D06电动车运动控制系统(陈嘉源、吴岳松、张民)解读

1、序号：D06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队长名称陈嘉源2011年05月31日电动车运动控制系统【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El

2、ectric vehicle motion control system【Abstract】The electric car is this in the frame, using's two motor to drive the car, main board part to desig n. Through the main con trol chip STC89C52 microcontroller, data processing, send into drive chip after L298N to complete the corresp onding operati o

3、n. Usi ng 3144E switch type hall sen sor-based to achieve car route, and the whole process mon itori ng fun cti on by LCD 1602 to display releva nt data.On the backpla ne arran ged several diameter 2cm aggra ndizeme nt magn ets, for whe n the car walks through the hall sen sors, a course correction

4、as specified points on paper to draw circles and write electricity words.Key words: STC89C52; L298N; 3144 E type switch hall-effect sen sor; Route fixed目录刖言： .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

5、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：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

6、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：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，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，

7、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，我们采用方案三56#双电机双轮车底双电机四驱车底第二部分：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：#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 11.0

8、592MHZ的外部晶振和 2个独立键盘，同时还配置了 10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： 11.Q952MYl03DPIO器FL3P14P13器醤F31器盅霧取co 1234567PEW 7 6543210 XQOODODDOJ-JJ2222 2 2 22 -P FPPPPFP FPPPPPPPVCC5Vi rt m 寸 un g z7CC 57Header S7#2、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.

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、咼电压、咼 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、咼电压、咼电流、四通 道驱动。综上所述：本驱动

10、电路采用驱动芯片 L298N来直接驱动电机，L298N从主控单片机 STC89C52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：VCC 5V8l±C6lOOuF* *_+.C9rO.luFVCC 9.6VD3D4D55P32P30-X4321Header 48INIVSSIN2VSIN3IN4OUT1OUT2ENAOUT3EN EOUT4ISEN AGNDISEN EL298N115942T7314lOOuFD21234" 十C7 l十O.SluF电机控制端D64呂49IN40

11、079w I當I> n evrM anwws.ww§S.1毛5§LWLC 壬一SJWSU姜33呈壬一烘?nnriipm10#L298NL298N引脚图4、显示模块实现方式优点缺点万案一2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，显示内容较少万案一1602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。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，显示速度较快

12、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P3A7> P3A6> P3A5> P3A4> P2A7>卩2八6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：3144321A-ldrLnM3144E开关型霍尔传感器实物图3144E

13、开关型霍尔传感器引脚图霍尔传感器工作原理1）特点： 、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。（ 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，

14、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。vccGNI)上图为霍尔器件输出信号波形，下图为 板子将信号外理后論岀的TTL高低电平。 可直接接入单片机"使用单片机中断进 行计数。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：VCC 5VTpro第三部分：系统的软件部分1、系统软件主流程

15、图如下图所示：11开始12#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#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，执行预先设计的命令（画圆或者写电字）。第四部分：系统功能与指标参数1、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

16、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 预先设计的命令（画圆或者写电字）。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、调试影响指标一一电压我们采用8节学电池，8 1.2=9.6V，实验证明，当电量最满时电压值为 11.0V，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

17、圆的半径46cm45cm46cm48cm45cm56cm60cm78cm81cm82cm85cm圆的半径-电压散点图电压值/V3、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：调试过程一、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

18、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，车头与横轴平行，小车沿直线走，当霍尔 传感器检测到向

19、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。100016#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of ni irumagMAUSn.aaxaE HUXMsld“*3l3Mr5 £翼":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MC78M05C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4.85 5.10

20、之间。2、接好最小系统后，我们用STC89C5去控制小车的前进、后退、左右转向。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

21、走，并到达相应的位 置，我们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

22、入 A8,我们通过计算和测试，最后确定了使用 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

23、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： 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一个倒三角的形 状，这样环比是就比较简单了。再者，在基础部分，由于电压的跳动导致画圆半 径受其影响比较大。在发挥部分，能够精

24、准地停在 A8 和 G2 位置，并执行下相 应指令，但转向参数也是输电压影响比较大，装向不足或过度导致写字有问题。二、收获体会在这忙碌的几个星期中， 很苦很累， 但是当作品出来并运行成功后， 一切都 是那么充实，值得，我们学到了很多，特别是在调试阶段。感触最多的是发现问 题并解决问题的方法技巧， 其中，我们团队发现了很多问题， 通过思考和讨论后， 确定最佳的方案，并把它是行。解决问题的方法有多个，但最好的只有一个，所 以必须从多个角度出发， 哪怕是小小的舵机的放置。 几个星期的努力， 不仅锻炼 了我们的动手实践能力， 更重要的是锻炼了我们的团队合作能力还有学以致用的 重要性，这都是我们在以后学习工作中非常之重要的。 当然， 我们的设计中还有 很多不足， 有待在接下来的设计中进一步提高和完善， 恳请各位老师师兄多多指 正。三、进一步完善提出意见或建议我们的小车是由智能小车的底板、 稳压电源、 霍尔传感器以及由单片机控制 的舵机组成的。小车行走路线的调整是由放置在白色泡沫板上的磁铁磁铁，通 过传感