电动车跷跷板

1、电动车跷跷板_目录摘 要22 方法设计与论证22.1 总体方案描述22.2 控制器模块的比较和论证32.3 电机模块的比较和论证32.4 显示模块的比较和论证32.5 循迹模块的比较和论证32.6 倾角测量模块的比较和论证42.7蜂鸣器的比较和论证42.8上板方案的比较和论证43 系统硬件、软件的实现53.1 硬件实现53.1.1 单片机53.1.2 显示模块电路63.1.3 倾角测量模块电路63.1.4 循迹模块电路73.1.5 蜂鸣器电路73.2 软件实现83.2.1 程序流程图83.2.3算法104 系统测试104.1基本部分测试结果104.2 发挥部分测试结果105 总结10参考文献1

2、2附 录13附录1：原理图13附录2：算法程序14电动车跷跷板的设计与制作摘 要为适应跷跷板的特殊情况，进而实现在有配重的情况下均能在规定的时间内达到平衡状态。本设计以MSP430F149单片机为控制核心，通过舵机控制电动车行进与停止，通过红外光电传感器来确定行进路线，通过倾角传感器控制跷跷板平衡，通过LCD液晶显示来显示时间、角度等参数。关键词：MSP430F149、倾角传感器、跷跷板1引 言本设计较好地解决了电动车在翘翘板上的运行和平衡问题，通过红外光电检测、角度测量机电机驱动在跷跷板上实现了在不同情况下的自动寻找平衡点的功能。2 方法设计与论证2.1 总体方案描述整个系统分为控制部分和信

3、号检测部分。控制部分包括显示模块、控制模块和电机驱动模块三个部分。信号检测部分由循迹模块及倾角测量模块组成。循迹模块用以检测黑线从而引导电动车在跷跷板上运动以及初步寻找到C点附近。倾角测量模块用以测量跷跷板的倾角，将数据传输到控制模块（MSP430F149）来判断是否平衡进而对舵机发出指令来最终找到平衡点。图2.1 系统框图2.2 控制器模块的比较和论证方案一：51系列单片机，是8位单片机，体积小，低功耗，控制能力强，扩展灵活，使用方便。但是其运行速度很慢，（因为是CISC（集中指令）结构，而且芯片为了抗干扰采用了12分频的方法）、所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱。方案二：MS

4、P430F149单片机，是16位单片机，处理能力强，超低功耗，并且运算速度快。相比较之下选择方案二。2.3 电机模块的比较和论证方案一：采用直流电机做电动车的动力。直流电机驱动电路设计简单，易于控制，但是直流电机惯性大、响应慢、不便于精确控制转速，考虑到题目对精度要求较高，采用直流电机不容易实现，故不宜采用此方案。方案二：采用舵机做电动车的动力，舵机精度高、惯性小、响应快便于精确控制转速和转向，能更好的实现系统的功能。相比较之下选择方案二。2.4 显示模块的比较和论证方案一：12864液晶显示，12864不仅能显示数字符号，还能显示汉字与图形，操作方法与其他液晶显示相似。但其体积较大，不适于用

5、在此系统中。方案二：采用1602液晶显示，1602能显示字母、数字、符号，功能上完全满足此系统的要求。而相比于12864液晶显示，1206体积较小，更适合此系统。相比较之下选择方案二。2.5 循迹模块的比较和论证方案一：摄像循迹， 小车行驶过程中，通过摄像头探测前方的黑线，将采集到的信息传回单片机，通过判断黑线的形状和曲率调整舵机转角，使小车沿黑线行驶，达到循迹功能。但其成本高，软件设计复杂，设计制作周期长。方案二：红外循迹，相比于摄像循迹其电路设计相对简单、检测信息速度快、成本低。不过容易受外界光线干扰。在此系统中红外循迹能够满足系统要求。相比较之下选择方案二。2.6 倾角测量模块的比较和论

6、证方案一：倾角传感器，感应倾斜偏差角度的，将数据反馈给单片机。操作简单、编程较容易、成本低。方案二：陀螺仪传感器，测量角速度的，感应动作变量，进而控制舵机进行修复动作命令。相比于倾角传感器，陀螺仪传感器成本高。虽然其功能更强大，但综合考虑之下选择方案二。2.7蜂鸣器的比较和论证方案一：无源蜂鸣器，“源”并不是指电源而是指振荡源，无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K-5K的方波去驱动它。便宜、声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果、在一些特例中，可以和LED复用一个控制口。方案二：有源蜂鸣器，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫，并且程序控制方便。相比较

7、之下选择方案二。2.8上板方案的比较和论证方案一：利用给定的黑线让其自由上板，示意图如图2.1所示。其缺点在于由于扇形面积有限，如果对其进行轨迹线分布时会造成多条轨迹线相交，使其传感器无法判别，并且易受外界的干扰。但其原理控制简单。图2.2 上板方案一原理图方案二：采用两个红外对管对齐扇形边界进行检测，结构物如图2.2所示。当其左边红外对管检测到黑线时其向右转，并进行50ms延时。右边红外对管同理。并且可以精确的、不受外界干扰的上板。图2.3 上板方案二原理图综上所述，选取方案二。3 系统硬件、软件的实现3.1 硬件实现3.1.1 单片机本作品用的MSP430F149最小系统电路如图3-1所示

8、。图3.1 MSP430F149最小系统电路图3.1.2 显示模块电路液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。图3.2 LCD1602电路图3.1.3 倾角测量模块电路图3.3为倾角传感器块电路图。加速度計选用Analog Device（亚德诺半导体）公司的ADXL345，该传感器是一款三轴数字加速度传感器，其感应精度可达3.9mg/LSB，倾角测量典型误差小于1，且感知加速度的最大

9、范围是 16g。具有超低功耗、采样速率可调、测量模式可调等特点。在实际使用过程中，一般设置感应范围为 2g，感应精度为3.9mg/LSB，這样可以提高输出数据的稳定性，满足系统加速度范围和精度要求。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或者冲击导致的动态加速度。图3.3 ADXL345电路图3.1.4 循迹模块电路TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而经过ADC转换或LM324等电路整形后得到处

10、理后的输出结果.电阻的变化起取于接收管所接收的红外信号强度,常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两二方面.硬件参考原理图如下:图3.4 TRCT5000电路图3.1.5 蜂鸣器电路因为单片机的IO口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，你要是输出高电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音。图3.5 蜂鸣器电路图3.2 软件实现3.2.1 程序流程图流程图如下：图3.6 电动车跷跷板流程图3.2.3算法本设计采用的是PI算法，原本采用模糊控制算法，但是鉴于难于实

11、现，所以系统采用增量式PI控制算法，算法中的比例，微分系数经过我们几次的实验，最终确定比例系数为55，微分系数为54，并且在此基础上我们对其输出角度进行滤波，并且给程序中加入了相关的板子相关消抖程序，本控制系统是以角度为反馈来控制车速，来达到平衡，本程序相关算法程序如附录二所示。4 系统测试4.1基本部分测试结果表4.1 基本部分测试结果到达C点附近（30s）寻找平衡点(60s)保持平衡(5s)到达B点(30s)离开B点(5s)返回初始点(60s)总计（190s）第一次5s15s5s6s5s9s45s第二次5s48s5s7s5s9s79s第三次5s26s5s6s5s12s59s4.2 发挥部分

12、测试结果表4.2发挥部分测试结果次数第一次第二次第三次时间（s）35s41s48s由以上两组数据可知时间的偏差主要是因为平衡时间的偏差引起的，不过这些偏差还在可控范围内。5 总结这一周我们小组设计了基于MSP430F149的电动车跷跷板，这是我们第一次做这样的试题，说实话感觉还是比较辛苦的，主要是感觉时间比较紧。不过这应该是因为第一次的缘故，我们相信以后我们会做得更好。电动车跷跷板这个题目着实不容易，为了让小车能够找到平衡点我们确实花了不少心思，最后能够成功我们也感觉很高兴。我相信我们在以后的练习和比赛中一定会做得更好。参考文献1 赵章吉主编电工电子技术基础郑州：大象出版社，20072 刘修文

13、编写图解电子制作技术要诀北京：中国电力出版社，20053 朱力恒电子技术仿真实验教程北京：电子工业出版社，20034 黄智伟基于Multisim 2001的电子电路计算机仿真设计与分析北京：电子工业出版社，20045 臧春华电子线路设计与应用北京：高等教育出版社，2004附 录附录1：原理图附录2：算法程序int PID()/增量式PIDif(n12)&(n22)motor_stop();n1=0;n2=0;int change;dis_data(); Angel_data();int a1=30; bbef=bef; bef=now; now=angel_xyz1;err_now = set

14、 - now;err_bef = set - bef;err_bbef = set - bbef;change = kp*(err_now - err_bef) + ki*err_now +kd*(err_now - 2*err_bef+ err_bbef); if(change 50) change=change/20;if(flag170)n1+; / TACCR1=18510-a1; /PWM的低电平时间 / TACCR2=18505+a1; TACCR1=TACCR1-change; /go /PWM的低电平时间 TACCR2=TACCR2+change; if(TACCR118530) TACCR2=18505+a1;else if(change 190)n2+; TACCR1=TACCR1-cha