2019年山东建筑大学

1、全国大学生电子设计竞赛论文山东赛区编号： F 甲 2317题目：电动车跷跷板学生姓名：王会彬王黎明王尚学校专业：山东建筑大学机械工程及自动化指导教师：张涵李彦凤李凡冰- 1 -电动车跷跷板的设计与制作摘要：本系统采用 80C51单片机作为电动车行进系统、跷跷板平衡系统的监测和控制核心，通过机界面对电动车所作运动进行设定。利用水银开关检测跷跷板两端位置实现对跷跷板平衡的测定；无线控制模块控制电动车行进，实现电动车行进系统与跷跷板平衡系统的协调一致；通过 LCD实现显示电动车行进时间。在符合题目要求基础上本系统还具有可自动寻迹实现稳定行进、语音提示等功能。关键词： 80C51单片机、水银开关、无线

2、控制模块、LCD、自动寻迹、语音提示1. 前言创新是科技发展的动力， 我们认为一项成功的制作， 必须在符合题目要求的基础上有所创新。 而“符合要求”主要是指在精度上。要符合精度的要求，不一定要用昂贵的电子元件。使用巧妙的方法用廉价的电子元件同样可以实现对精度的要求。用更少的成本实现同样的功能，既是智慧的体现又能为使用将来适应市场经济打下基础。所以我们的追求就是创新、精确与追求方法。2. 方案论证根据题目要求，本系统主要由 ：控制器模块、信息传输模块、电源模块、寻迹传感器模块、平衡测定模块、末端距离测定模块、电机驱动模块、计时模块、数据显示模块、语音提示模块构成。本系统的结构图如图1 所示：为最

3、好的实现各 模块的功能，满足设计要求。我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。图 1系统结构图2.1 控制器模块电源模块控平衡测定模块寻迹传感器模块制电机驱动模块末端距离测定模器语音提示模块数据显示模块模计时模块信息传输模块块方案 1：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的 CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。方案 2：采用 STC89C51单片机作为主控制器。 STC89C51是一个低功耗，高性能的 51 内核的 CMOS8 位单片机，片内含 8k 空间的可反复擦些 1000 次的 Flash 只读存储

4、器，具有 128 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个 IO 口， 2 个 16 位可编程定时计数器。且该系列的 51 单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。我们自己制作 51 最小系统板，体积很小，下载程序方便，放在车上不会占用太多的空间。考虑到经济、使用方便等因素，我们选择了方案2。2.2 信息传输模块考虑到电动车的灵活运动我们放弃了电动车与跷跷板用线连接的方法， 而通过无线传输模块实现电动车与跷跷板的协调一致。无线传输模块方案如下：方案 1：用 DF无线数据收发模块。 DF无线发射模块通讯方式为调频 AM，工作频率为 315MHz，为 ISM

5、 频段，发射频率 500mW。DF 超再生式接收模块通讯方式为调频 AM，接收灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强。系统中为保证稳定，采用芯片 PT2262,PT2272M4进行数据编解码，由于数据传输量较小，经过测试，方案可行。方案 2：其他无线数据收发模块，如 nRF401、红外线或蓝牙模块， 由于其价格较昂贵，不利于调试，而且系统中不需传输大量的数据，因此我们放弃了此方案。DF无线收发模块由于其优良的特性和低廉的价格而被广泛应用于工业及日常商品中， 因此我们选择了此方案。- 2 -2.3 寻迹传感器模块方案 1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红

6、外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。方案 2：用 TCRT5000型光电开关。 TCRT5000是一种一体化反射型光电探测器，发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。采用DIP4 封装，其特点如下：（1） 塑料透镜可以提高灵敏度。（2） 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。（3） 体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时

7、，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案2。2.4 平衡测定模块方案 1：专业的角度传感器。经验证角度传感器可以实现对跷跷板平衡的测定，但我们认为角度传感器价格高，不经济。方案 2：用平衡传感器。经验证平衡传感器同样可以实现对跷跷板平衡的测定，但同样不经济。方案 3：用水银开关。经试验水银开关可以实现对跷跷板平衡的测定，经济且灵敏度高。因此我们选择了方案 3。2.5 计时模块方案 1：单片机内部时钟计时。 经验证 80C51的内部定时器完全可以实现对电动车行驶时间的测定，但程序很复杂。不适应本系统对多方位测量的要求。方案 2：采用 DS1302时钟芯片。

8、 DS1302时钟芯片具有精确的计时功能，具有万年历功能。经验证同样可以实现对电动车行驶时间的测定。为求程序简单和测量精确决定采用方案2。2.6 数据显示模块方案 1：用数码管进行显示。数码管使用简单。但是由于我们计划显示小车前进的具体时间和据跷跷板 B 端距离。用数码管很难显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。方案 2：用 LCD液晶进行显示。 LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对于此系统我们选用 4X8 的 LCD能够很好的满足显示要求，因此我们选择了此方案。2.7 语音提示模块方案 1：选择专门的语音存储芯片 ISD1420

9、，通过单片机进行录放音的控制。用这种方法比较简介方便，完全可以满足本系统的提示需要。方案 2：选择 DSP进行语音识别， DSP具有很强的信息处理能力，能够进行语音的存储录放和语音的辨识，但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便，我们放弃了此方案。因此我们选用了方案1。3. 详细设计经过上述系统的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下：（1）控制器模块：采用STC89C51单片机作为主控制器（2）信息传输模块：采用DF无线数据收发模块。（3）电源模块：采用电池组分别为电机、电动车控制系统单独供电。（4）寻迹传感器模块：采用TCRT5000型光电开关。（5）平衡测定模块：采用水银开关。-

10、3 -（6）末端距离测定模块：采用 TCRT5000型光电开关。（7）电机驱动模块：采用伺服驱动电机。（8）计时模块： 采用DS1302时钟芯片。（9）数据显示模块：采用 LCD液晶。（10）语音提示模块：采用语音存储芯片ISD1420。系统总总体框架图 2 如图所示，硬件连接图如图3.1 硬件部分控制器模块电池组 1TCRT5000型光电开关DS1302时钟芯片LCD液晶语音存储芯片3 所示。电池组 2电池组 3电跷动车伺服驱动电机8跷0C 接收模块5板1图 2 系统总体框架P1.0Vcc液P1.1红外对射管发射模块伺服电机采用 STC89C51单片机为控制核心，利用其端口的控制与中断能力，

11、实现人机交换，实现对电动车与跷跷板上各个模块的控制。寻迹传感器模块寻迹传感器模块具有光电检测功能，光电检测功能可将指引线准确地检测出来。此处主要借助反射式光耦 TCRT5000。这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件，其集电极电流与反射距离 d 之间有图 4 所示关系。无线接收无线发送P0.0P1.2P0.1晶P1.3P0.2P1.4P0.3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RST/Vpp P0.7后光电开关语音芯片ISD1420前光电开关时 钟芯 片1302图 3 硬件连接图水银开关TCRT5000应用过程中当检测到黑色面时，由于反射率不高， IC1 太小，三极管T2 截止而

12、输出高电平。当检图 4 集电极电流与反射距离d 之间关系图测到白色面时，由于反射率较高，IC1 较大，三极管T2饱和而输出低电平，从而实现了白线的检测。 555 构成了施密特触发器，用于去除反射性光耦产生的噪声和波形的整形。末端距离测定模块采用 TCRT5000型光电开关，在板末端离 B 小于 50mm处画白线。 TCRT5000型光电开关安装在电动车前端下沿。语音提示模块采用现成的模块，存储提示音，当电动车运动到预定位置时发出提示音。用到了语音存储芯片ISD1420。- 4 -3.2 软件设计总的工程程序包括跷跷板设定平衡子程序、电动车检测末端距离子程序、液晶显示子程序、语音控制子程序、电动

13、车行进控制子程序。主程序流程系统借助 80C51控制 电动车寻线行驶，开始为节约时间电动车全速前进，当电动车快要到达调平位置时减速。此时单片机接收跷跷板 B端平衡测定模块发来的信号，开始控制电动车进行调解，直到跷跷板平衡。发出平衡信号，电动车停止 5秒，然后全速驶向 B端。当电动车前端的光电开关检测到末端位置时，向单片机发信号，单片机控制电动车停止并同时发出语音报警。 5秒钟后，电动车全速返回。程序流程如右图所示：跷跷板设定平衡子程序通过检测对射管接收端哪一个接收关节收到信号及其接收到信号的顺序判断跷跷板的稳定情况与摆渡方向。3.2.3 电动车检测末端距离开始停止是检测是否否继续到达A端后退系

14、统初始化液晶显示“ welcome”语音芯片向评委打招呼60 秒内电动车原路返回电动车寻线前进同时时钟芯片开始计时液晶显示时间下降电动车停止 5 秒上升检测板B端状态电动车电动车语音芯片前进后退发出提示平衡发出平衡提示并是保持平衡5 秒钟否电动车继续检测是否电动车继续到达 B端寻线前进寻线前进子程序在跷跷板末端靠近 B处横向画白线，当电动车寻线行驶至此时，光电开关检测到白线并将信息传给单片机，单片机控制电机停止转动。4. 系统功能测试4.1 测试仪器及设备秒表、刻度尺，4.2 测试方法用秒表记录电动车各阶段行使时间， 用刻度尺测量跷跷板平衡时跷跷板两端摆幅。 然后求其平均值。 4.3 数据记录

15、不加配重情况下：测试 次A端到 C时间C点调节平平衡保 持C到B时间由B返回重物质量/平衡时摆数（ S）衡时间（ S） 时间（ S）（S）用时（ S）车质量幅（ MM）15010551001025205510016310505510020415405510030平均值20305510019- 5 -加配重情况下：测试次A端到 C时间C点调节平平衡保 持C到B时间由B返回重物质量/平衡时摆数（S）衡时间（ S） 时间（ S）（S）用时（ S）车质量幅（ MM100102520551015/1001631050551020/1002041540551015/10030平均

16、值2230551015/100194.4 数据结果平均值符合要求。4.5 测试结果分析重物质量基本不影响平衡调节，电动车速度越快越不易调节平衡。跷跷板跷动后电动车必须很快反映。经测定得知适当增大转轴的摩擦力有利于调节平衡，但我们更喜欢挑战高难度，所以我们会最好的优化自己的设计来适应更加严格的要求。5、结论本系统是集成语音功能、自动寻线功能、液晶显示功能、的职能控制系统，它以 80C51单片机为核心部件，利用红外传感检测技术、光电感应技术、无线信息传输技术可以实现题目基本要求与发挥部分。6、结束语最终完成了题目中所有的基本要求和发挥部分，并且增加了一些新的功能，例如语音提示，人性化显示等功能，使

17、系统更加智能化、人性化。在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。在实物制造阶段，由于跷跷板位置总是突然变化，电动车补救措施不起作用，所以通过在跷跷板上设定电动车调节范围，基本消除了跷跷板的突然变化。7、参考文献1.李正军。计算机控制系统。北京：机械工业出版社， 20052. Ramon Pallas-Areny ，John G. Webster （美）。传感器和信号调节，第2 版。张伦译。北京：清华大学出版社， 20033.船仓一朗，土屋 尧等（日）。机器人控制电子学。宗光华，杨洋，唐伯雁译。北京：科学出版社， 20044.童诗白，华成英。模拟电子技术基础。北京：高等教育出版社，20035.高峰编。单片微型计算机原理与接口技术。北京：科学出版社，2003- 6 -8. 附图C 1104VCCR 42 00KVC CJ 18C 33 31PF7R 36VCC52 00KC 44C 53R 54.7UF210.01 K4.7 UFC ON8C 2LS2473SPEAKER图 5 接收模块电路U1 BVCC34R