电动车跷跷板设计结题报告

1、电动车跷跷板摘要：本系统以AT89c52单片机为控制核心，控制小车所要完成的所有基本操作及发挥部分的第（2）（3）项操作。在整个行进的过程中，小车以寻迹方式始终沿跷跷板的中心黑线行驶。小车以铝合金为框架，结构牢固重量适宜。小车的驱动部分使用了驱动能力较大的直流减速电机，并采用L298N作为电机的驱动芯片。小车上安装了128*64LCD液晶屏和语音模块，可以实时显示小车在各个阶段的运行状态（行驶里程行驶速度行驶时间启停状况），并在规定的停止地点发出声音提示。整机使用双电源供电，分别供给电机驱动部分和单片机控制电路部分。关键词：AT89C51 12864LCD L298N Abstract:Key

2、word: AT89C51 128*64LCD L298N 直流减速电机一 系统设计1 设计要求：基本要求：（1）电动车从起驶端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；（3）电动车从（2）的平衡点出发，30秒钟内行使到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；（4）电动车在B点停止5秒钟后，1分钟内退回起始端A，完成整个行程；（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分段实时显示电动车行驶所用的时间。图（2）（3）为小车行驶路线示意图。 2方案比较、设计与论证 根据设计要求，小车

3、要能自主完成在跷跷上所有规定运行状态。小车控制核心采取用双单片机作为智能控制模块，并在单片机外围接了寻迹传感模块、角度传感模块、LCD显示及报警模块、电机驱动模块等模块构成。 为更好地完成规定操作，拟定了以下各模块的设计方案，并进行比较后从中选择最佳的方案。21 小车车体的设计方案1购买相关的器材进行自主设计。此方案可以方便地根据场地及测试规定进行合理的车体造型和大小进行设计，同时小车轴轮及电机也可根据车体重量及坡的倾斜度进行灵活选择。但要花费教多的时间、精力。方案2从市场上选购玩具电动车，并进行相应改造。此种方案可以减少教多的制作时间，但很难买到性价比符合设计要求的车型，即使可以买到，车体的

4、框架及内部电路也要重新改做，同时小车自带的电机驱动能力有限，也不一定能满足爬坡性能和减速性能的要求。经过比较论证，最终选择了方案一。通过简化车体框架的制作过程，尽量缩短造车时间。由于小车在行进的过程中要求爬坡，为了增加小车的驱动能力和减速特性，选择了后轮安装双直流减速电机驱动，同时为了防止小车返回时下坡重心偏移前后轮各安装了一个万向轮起支撑作用。2. 2 控制模块的设计方案1.采用一块c52单片机作为整机的控制核心。此种方案涉及较复杂的硬件电路设计和软件算法。由于小车在跷跷板上各个阶段的运行状态不一，如果各个状态的程序分开编写，则会占用较大的ROM空间和CPU执行指令的效率。而且一块单片机的内

5、部资源有限，如果需要使用较多的I/O口和定时器，还要进行芯片的扩展和软件编址。 方案2.采用两块c51单片机作为整机的控制核心。单片机用来控制小车在整个行程的运行状态，单片机用来检测光电码盘的脉冲信号，并进行速度和小车行驶里程的计算。并将计算的结果送到12864LCD进行显示。通过对标志位的设置，在正常模式下，两块单片机独立工作。当小车状态改变时，单片机向单片机发送状态改变标志。这样两块单片机可以有充足的定时和I/O可供使用，大大减少了硬件扩展的麻烦。通过比较以上两种方案，优先选择方案。23电机选择方案方案1.采用步进电机，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，具有精度高易调控的特点。

6、但是步进电机的力矩会随转速的升高而下降，调速潜力不大。并且低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。所以放弃使用步进电机方案2.采用具有光电编码盘的直流减速电机，直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力强，能经受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极调速、制动和反转。在此选择方案2.24电机驱动方案 方案1.采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采

7、用的PWM调速技术。方案2. 采用专用集成芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。它具有两个使能输入端， 在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作，每个桥对的下部三极管的发射极接在一起并引出，用以外接检测电阻,它设置了一附加电源输入端使逻辑部分在低电压下工作。L298还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能，完全符合直流电机驱动的需要。考虑到集成芯片体积小易于连线。选择方案2（注意：使用L298N时需要装一块散热块）图（3）

8、为L298N的引脚图。图（）L298N内部结构框图图（）l298N的引脚图2.51显示报警模块的设计本模块根据题目要求需实时显示各阶段所用时间，并能显示小车当前状态。方案.采用普通段LED数码管做为小车整个行进过程状态的显示器件，LED数码管具有显示亮度高，及功耗小的特点。常用在只需要显示内容简单且不需要显示汉字的地方。此方案涉及的硬件接口简单，容易实现，软件编程也较为简单，但限于数码管显示内容少，只能显示个数字和字母，无法显示小车当前状态及更多的信息，界面不够友好，经小组讨论，放弃此方案。方案2.采用行列驱动式128*64液晶显示屏，作为小车运行状态的信息显示。12864LCD可以显示丰富的

9、图文信息，人机界面良好，显示屏背光可调，通过调整，可以适用不同光亮环境下的显示。但此液晶屏接口电路较为复杂,由于是行列驱动式(两个列驱动器,一个行驱动器),分屏显示,编程较为复杂,且此液晶不含中文字库,实现中文输出需占用较大的存储器,经小组讨论,放弃此放案.方案3. 采用ST7920驱动的ocmj4x8c液晶屏,此型号的液晶屏有液晶显示的所有优点,且内含中文字库,软件编程较为简单,硬件借口电路方面可根据数据传输方式有两种方式,即串行和并行,设计方式灵活,切相对简单,所以我们选择此方案.2.5.2报警模块的设计与实现 方案一：采用蜂鸣器闹铃，当到设定时间时，单片机向蜂鸣器送出高电平，蜂鸣器发生。

10、采用蜂鸣器闹铃结构简单，控制方便，但是发出的闹铃声音单一。 方案二：ISD1420系列单片永久性语音录放电路，可以按地址来分段回放事先录制好的语音。我们使用的ISD1420 ,具有语音存储功能。我们预先把每一段语音的地址编成一个地址码表，存储在ROM 中，在使用时，只需从地址码表中查出相应的地址码，赋值给ISD1420，再发出放音指令即可。接线图如下： 2.6电机调速方案的设计方案一：调节电压，通过采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。然而电阻网络只能实现有级调速，并且调压方式下转速与外界的负载有关，当电压较低时，电机力矩小，输出不稳定，而且调速的精度有限。数字电阻的元

11、器件价格一般比较昂贵，使用电阻式分压调整不仅会降低电机的输出的效率，同时会造成电源的浪费。所以这种调速方案是很不可取的。方案一：PWM调速工作方式，PWM(脉宽调制)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。相比电压调速的方法，PWM调速具有精度高，易于控制等优点。通过对单片机定时中断进行合理的编程，还可以实现动态调速的功能，这一点对多状态运行的小车是很重要的。因此选择方案二。27小车测速模块方案的设计 测速原理：单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计

12、数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。 方案1. 使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。此种方法多见于工业应用，测速的精度也较高。但针对本项目设计，由于小车的车轮较小且车轮距车体较近，安装起来难度较大。 方案2.使用光电传感器获得脉冲信号，其基本原理原理就是当发射管发出的光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。光电传感器的种类很多，在本方案中用到了透射式

13、光电管，如图5所示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。而此次购买的直流减速电机的尾部已装有一个遮光叶片，当车轴转动时带动叶片转动，当扇叶经过时，便会产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。 图（5）透射式光电传感器示意图比较后，选择方案2。27角度传感模块的设计方案：UZZ90001飞利浦公司推出的单片角度触感器信号调理器，配上磁阻式角度传感器KZM41，可实现非接触的、精确的角度测量。UZZ9001采用SPI串行接口的数字输出方式，输出的数字信号与被测角度信号成正比；测量的角度范围是0-180度，且在0-100度范围内测量误差小于2.8寻迹传

14、感模块的设计 为了保持小车在中央黑线上直线行进，小车必须进行寻迹。根据小车的结构特点，采用了红外线反射传光电感器作为寻迹单元。红外反射式光电管的工作原理，简单的说就是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图1. 所示。如果反射光的强度越大，则接收管输出的电压也越大。反射光强度的输出信号电压vout是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与vout的响应曲线是非线性的，如图(5)所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。阈值电压的设定可以通过实验不断调整获得。 vout 10 x/mm图 5 光强度相应曲线2.9电源

15、选择 方案一：所有器件采用单一电源电池(8节NI-HI电池)。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显 方案二：双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。 我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。系统硬件电路的设计 3.1系统设计框图(如图6)单片机光电传感模块角度传感模块128*64LCD语音模块启动按键执行机构（电机）单片机小车状

16、态改变？ 图(6)系统组成框图 两个单片机I/0口及定时器的资源分配表格（b）单片机单片机I/0 P1P1.0-P1.7与L298N的输入引脚相连 I/0 P2P2.0-P2.2与光电传感器的123相连定时器0用作PWM波发生 定时器 15秒钟定时3.2电极驱动电路电机驱动芯片使用了L298N, 为了减少电机对主控制电路的干扰,设计中运用了TLP521光耦集成块，将主控制部分电源与电机驱动部分的电源隔离开来,具体电路图(6)。L298N的控制逻辑如表格(a)InputsFunctionENABLE=1IN1= H ; IN2 = LForwardIN1 = L ; IN2 = HReverse

17、ENABLE=0C = X ; D = XFree RunningMotor Stop ENABLE：电机输入使能端 IN:控制电机转向 Function:电机状态 表格（a）电机驱动模块电路： 3.3 红外线反射传感器寻迹电路图为了保证寻迹的准确性，同时也为了小车上下坡及返回能共用一组红外反射光电传感器，采用了三个红外线反射传感器作为寻迹单元，并将其排成“一”状，安放在小车底盘的中部。光电传感器安装示意图，如图（7） 。在调整光电检测黑白线输出电平阶段，通过调整电路图（8）中的可调电阻，实现光电门检测到黑线的输出低电平，当检测到白线时输出高电平。考虑到，如果两个光电传感器之间的距离小于黑线的宽度，小车在行进的过程中会因为叫小的转向偏差，也会做出响应的转向操作，这样小车在行进的过程中，很可能会以曲线行进。所以在安装时，使两个光电传感器间隔少大于黑线的宽度。 1 2 3右轮左轮前轮 图7 安装示意图当图（7）中的光电传感器1检测到黑线时，123输出的数据是011，当3检测到黑线时123输出数据110，正常行进过程中123输出101。34单片机与128*64LCD及语音录放模块1420的连接图，如图（10）128*64LCD主要用来实时显示小车的运行状态