变，瞬间会产生很大的电流，为防止烧毁电机，故加续流二极管保护电机。为了防止L298的倒灌电流烧毁单片机，可以采用二极管把单片机与L298隔离。电动车驱动电路实现如图所示。 图6 L298驱动电路图3.14车轮速度检测模块 光电编码器输出的波形不规则。于是我们利用LM393比较器把它纠正为方波。整型前后的波形如图7所示。比较器电路如图8所示。 图7波形图 图 8比较器电路图3.15倾角

17、检测模块 本模块能精确检测跷跷板的倾斜角度，并把角度信号传给主控器，从而控制跷跷板平衡。SCA103T的测角电路图，如图9所示。 图9角度测量电路图 3.16按键与显示模块3.2 总电路图总电路图见附件。3.3 系统的软件设计 本系统以AVR系列单片机作为控制器，利用C语言易移植，易读，高效等优点，来编写整个系统的软件。 在程序设计上充分利用AVR单片机的硬件资源：定时器、中断、USART通信，SPI串口通信等。电机转速控制采用变速积分式PID算法与定时器产生的PWM波控制。当红外光电对管检测到黑色引导线后，立刻以低电平形式通过IO口返回给单片机，实现循迹。小车的行驶路程与速度通过，定时器与光电编码盘来实现。角度传感器检测到跷跷板的角度后，把角度信号通过SPI通信传送到单片机。单片机处理后，通过USART通信，向从控机发送命令控制电机转动，进而实现平衡。主程序流程如10所示，循线控制流程如图11所示，平衡控制流程如图12所示。 图10 主程序流程 图11偱线控制流程 图12平衡控制流程（四）测试与结果分析4.1 测试分析4.11测试仪器秒表、米尺4.12测试方法将小车放到起始位子，开启电源，让小车自由行驶，用秒表记录各行程段中所用的时间并与显示时间做对比，并记