毕业设计：电动车跷跷板.doc

上网兼职机会，免费注册独立商城，兼职月收入8000元以上，加盟网址：/上网兼职机会，免费注册独立商城，兼职月收入8000元以上，加盟网址：/摘要在本设计方案中，电动小车是以Atmel公司的ATmega16L单片机为控制核心，由直流减速电机及驱动模块、灰度检测模块和自制角度传感器、电源电路以及液晶显示模块等部分组成。该系统由直流减速电机控制小车的前进和后退，由灰度检测模块实现行驶路径的修正和跷跷板边缘的寻迹，自制角度传感器用于跷跷板平衡点的捕捉，并具有声光报警、时间显示等功能。程序设计采用C语言编程的方式，在RoboExp 3.3软件编译环境中实现。该电动小车可以实现设计要求中列出的全部指标。关键词：Atmage16L 直流电机 灰度检测模块 自动寻迹电动车目录第一章 系统功能说明1第二章 系统总体设计2第三章 硬件设计33.1 单片机选型33.2 电源设计33.3 光电检测电路设计33.4 电机控制电路设计43.5 角度检测电路设计63.6 声光提示电路设计7第四章 开发环境“机器人快车”84.1机器人快车概述84.2硬件信息84.3编译84.4下载9第五章 软件设计10第六章 系统集成与测试12第七章 总结13致谢14参考文献15第 15 页 电动车跷跷板第一章 系统功能说明设计并制作一个电动车跷跷板，要求跷跷板起始端一侧装有可移动的配重物体，配重物体位置可调范围不小于400mm。电动车从起始端出发，按要求自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图1和图2所示。基本要求（1）先将跷跷板固定为水平状态，电动车从起始端A位置出发，行驶跷跷板的全程(全程的含义：电动车从起始端A出发至车头到达跷跷板顶端B位置)。停止5秒后，电动车再从跷跷板的B端倒退回至跷跷板的起始端A，电动车能分别显示前进和倒退所用的时间。前进行驶在1分钟内、倒退行驶在1.5分钟内完成。（2）跷跷板处在图1所示的状态下（配重物体位置不限制），电动车从起始端A出发，行驶跷跷板的全程。停止5秒后，电动车再从跷跷板的B端倒退回至跷跷板的起始端A，电动车能分别显示前进和倒退所用的时间。前进行驶在1.5分钟内、倒退行驶在2分钟内完成。图1起始状态示意图图2平衡状态示意图发挥部分（1）由我们自己将配重物体设定在可移动范围中的某位置，电动车从起始端A出发，当跷跷板达到平衡时，保持时间不小于5秒，同时发出声光提示，电动车显示所用的时间。全过程要求在2分钟内完成。（2）在可移动范围内任意设定配重物体的位置（由测试人员指定），电动车从起始端A出发，当跷跷板达到平衡时，保持时间不小于5秒，同时发出声光提示，电动车显示所用的时间。全过程要求在2分钟内完成。第二章 系统总体设计通过反复论证以及老师的指导，我对本设计制作了如下方案：（1）车体用单面敷铜板手工制作。（2）采用ATmage16L单片机作为主控制器。（3）用10.8V锂电池直接为直流减速电机供电，将10.8V电压经7806降压、稳压后为单片机系统和其他部分供电。（4）红外检测模块对小车的实现行驶路径的修正和跷跷板边缘的寻迹。（5）自制角度传感器用于跷跷板平衡点的捕捉。（6）L298N作为直流电机的驱动芯片。系统的结构框图如图3所示：图3 系统的结构框图第三章 硬件设计3.1 单片机选型根据设计需要，我选用了ATMEL公司AVR单片机做为本设计的主控制器。AVR单片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集（RISC）单片机系列。ATMEL公司通过AVR把RISC技术带到了8位单片机世界，这种全新的结构带来了很多优势。该系列的程序存储器是在片内的Flash存储器，可以反复修改上千次。这对新产品开发、产品升级都是很方便的。单片机的指令基本上都是单个晶振周期的，能够达到1MIPS/MHZ的性能。该系列单片机针对应用C语言编程做了优化；很多型号都是宽电压工作的，同时各种睡眠模式有利于降低系统功耗；再加上内部的振荡器、看门狗、上电复位、A/D输入、PWM输出等功能，使其可以被称为“零外设”的单片机，具有片上系统的雏形。因此，AVR单片机适合于很多领域的应用，表现出卓越的性能。3.2 电源设计由于锂电池具有以下优点：1拥有高能量密度，与高容量镍镉电池相比其体积能量为1.5倍，重量能量密度为2倍；2高电压，平均使用电压为3.6V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍（镍镉、镍氢电池电压为1.2V）；3使用电压平坦并且高容量；4负荷特性，2C放电为可能；5广泛的使用温度 2060；6优秀的充放电寿命，经过500次放电后其容量至少还有70以上。因此我选用了10.8V锂电池直接为直流减速电机供电，将10.8V电压经7805降压、稳压后为单片机系统和其他部分供电，这样就解决了本设计的供电问题。电源电路图如图4：图4 电源电路3.3 光电检测电路设计对于小车的寻迹，我们采用的是红外检测管，单光束反射取样式光电传感器ST188。它由红外发射器和感光器组成，通常这两个部分是封装在一起的。利用ST188构成的检测电路如图5所示。ST188正常工作时，红外线光二极管发出红外线。如果检测面表面光洁度凭证，发出的红外线经检测面发射后在光敏三极管产生光电效应。产生的电流经过放大后输出电信号。图5 光电检测电路图中比较器LM311的同相输入端在没有检测到发射信号（不在白线区）时固定为高电平，而反相输入端的电压由电阻分压提供（一般在1.5V左右，由可变电阻器改变电压值）。LM311比较同相端和反相端的输入电压。当在白线区时，反射的红外线导致光敏三极管导通，同相端输入低电平，比较的结果为输出端为低电平，发光二极管亮；当不在白线区时，光敏三极管截止，同相端输入高电平，比较的结果为输出端为低电平，发光二极管灭。3.4 电机控制电路设计在电机控制电路设计这方面我们比较常用的方式主要有H桥驱动，电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。利用分立元件构成的H桥驱动电路如图6所示，由四个两组三极管组成，任一状态下由对角的两个三极管构成通路，使电源电压可以正反向加到电机两端，从而实现电机正反转的控制。图6 H桥驱动电路 现在大部分电机的驱动都是采用集成驱动芯片L298N来实现，一片L298N中包含两个H桥，这样可以同时对小车两侧的电机实现运动控制。因此，在设计中采用了L298N来驱动直流电机。L298N是一款能承受高压大电流的全桥型直流、步进电压驱动器。其引脚如表1所示。表1 L298N引脚编号与功能引脚编号名称功能1电流传感器A在该引脚和地之间接小阻值可用来检测电流2输出引脚1内置驱动器A的输出端1，接至电机A3输出引脚2内置驱动器A的输出端2，接至电机A4电机电源端电机供电输入端5输入引脚1内置驱动器A的逻辑控制输入端16使能端A内置驱动器A的使能端7输入引脚2内置驱动器A的逻辑控制输入端28逻辑地逻辑地9逻辑电源端逻辑控制电路的电源输入端10输入引脚3内置驱动器B的逻辑控制输入端111使能端B内置驱动器B的使能端12输入引脚4内置驱动器B的逻辑控制输入端213输出引脚3内置驱动器B的输出端1，接至电机B14输出引脚4内置驱动器B的输出端2，接至电机B15电流传感器B在该引脚和地之间接小阻值可用来检测电流由L298N构成的电机驱动电路如图7所示：图7 电机驱动电路3.5角度检测电路设计在角度检测电路设计中我根据设计需要选用了普通电位器自制角度传感器。在普通电位器的轴上悬挂一个重物，由于重物始终处于垂直状态，小车上下坡会改变电位器的阻值，电位器阻值的变化将转换成电压的变化送入单片机进行A/D转换。在小车调试之前先将水平状态下的AD转换值先测量出，并写入到程序中，这样根据AD值就可以判断出小车的倾角了，该方案成本比较低，而且也能满足实际的控制需求。自制角度检测模块如图9，在普通电位器的轴上悬挂一个重物，利用重物始终处于垂直状态从而改变电位器的阻值，将电位器阻值的变化转换成电压的变化，将变化的电压送入单片机进行AD转换，在小车调试之前先将水平状态下的AD转换值先测量出，并写入到程序中，这样根据AD值就可以判断出小车的倾角了。在实验过程中，我们测出小车在水平位置时和放在跷跷板上最大倾角时AD转换值相差45左右，该差值在系统检测角度变化的过程中已经能够满足题目的要求，并且在实验过程中电位器轴的旋转能够及时反映出倾角的变化，因此，利用电位器自制角度传感器在该系统中是完全可行的。图8灰度测量模块图9 角度检测模块 36 声光提示电路设计我们采用发光二极管和蜂鸣器，发光二极管安装在小车的前端和后端，并用导线将两个器件连接到我们选用的开发板上相应端口，由小车的程序控制二极管发光与蜂鸣器发出声音，当小车到达终点停止时，让蜂鸣器发出声音1s，并让发光二极管按2Hz的频率发光2s。图10 复位电路及声光提示电路第四章 开发环境“机器人快车”介绍4.1机器人快车概述 在编写单片机程序时，我们选用了与开发板配套的编译软件，即“机器人快车”（RoboExp 3.3）。机器人快车里面的很多模块都是封装好的，我们需要哪个都可以随时调用，而且小车是完全开放的，我们可以自己定义自己需要的功能模块。对于小车强大的模块封装和管理功能，我们在使用机器人快车编程时，文本源代码同步生成，并且保留了传统的文本编程功能，这样更加方便我们对程序的检查、调试。4.2 硬件信息由于很多模块都是封装好的，在编程时编辑各种接口时，就可以直接点击菜单栏中“项目”主菜单下的“硬件信息”子菜单，在弹出硬件信息对话框中对系统所需要使用的硬件接口进行编辑，硬件信息对话框如图11所示：图11 硬件信息显示窗口选项卡上第一项为系统默认硬件信息，其余的为当前被编辑文件的硬件信息。每个文件都有一份独立的硬件信息。上图界面的硬件表中，父节点是所有已经定义的硬件类型，子节点是已经定义的硬件端口。如上图中，_MOTOR_为硬件类型，_MOTOR_motor1_为硬件端口。在硬件信息对话框左边的树状表中，只要选中某个节点，就能看到该节点相应的说明。如果选中的是硬件类型的节点，就能看到该硬件类型的定义和各个针脚的说明。如果选中的是硬件实例的节点，就能看到该硬件实例的定义。4.3编译 C语言程序必须通过编译生成一个机器指令程序，即目标程序，然后才能执行。编译的时候会检查程序是否有语法错误，没有错误的程序才能生成目标程序。为小车指定一个编译器。点击“工具”主菜单下的“编译”子菜单，或者直接点击工具栏上相应的按钮，就可以对程序进行编译了。4.4下载程序编译成功后，就可以下载到单片机中进行调试了。程序下载的步骤如下：第一步，关闭小车的电源，并确定您电脑的串口未被其它软件或硬件占用。 第二步，拿出小车套件中的下载线，将一端接在电脑的串口上，另外一端接在小车的下载口上。连接方式如图12：图12 连接方式 第三步，点击 “工具”主菜单下的“下载”子菜单，或者直接点击工具栏的按钮，弹出的下载窗体界面如图13：图13 下载显示界面第四步，打开小车的电源，小车就开始下载程序。第五步、当程序下载完成后，上图窗体将自动关闭。接着，拔出小车上的通讯线。 第六步、关闭小车的电源，然后重新打开小车的电源就可以了。 第五章 软件设计主程序流程图我们所设计的软件的主程序流程图如图14所示：图14主程序流程图灰度检测处理子程序流程图如图15，我把小车直线行进时分成三种状态，当两边传感器都检测不到黑线时，小车行驶在跑道的中央，这时控制两电机同速度全速运行。当有一个灰度传感器检测到黑线时，小车处于偏离轨道状态，这时将一个电机速度调快，完成方向调整。当两个传感器同时检测到黑线时，说明小车到达终点，从而停止。小车前进和后退的控制方式相同。图15 灰度检测处理子程序流程图平衡控制子程序流程图如图16，在小车寻找平衡点时，考虑到自制角度传感器具有的一定惯性，为了消除惯性的影响，在小车启动时，采用不断减速的方法，使小车行使至跷跷板中点时速度降至很低的速度，当找到平衡时，根据我们调试的情况，在找到平衡点后迅速使小车向后倒退一点距离，这种实际执行结果较好。图16 平衡控制子程序流程图第六章 系统集成与测试基本部分的调试跷跷板在水平状态下，我们将基本部分的程序下载到芯片中进行调试，经过多次的实验，我们确定了小车的理想行驶速度。以至于小车在此速度下行驶不会受惯性影响而冲出跷跷板，也不使小车的行驶速度过于缓慢。在此速度下，小车会在短时间内完成指定要求，较好的达到了设计要求。由于跷跷板在固定配重的状态下，比水平状态下对小车的要求更高，所以，我们在此状态下的程序就用水平状态下的。找平衡调试小车在进行水平调试前，应进行水平检测，给芯片下载水平检测程序，通过水平检测可以知道小车处于平衡状态下的自制角度传感器的AD转换值（即电位器的电压的AD转换值）。测出水平值后，将找平衡程序的值改为测出的值，并下载到芯片中进行调试，经过反复的实验证明，小车在找到平衡点时，由于自制角度传感器具有一定的惯性，从而是找到的平衡点不准确，所以我们对小车的找平衡程序做了处理，使小车到达平衡前的一段距离里做减速后做匀速行驶，避免惯性对自制角度传感器的影响，而且当小车的自制角度传感器检测到平衡点时，小车迅速后退一点距离，达到的平衡效果会更好。在任意放置配重物体的情况下，由于跷跷板本身已经放置了配重物体，而且由于小车的自制角度传感器的达到了设计要求，所以程序无须调整。第七章 总结在本次毕业设计，我基本上完成了题