D06电动车运动控制系统(陈嘉源、吴岳松、张民)

1、 序号：D06第四届电子设计竞赛设计报告第四届电子设计竞赛设计报告 参赛题目 电动车运动控制系统电动车运动控制系统 队长名称 陈嘉源陈嘉源 2011 年 05 月 31 日1电动车运动控制系统电动车运动控制系统【摘要摘要】 本组的电动小车是采用平板车底车架，以两个电机来驱动小车，主板部分自行设计。通过主控芯片 STC89C52 单片机，进行数据处理后，送进驱动芯片L298N 以完成相应的操作。采用 3144E 开关型霍尔传感器来实现小车路线监控功能，并且整个过程采用液晶显示屏 1602 来显示相应的数据。底板上布置了若干个直径为 2CM 的强化磁铁，小车行走时通过霍尔传感器修正路线，达到指定点

2、后在纸面上画圆和写电字。关键词：STC89C52；L298N；3144E 开关型霍尔传感器；路线修正ElectricElectric vehiclevehicle motionmotion controlcontrol systemsystem【Abstract】The electric car is this in the frame, usings two motor to drive the car, mainboard part to design. Through the main control chip STC89C52 microcontroller, data process

3、ing, send into drive chip after L298N to complete the corresponding operation. Using 3144E switch type hall sensor-based to achieve car route, and the whole process monitoring function by LCD 1602 to display relevant data. On the backplane arranged several diameter 2cm aggrandizement magnets, for wh

4、en the car walks through the hall sensors, a course correction as specified points on paper to draw circles and write electricity words.Key words: STC89C52; L298N; 3144 E type switch hall-effect sensor; Route fixed2目录目录前言：.3第一部分：方案设计与选择.3第二部分：单元模块设计.41、最小系统.52、电源转换电路.53、电机驱动模块.64、显示模块.75、路线修正模块.86、舵

5、机模块.10第三部分：系统的软件部分.101、系统软件主流程图.102、系统子程序.11第四部分：系统功能与指标参数.11一、系统功能.11二、指标参数.11第五部分：调试过程.12一、调试工具.12二、运动设计.13三、仿真电路图.14四、调试过程.14第六部分：总结.15一、设计总结.15二、收获体会.15三、进一步完善提出意见或建议.16附录：材料清单173前言：前言：近现代，随着电子科技的迅猛发展， 人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。电动车运动控制系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等

6、多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用3144E开关型霍尔传感器作为检测元件实现小车前行的路线修正，并显示等功能。第一部分：第一部分：方案设计与选择实现方式优点缺点方案一上网购买购凌阳小车，购买的凌阳小车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。易改装，好控制，机械性能有保障。但成本较高，不符合自己动手制作的理念。方案二自己动手做小车，采用双电机四驱车底。体积小，电机驱动速度较快，可以通过差速转弯。但不够灵活，轮子容易打滑或者转弯不够准确定位，承重量较低。方案三自己动手做小车，采用双电机双轮车底，有一个万向轮。可以通过差速转弯，比较灵活

7、，轮子容易不容易打滑，而且转弯比较准确定位，承重量较高。体积大，电机驱动速度较慢。鉴于比赛不是赛速度，而是赛准确度，要求有足够大的空间放置驱动模块、电源转换电路、电池等，而且电机扭力要求比较大，综上所述，我们采用方案4三。 双电机四驱车底 双电机双轮车底第二部分：第二部分：单元模块设计本组电动机运动控制小车的硬件主要有以STC89C52作为核心的主控器部分、自动位置调节部分、液晶显示部分、电机驱动部分、舵机控制模块、电源转换模块。其中电机驱动部分和其他部分分别由两种不同的电源分开供电。小车硬件系统结构示意图如下：5控制部分STC89C52电机驱动模块液晶显示模块舵机部分霍尔传感器修正模块9.6

8、V电源电源转换模块5V电源1、最小系统基本系统控制电路采用单片机 STC89C52 作为主控单元，负责整个电路的资源分配以及对各路信号的采集、分析和处理。配置了 11.0592MHZ 的外部晶振和 2 个独立键盘，同时还配置了 IO 拓展端口、5V 电源与接地端的拓展端口。单片机控制电路原理图如所示:62、电源转换电路 根据电机的正常电压控制范围和电机转动的最优方案，我们采用 8 节蓄电池进行供电。其中，除了 L298N 采用较高电压外，其他模块均采用 5V 电源。因此，我们用电源装换模块，将 9.6V 电源对 L298N 供电同时通过MC78M05CT 向单片机等其他模块供电，用发光二极管显

9、示工作状况。电路图如下：3、电机驱动模块驱动芯片主要有两种选择方式。实现方式优点缺点方案一驱动芯片L293D额定工作电流为 1A，最大可达1.5A，Vss 电压最小 4.5V，最大可达 36V，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。为单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动相对于 L298N 来所输出电压、输出电流较低。方案二驱动芯片L298N额定工作电流为 2A，最大可达 4A，最高工作电压可达 50V，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。为 H桥集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。综上所述：7本驱动电路采用驱动芯片 L298N 来直接驱动电机，L298N 从主控单片机STC89C52

10、那里接受指令来直接控制电机的工作状态。可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便。发光二极管作为电源的指示灯。其驱动电路原理图如下所示：L298N 实物图 L298N 引脚图4、显示模块8主要有两种显示方式，用 1602 液晶或者共阳极数码管显示数据。实现方式优点缺点方案一2 位共阳数码管简单，容易控制显示速度快，价格便宜。亮度不高，易受干扰，显示内容较少方案二1602 液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快价格贵，占用面积大。综上所述：本显示模块采用 1602 液晶，10K 电位器用来调节显示器的对比度（LCD 液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速

11、度较快等特点，用以显示坐标、工作状态等。电路图如下：5、路线修正模块主要由 6 组霍尔开关组成，控制端分别接单片机的P37、P36、P35、P34、P27、P26 脚。采用 LM393 和 3144E 开关型霍尔传感器完成系统对路线的修正任务，修正电路是用以实现小车沿着场地底下的磁感线发射反向进行位置校正的，且小车不能偏离该磁感线有效范围。在本设计中采用 LM393 和 3144E 开关型霍尔传感器完成系统路线修正任务，硬件电路实现比较简单，用外置的发光二极管显示工作情况，其电路原理图如下：93144E 开关型霍尔传感器实物图 3144E 开关型霍尔传感器引脚图霍尔传感器工作原理（1）特点：、

12、具有信号输出指示。、单路信号输出。 、输出有效信号为低电平。、灵敏度可调（精调） 。 、有磁场切割就有信号输出 、电路板输出开关量。(可直接接单片机)。、可用于电机测速/位置检测等场合。10（2）工作原理：3144 霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。 当检测端检测到进入的磁感线时，LM393 的同相输入端的电压比反相输入端的电压低，输出为低电平，此时，发光二极管亮，表示检测到磁感线。当检测端检不到进入的磁感

13、线时，LM393 的同相输入端的电压比反相输入端的电压高，输出为高电平，此时，发光二极管不亮，表示检测不到磁感线。工作原理图6、舵机模块：由于要通过油水笔画出小车的行走路劲，本小车采用舵机对油水笔进行收放的切换。由安装条件可得：当逆时针转过 90 度时油水笔到达地面进行工作，当顺时针返回原点时油水笔被提起最高。电路图如下：11第三部分：第三部分：系统的软件部分1、系统软件主流程图如下图所示：开始液晶初始化定时器初始化主函数基础部分发挥部分结束 主程序流程图开始，小车对定时器、液晶初始化，进入主函数，通过对按键不停地进行检测是否被按下，以执行基础部分还或者发挥部分。2、系统子程序检测各个传感器的

14、电平检测到向上or向下磁感线控制电机转动状态以修正路线控制电机执行特定程序运动子函数流程霍尔传感器不停地进行磁感线的检测，当检测到向上的磁感线时表示小车偏离原来的路线，对采集到数据的霍尔传感器进行对应左退或者右退，以重新到达正常路线。当检测到向下的磁感线时表示小车到达指定位置，执行预先设向上向下12计的命令（画圆或者写电字） 。第四部分：第四部分：系统功能与指标参数一、系统功能电动机运动控制小车在主控芯片STC89C52控制下，控制电机以不同的占空比运动，过程中不停地通过霍尔传感器进行检测，当检测到向上的磁感线时表示小车偏离原来的路线，对采集到数据的霍尔传感器进行对应左退或者右退，以重新到达正

15、常路线。当检测到向下的磁感线时表示小车到达指定位置，执行预先设计的命令（画圆或者写电字） 。二、指标参数1、智能车外形参数车长：20cm车宽：17cm车高：25cm重量：260g最大负载：0.5KG额定电压：3.69V电机参数：直流 260 电机2、调试影响指标电压我们采用 8 节学电池，实验证明，当电量最满时电压值为V6 . 92 . 1811.0V，而且以比较快的速度降下来，因此电压因素影响最大。电压值11.0V10.9V10.8V10.7V10.6V10.5V10.4V10.3V10.2V10.1V10.0V圆的半径46cm45cm46cm48cm45cm56cm60cm78cm81cm

16、82cm85cm133、控制参数指标占空比经过多次调试，可以得知：走直线的情况下，占空比约为 20%是比较稳妥的，小车有足够的时间检测磁铁。转弯情况下，为了让小车快速完成动作，而且不会产生漂移或者打滑现象，占空比设置为约 30%。第五部分：第五部分：调试过程一、一、调试工具仪器名称用途电脑 调试及下载程序（keil C51/STC-ISP V391）数字万用表测量各种电路工作情况二、运动设计以下为行走路线图，其中正方形格子为 N 极向上的强化磁铁，叉形格子为S 极向上的强化磁铁。（1）基础部分：小车放置于 A8 的入口，小车沿着直线走，当霍尔传感器检测到向上的磁感线时，马上修正路线，使小车沿着

17、直线走。当小车检测到向下的磁感线时，小车向右转，进入第二条直线，再次检测到向下磁感线时，小车停止，释放油水笔，开始画圆。（2）发挥部分圆的半径-电压散点图0204060801009.81010.210.410.610.81111.2电压值/V圆的半径/cm14 小车放置于离 A8 入口 30cm 的圆弧边上，启动小车电源，小车自动从起点进入 A8，霍尔传感器检测到向下的磁感线，停留 5 秒钟。之后沿直线走向A3，过程中液晶显示坐标。当霍尔传感器检测到向下的磁感线，小车右转 90度，进入 C2，沿直线驶向 G2。当霍尔传感器检测到向下的磁感线，小车右转90 度，释放油水笔，开始写电字。写完以后，

18、车头与横轴平行，小车沿直线走，当霍尔传感器检测到向上的磁感线时左转 90 度沿直线驶向 A8,。当霍尔传感器检测到向下的磁感线时停止运动，结束。15 磁铁布置图三、仿真电路图采用 proteus 进行仿真测试，图中具备了主控芯片 STC89C52，电源转换模块、驱动芯片 L298N、电机和开关模拟霍尔传感器。四、调试过程1、在制作稳压电源时，为了减小板的尺寸和美观，采用了 0 欧电阻做引线，也正应为这样，忘记将 MC78M05CT 芯片的接地端接地，和部分管脚接错，导致L298N 芯片不正常发热。进过检查和修改，最后能将电压稳定在 4.855.10 之间。2、接好最小系统后，我们用 STC89

19、C52 去控制小车的前进、后退、左右转向。16结果试验成功，小车能正常的跑动起来。这个小试验，是为了检测小车的机械性能。达到了我们预期目的。3、在测试霍尔开关时，部分不能正常工作，最后发现 LM393 芯片的接地端在不接地的情况下，工作能达到预期效果。进行发挥部分入口调试，采用 switch 语句对霍尔传感器采集到的数据进行对比，实行各种情况下的相应命令，比用 if语言简洁，容易控制。由于电机占空比开始时设置过大和磁铁之间有缝隙，导致经常无视“磁区” ，最后通过改造板的磁铁和采集数据的处理，能达到预期效果，但不稳定。4、为了让小车能够精准、顺利的沿着我们所需要的路线行走，并到达相应的位置，我们

20、又采用了磁铁作为引导。我们将磁铁布置在格子的两边作为导航，利用霍尔开关来检测磁场的变化来改变航道。当它走偏并检测到磁铁时，霍尔开关工作并回馈信息，改变小车的前进路线，使它重新回到设定路线。通过多次的试验和定量的分析是，我们成功最终制定了最佳行车路线。5、在画圆时，虽然我们不断地通过修改参数来控制它的半径，但最终应为无法定圆而一度陷入难题。经过不断的观察，我们发现，在不同的电压范围内，小车所走的路线都是不一样的。为了能够更好的画出圆，在测试时通过记录和观察，最后得出了各种电压数值下圆的直径，通过对比，采用了 10.7V 时画出的圆。6、在发挥部分，为了准确进入 A8，我们通过计算和测试，最后确定

21、了使用 4个霍尔开关。进去后我们采用了画圆部分的路线，停在 G2 时开始写电子。有了上一步的经验，我们通过观测和实验，最后确定当电压在 10.6 以上时，小车画出来的电子的效果较好。但由于电机并不完全同调，总是左偏，我们设置参数时将左偏效应考虑进去，人为缩小转动角度。加上左偏影响，小车能走直线。7、显示部分，开始时是准备采用两位共阴数码管显示，但由于亮度总是太低，而且互相总有干扰，导致不能达到预期效果，放弃此方案，采用 1602 液晶。虽然控制上难度加大，但预期效果很好，没有出错，能准确显示坐标，而且不影响电机转动部分。8、装上油水笔后发现电字的笔画是不闭合的，原计划通过让小车后移一段距离再前进，使笔画闭合。但实践发现，当小车后退完成后，万向轮不是平行行车路线的，导致再次直走时左右偏转，决定不采用此方案。第六部分：第六部分：总结一、设计总结测试结果表明：本组的小车能较好的完成了基本部分和发挥部分。小车行走路线是由磁铁在白色泡沫板上，按一定比例分布来实现对小车导航的。由于提笔放笔的位置和设计缺乏思考，导致在安放笔的时候增加了一定难度，导致17浪费了一些不必要的时间。我们应该将放笔的纸筒换成两片硬纸片形成