电动车跷跷板设计报告

西安邮电大学第五届TI杯大学生电子设计竞赛设计报告参赛序号参赛题目电动车跷跷板参赛队员指导教师报告日期电动车跷跷板设计报告摘要本设计是一种基于ARM单片机控制的简易智能自动小车系统。我们进行了各个单元电路方案的比较论证以及确定，系统选用MINISTM32板子作为电动车的控制核心,利用红外光电传感器TCRT5000在跷跷板上进行寻迹，实现小车走直线功能，对于平衡点的寻找，选用MMA7361LC倾角传感器测量跷跷板水平方向倾角，对于关键的小车动力部分，经过充分比较、论证，最终选用了控制精确的步进电机，其最小步进角09度，系统显示部分选用液晶显示器TFTLCD，编程容易，美观大方。采用单片机内部时钟实现精确计时。关键词倾角传感器，红外对管，步进电机，MINISTM32ABSTRACTTHISDESIGNISAKINDOFSIMPLEINTELLIGENTAUTOMATICCARBASEDONARMSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEMWECOMPAREEACHUNITCIRCUITSCHEMEOFARGUMENTANDDETERMINED,SYSTEMCHOOSESTHEMINISTM32BOARDASTHECONTROLCOREOFELECTRICCARS,USINGTHEINFRAREDELECTRICSENSORSTCRT5000TRACINGONTHESEESAW,THECARINASTRAIGHTLINEFUNCTION,FORFINDINGABALANCE,CHOOSEMMA7361LCANGLESENSORONTHESEESAWHORIZONTALANGLEFORKEYCARDRIVEPART,BEENFULLYCOMPARISON,FINALLYCHOSEPRECISESTEPPERMOTORCONTROL,THEMINIMUMSTEPANGLEOF09DEGREESSYSTEMDISPLAYSPARTCHOOSESLCDTFTLCD,EASYPROGRAMMING,THEBEAUTYISGENEROUSMCUINTERNALCLOCKTOACHIEVEPRECISETIMINGKEYWORDSTILTANGLESENSOR,INFRAREDSENSOR,STEPPERMOTOR,MINISTM321系统设计方案11电动车跷跷板原理电动车跷跷板的关键是循迹模块和平衡模块。这里的循迹是指小车在白色地板上沿黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是按照是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限。平衡是指小车在跷跷板上要能够找到平衡位置，即跷跷板与水平面的夹角为0。由于无法达到绝对平衡，所以只要跷跷板与水平面之间夹角不超过28度可以近似看做平衡。故我们用到了倾角传感器来测量跷跷板与水平面之间的夹角。平衡模块采用MMA7361加速度角度传感器测量角度。加速度角度传感器是通过测量由于重力引起的加速度计算出器件相对于某一平面的倾斜角度。角度传感器反应灵敏、输出数据准确且价格适中。利用加速度传感器进行角度测量分为3种单轴倾角测量、双轴倾角测量和三轴倾角测量。在实际使用中，查阅所用传感器MMA7361技术手册及利用加速度传感器测量角度的原理，可得输出电压与测量角度的关系为其中，VOUT表示加速度传感器的输出电压，VOFFSET表示重力加速度为0G加速度传感器的偏移量，表示加速度传感器的灵敏度，1G表示地球上的重力加速度，表示偏转角度。12控制系统总体设计电动车跷跷板控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图21所示。图21控制系统的结构框图1主控制电路模块用MINISTM32单片机，复位电路，时钟电路2红外检测模块光电传感器TCRT50003电机及驱动模块电机驱动芯片L298N、两个步进电机4电源模块双路开关电源2方案论证本设计是一种基于ARM单片机控制的简易智能自动小车系统。一是能实现在水平和倾斜跷跷板上行驶一个来回。二是能实现在跷跷板上运动且在不同位置配重的情况下保持平衡等功能。利用步进电机控制小车运行，用倾角传感器测量跷跷板水平方向倾角来确定小车何时达到平衡，利用寻迹模块实现小车沿直线行走，还有显示模块以及声光显示模块等作为人机界面，实现显示及声光提示等功能。上述各模块的方案论证如下。21控制器模块方案一采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低，引脚较少，硬件布局较简单。STC89C51为八位单片机，数据转换速度慢，且实时性不好，复杂的控制算法难以实现，不利于高精度的控制。方案二采用MINISTM32板子作为控制器。该ARM单片机I/O资源丰富，芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度。根据本题的要求，我们选择第二种方案。22电机模块电机模块选择是整个方案设计的关键，不光要考虑电机自身重量（会影响车身重量），还要考虑到为电机提供电源的种类。按照设计要求，小车需在配重位置可变的情况下达到平衡状态，这需要对小车的精确控制，而且小车制动性能要好。因此普通直流电机不能满足要求。方案一采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,无法达到小车及时停车的要求。方案二采用型号4B2YG的步进电机控制小车的运动，最小步进角为09度，因此能实现小车的精确控制，而且当不给步进电机发送脉冲的时候，能实现自锁，从而能较好的实现小车及时停车的目的。经过反复的比较、论证，我们最终选用了方案二。该型号步进电机加驱动器后与单片机接口简单，控制方便。23角度检测模块角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用倾角传感器来测量跷跷板水平方向倾角，当倾角小于或等于28度时即可认为跷跷板达到平衡状态。由于跷跷板最大倾角为5度左右，角度变化范围较小，因此要求角度传感器精度高，频率快。目前市场上适合的传感器主要有以下两种。方案一采用AS5040检测。AS5040是由AMSCO公司生产的一种非接触、高分辨力编码、在0360范围内进行角度测量的传感器芯片。但为了测量角度，需要使用两极磁铁，在芯片的中心旋转。这样使得系统更加复杂，且加大了电机负载。方案二采用MMA7361LC检测。MMA7361LC是一款低功耗、低成本、低姿态微型电容式三轴加速度传感器，具有信号调理，温度补偿，自我测试，MMA7361L包括一个休眠模式，可使用电池供电。在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素,我们选择了方案二。24寻迹模块通过寻迹模块小车可实现沿预设轨迹行走。方案一通过光电开关来实现，它测量距离较远。但是其体积大、成本高、安装起来比较麻烦。方案二通过红外对管来实现，它测量距离近，但反应灵敏、准确。相比光电传感器而言,其体积较小,价格低,安装较容易考虑到性价比和简单易行的策略,我们选择方案二25显示模块方案一使用数码管显示。数码管电压低、寿命长、对外界环境要求低，易于维护，同时它是采用BCD编码显示数字，亮度高。但是其耗能大，电路复杂，占用资源较多，且显示信息少，精度低。方案二使用液晶屏显示。LCD具有轻薄短小、低耗电量、影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，显示信息量大，分辨率高且抗干扰性强；外围电路少，使用方便。综合考虑以上两种方案，选择采用方案二。26电源模块方案一铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。方案二开关电源供电，可提供较大电流，方便好用。经比较，我们选择方案二，用开关电源给步进电机供电。根据上述方案论证，我们最终确定了以MINISTM32单片机为控制核心，采用型号为4B2YG的步进电机控制小车运动，用MMA7361倾角传感器来测量跷跷板的水平倾角，利用红外对管寻迹实现走直线等功能，还选用了LCD液晶屛来实时显示倾角、小车运行时间等，最终还利用蜂鸣器来实现小车平衡时语音播报3硬件设计31小车框架32L298N电路图L298N电路图4软件设计41电动车跷跷板的主函数框架图如图1所示；图1主函数框架42小车分别在水平和倾斜的跷跷板上行驶一个来回。其设计流程图如图2任务1和任务2流程图所示；43小车在附有重物的跷跷板上找平衡位置。其设计流程图如图3任务3流程图所示；图2任务1和任务2流程图