2019年山东建筑大学-电动车跷跷板.doc

1、全国大学生电子设计竞赛论文山东赛区编号： F 甲 2315题目：电动车跷跷板学生姓名：魏志国王林林楚水良学校专业：山东建筑大学机械工程及自动化指导教师：张涵李凡冰李彦凤- 1 -电动车跷跷板设计报告摘要：本智能车是以经改装的自购玩具塑料电动车为车架，STC89C51单片机为控制核心， 加以电源电路、直流电机、灰度传感器、霍尔元件（位置传感器）、液晶显示、水银平衡检测系统、单片机最小系统以及其他电路构成。 经过水银平衡传感器将得到的信号经无线传输设备传给单片机，再由 STC89C51的 IO 口驱动 LM298以达到智能控制小车的前进和后退以及转向的目的，寻迹由灰度传感器完成，同时本系统 LC9

2、5900语音模块进行语音的报警，以提示当前状态。并间隔的将小车当前信息显示在LCD上。关键词： STC89C51；直流电机；灰度传感器；无线收发；LM298； VB通信1、系统方案1. 1实现方法根据题目的要求有加配重和不加配重两种情况不配重时：打开电源，小车从A 端出发，自动寻找在跷跷板上的白线，以较快的速度到达D 点（ C点附近，放上一块磁铁），在 D 点经霍尔元件检测位置信号，当小车检测到信号开始减速，以此降低小车的惯性。然后，小车缓慢向 C点行使（ C 点处放上一块磁铁）并在小车上装上霍尔元件。如此当小车到达 C 点时，水银平衡传感器检测到信号，发送给小车，经单片机处理， 让小车在 C

3、点运动，反复检测、移动，最终达到平衡状态。平衡之后 , LC95900 语音模块发出报警信息。一段时间之后，小车从平衡点开始在 30 秒之内行驶到 B 处，然后绕回。配重时：将配重物体放在规定范围之内，并将小车放置在地面距离跷跷板起始端A 点 300mm以外、90扇形区域内，打开小车电源，采用灰度传感器自动寻迹到达A 端，从 A 端上板 , 自动寻找在跷跷板上的白线，以较快的速度经过 D 点并到达 C点，霍尔元件检测到信号，以提示小车减速。 然后水银平衡传感器检测到的信号， 让小车反复移动，最终达到平衡状态。平衡之后 , LC95900语音模块发出报警信息。然后绕回。1. 2模块方案比较与论证

4、根据题目要求， 本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、电机及其驱动模块、报警模块、计时模块、显示模块、无线收发模块以及位置检测等模块构成。本系统的方框图电源模块寻迹传感显示模块器模块控位置监测制计时模块模块器模电机驱动块模块如图 1 所示：图 1 系统方框图为较好的实现各模块的功报警模块VB 串联通信模块能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。无线接收模块电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案 1：采用 6V 蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性无线发送模块平衡检测模块图 1 系统方框图- 2 -能。对大功率的电机是

5、很好的选择。应用在我们的车上很合适。方案 2：采用 4 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 16.8V 给直流电机供电，经过 7805 的电压变换后为单片机，传感器和电机供电。经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。因此我们放弃了此方案。方案 3：采用 4 节 1.5V 可充电式干电池为直流电机供电，用 4 节可充电干电池经过 7895 的电压变换为单片机和传感器供电。再用 2 节锂电池经另一套 7805 电压变换电路为电机供电。采用此种供电方式后，单片机和电机工作不会很稳定，因为此系统要求大功率，所以我们放弃了此方案。综上考虑，我们选择了方案 1。由于

6、电机对单片机有影响，所以我们同时采用干电池单独对单片机供电。控制器模块方案 1：采用可编程逻辑期间 CPLD 作为控制器。 CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、 IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案 2：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音

7、处理和识别等领域。但是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。本系统主要是进行寻迹和跷跷板平衡的检测以及电机的控制，兼有 LC95900语音模块的播报。如果单纯的使用凌阳单片机， 系统整体的控制容易出现不稳定的情况。 从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案 3：采用 ATMEL公司的 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 CMOS 8位单片机，片内含 8k 空间的可反复擦些 1000 次的 Flash 只读存储器，具有 25

8、6 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。从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。寻迹传感器模块方案 1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照

9、影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案 2：用灰度传感器。灰度传感器一种一体化反射型光电探测器，根据它的工作原理，是光敏探头根据检测面反射回来的光线强度，来确定其检测面的颜色深浅，因此测量的准确性和传感器到检测面的距离是有直接关系的。其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。外界光线的强弱对其影响非常大，会直接影响到检测效果，在对具体项目检测时注意包装传感器，避免外界光的干扰。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电管调理电路简单，工作性能稳定。综合比较以上三种方案,我们选择了方案2。电机模块本系统为智能电动车，

10、对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。方案 1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比- 3 -较考虑，我们放弃了此方案。方案 2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。我们所

11、选用的直流电机减速比为 1： 74，减速后电机的转速为 100r/min 。我们的车轮直径为 6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到V=2r 能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。显示台显示模块方案 1：用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。但是由于我们计划在显示台显示小车前进的路线、路程，用数码管无法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 2X16 的 LCD能够很好的满足显示要求，因

12、此我们选择了此方案。报警模块方案 1：选择专门的语音存储芯片LC95900，通过单片机进行录放音的控制。用这种方法简洁方便，较适合于顺序播放。且存储空间合适，能存储总计120s 的语音，而本系统必须在短时间内报警，能满足题目要求。方案 2：采用简单的蜂鸣器和发光二极管，由于报警时间的限制，并且电路尽量简单的情况下，蜂鸣器和发光二极管是比较好的选择。综合比较而言，我们选用了方案1。无线收发模块无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。方案 1：用无线数据收发模块。 无线发射模块通讯方式为调频 AM，工作频率为 315M

13、Hz，为 ISM频段，发射频率 500mW。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，调试困难，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 1。位置检测模块方案 1：采用红外对射管，红外对射管具有检测距离长，红外发光二极管，它发出的是红外线而不

14、是可见光， 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm左右，外形与普通发光二极管相同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约 100mW。红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。综合整个系统而言，需要发射电路和接收电路，电路比较复杂，安装也比较困难。因此我们放弃了此种方案。方案 2：采用霍尔元件，霍尔元件 内部结构十分简单，

15、基本原理是磁性材料和电桥与运算放大器构成：当有磁场通过霍尔元件内部的磁性材料时霍尔元件内部的电桥平衡被破坏，这样使运算放大器产生输出变化。根据这样的变化霍尔元件可形成形形色色的检测电路。对于本系统可以很简单的进行位置检测。而且电路非常简单。所以我们选择了此种方案。- 4 -计时模块方案 1：DS1302时钟芯片。 DS1302 是涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/ 日历和 31 字节静态RAM通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/ 日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24 或 12 小时格式 DS1302 与单片机之间能

16、简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1 RES 复位 2 I/O数据线 3 SCLK串行时钟时钟 /RAM 的读 / 写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。方案 2：采用 51 芯片定时计数中断记录各阶段运动时间。51 芯片有 5 个中断服务，包括计时计数器中断 T0、T1，8951 提供两个 16 位的定时计数器。虽然时钟芯片可直接使用计时，精度比较高，但是用来不方便，并且计时却是有些大材小用，并且因为使用了芯片使得小车负载加重，外观质量降低，而通过软件编程可以较简单完成，且不必添加任何其他硬件，我们选择了方案 2。车体设计方案 1：自己制作电动车。自己制作电动车一

17、般都需要很长时间，车架车轮、电机都需要自己安装，而且，制作出来之后，小车的整体质量会很重，质量的分配也不均匀，不适合此平衡调节系统。而且这种电动车一般都价格不扉。因此我们放弃了此种方案。方案 2：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机。对于此平衡系统而言，车架不能太重，而玩具电动车为塑料制作，质量很轻，能更好的调节跷跷板的平衡。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，采用LM298控制，能更加适合小距离的调节，经改装之后，便能达到我们所想要得目的，因此我们选择了此方案。最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：车体用购买的塑料玩具电动车；采用STC89C51单

18、片机作为主控制器；用6V蓄电池为直流电机供电，用电池分别为单片机等其他模块供电；用灰度传感器进行寻迹；采用直流减速蓄电池电机驱动； LM298作为直流电机的驱动芯片；无线收发模块用来远程传输数干电池据；霍尔元件随时对小车位置进行检测；1602LCD实时显示小车当前位置状态、时间等；采用 LC95900语音模块作灰度传感器霍尔元件为报警提示平衡状态； VB串联通信。S T C 89C511. 3系统设计直流电机驱动采用 VB编程，与电脑通讯，利用LCD 动态显示VB 与单片机的串行通信，单片机随时将信息传输给电脑，电脑将传送来的语音报警数据作出相应处理后，通过 VB的画图动态显示当前跷跷板的状态

19、。VB 串联通信1 4系统结构框图对于本系统来说，不管是配重还是不配重，小车主要实现的是怎样在跷跷板上达到平衡并保持跷跷板的平横， 基于此，我们共设计了以下几种平衡方案。并通过实验验证而最终选中一种最终方案。方案 1：在 A 端和 B 端分别装上一对红外数码对射管， 对准地面，并当小无线收发装置水银平衡传感器- 5 -车到了关键地段时，采用两对红外数码对射管，分别检测 A 端和 B 端距离地面的距离，并比较两个距离值，当两距离值差别不大，并且两值不再波动时，即达到了平衡状态。但是此种方法也有不足之处，当小车快到达平衡的位置时， 当对射管检测到距离并经过单片机处理之后， 小车开始向前或向后走。

20、然而，整个运算过程很长，会导致系统很大的波动，不易在规定的时间内让跷跷板达到平衡。并且有可能出现系统混乱，最终达不到平衡状态。方案 2：电位器 : 将电位器置于小车前后（与小车底面平行） ，由电位差不同，判断未达到平衡状态 , 小车继续前行 , 直至电位差达到相等可判断为平衡状态。但是，这样的话就很难让小车在规定的时间内达到平衡状态。方案 3：采用水银开关作平衡传感器，水银开关的原理就是一个水银球密封在一根玻璃管子里，左右分别放一个导电片，中间有个公共导电片，当传感器向左倾斜时水银球碰到左导电片时，左导电片与公共端接通，车向右走；当传感器向右倾斜时水银球球碰到右导电片时，右导电片与公共端接通，

21、车向左走。如此便能让小车最终达到平衡。其实，此平衡传感器很简单，就相当于两个按键。左边一个，右边一个。然后用无线传感器将数据传给小车，实现小车的智能控制。因此我们选择方案3 作为本系统的设计主线来实现小车功能。2. 理论检测1、测量方法工具：测试仪器设备清单仪器名称型号用途数量PC机联想调试及下载程序1数字万用表MASTECH my 65测量各电路工作情况1秒表记录时间1翘翘板木材场地1笔记本电脑VB通信1米尺测量板和车1方法：用秒表测量小车从开始运行到系统平衡的时间，电脑通讯，随时显示小车的运行状态。米尺作为跷跷板和小车长度测量工具，并检测平衡误差。3. 电路与程序设计3.1 检测与驱动电路设计VCCR10.3 Kp 0. 0Q1U1OPTOISO19013R2R30.1 K2K灰度传感器LM298驱动电路整体电路简图3.2 软件设计与工作流