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1、基于单片机的电动车跷跷板设计摘要: 为了满足电动车跷跷板的设计要求,进行了各单元电路方案的比较论证及确定,系统以16位单片机SPCE061A作为电动车的控制核心,选用了直川科技生产的ZCT245AL-TTL型倾角传感器测量跷跷板水平方向倾角,该传感器灵敏度高、重复性好且输出485信号便于与单片机接口；对于关键的小车动力部分,经过充分比较、论证,最终选用了控制精确的步近电机,其最小步进角0.9度,易于平衡点的寻找；通过红外对管TCRT5000寻迹,实现了小车走直线等功能；系统显示部分选用图形点阵式液晶显示器OCJM4*8C,串行接口,编程容易,美观大方。采用单片机部时钟实现精确计时。最后的实验表
2、明,系统完全达到了设计要求,不但完成了所有基本和发挥部分的要求,并增加了路程显示、全程时间显示和语音播报三个创新功能。关键词：倾角传感器,红外对管,步进电机,SPCE061A1.系统方案1.1 实现方法本题要求设计并制作一辆电动小车,能实现在跷跷板上运动且在不同配重的情况下保持平衡等功能。我们想利用电机控制小车运行,角度传感器测量跷跷板水平方向倾角来确定小车何时达到平衡,利用寻迹模块实现小车沿直线行走以及在A点外某处能自动驶上跷跷板,还有显示模块以及语音模块等做为人机界面,实现显示及语音提示等功能。上述各模块的方案论证如下。1.2 方案论证1.2.1 控制器模块方案一：采用ATMEL 公司的A
3、T89C51。51单片机价格便宜,应用广泛,但是功能单一,如果系统需要增加语音播报功能,还需外接语音芯片,实现较为复杂；另外51 单片机需要仿真器来实现软硬件调试,较为烦琐。方案二：采用公司的SPCE061A 单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富,并集成了语音功能。芯片置JTAG电路,可在线仿真调试,大大简化了系统开发调试的复杂度。根据本题的要求,我们选择第二种方案。1.2.2 电机模块电机模块选择是整个方案设计的关键,按照设计要求,小车需在C点和有配重的情况下分别达到平衡状态,这需要对小车的精确控制,而且小车制动性能要好。因此普通直流电机不能满足要求。方案一：采用直流减速电机控制小
4、车的运动,直流减速电机力矩大,转动速度快,但其制动能力差,无法达到小车及时停车的要求。方案二：采用型号4B2YG的步进电机控制小车的运动,最小步进角为0.9度,因此能实现小车的精确控制,而且当不给步进电机发送脉冲的时候,能实现自锁,从而能较好的实现小车及时停车的目的。经过反复的比较、论证,我们最终选用了方案二。该型号步进电机加驱动器后与单片机接口简单,控制方便。1.2.3 角度检测模块角度检测模块也是系统的重要组成部分,我们需要利用角度传感器来测量跷跷板水平方向倾角,当倾角在某个围之的时候即可认为跷跷板达到平衡状态。由于跷跷板最大倾角为5度左右,角度变化围较小,因此要求角度传感器精度高,频率快
5、。目前市场上适合的传感器主要有以下两种。方案一：采用市华夏磁电子技术开发的AME-B001角度传感器,0360度测量围,但是安装非常不方便,而且电压输出信号,采集不便。方案二：采用直川科技生产的ZCT245AL-TTL倾角传感器,测量围4545度,精度0.1度,输出频率10次/s,485信号输出。 在满足设计要求的前提下,考虑到接口、安装方便等因素,我们选择了方案二。1.2.4 寻迹模块通过寻迹模块小车可实现沿预设轨迹行走,并可在距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90扇形区域某一指定位置车头朝向跷跷板自动驶上跷跷板。方案一：通过光电开关来实现,它测量距离较远。但是其体积大、成本高、安装起来
6、比较麻烦。方案二：通过红外对管来实现,它测量距离近,但反应灵敏、准确。相比光电传感器而言,其体积较小,价格低,安装较容易.考虑到性价比和简单易行的策略,我们选择方案二.1.2.5 显示模块方案一：用LED显示,优点亮度高、成本低。但不能显示汉字,显示容较少。方案二：采用金鹏电子的图形点阵式液晶OCJM4*8C。串行接口,显示简单。考虑到本题的要求,只需要一片LCD就可以实现,故我们选择方案二。 1.2.6 语音播报模块方案一：通过单片机来控制语音芯片来实现提示信息的播报。但是由于语音芯片成本比较高,而且扩展起来比较复杂,增加焊接难度和设计成本。方案二：采用SPCE061A自带的语言模块,简单方
7、便,成本低。经比较,我们选择方案二。1.2.7 电源模块方案一：铅酸电池供电,优点电流大,缺点重量太沉。方案二：电池组供电,可提供800mAh电流,重量很轻。经比较,我们选择方案二,用两组9V电池组串联给步进电机供电,其中一组经LM7805转换后给控制器、传感器等模块使用。1.3 系统设计 根据上述方案论证,我们最终确定了以单片机SPCE061A为控制核心,采用型号为4B2YG的步进电机控制小车运动,用直川科技生产的ZCT245AL-TTL倾角传感器来测量跷跷板的水平倾角,利用红外对管寻迹实现走直线等功能,还选用了金鹏电子的图形点阵式液晶OCJM4*8C来实时显示倾角、小车运行时间、路程等,最
8、终还利用单片机SPCE061A 自带语音功能实现小车平衡时语音播报。1.4 结构框图根据上面的分析论证,我们设计的系统的总体结构框图如图1所示。2.理论分析与计算 根据题目说明,只要跷跷板两端与地面的距离差小于40mm即可认为平衡,本设计通过倾角传感器检测跷跷板水平倾角,所以只要水平倾角保持在0度附近的某个角度围之,即可认为跷跷板达到平衡状态。其闭环结构框图如图2所示。该系统的工作原理是：小车驶上跷跷板后,通过倾角传感器不断的测量跷跷板的倾角即实际倾角,该实际倾角与给定倾角作比较,形成倾角偏差,通过步进电机控制小车前后微移,不断修正该倾角偏差,最终使倾角保持在给定围之。此时跷跷板便达到平衡状态
9、。设计中小车车轮的周长为240mm,电机最小步进角为0.9度,因此电机每步进一步小车移动距离x为:x=240*0.9/360=0.6mm可见,小车位移量是很小的。因此我们能实现小车前后微位移的控制,从而使跷跷板较易达到平衡状态。小车所走各段所需脉冲数的计算以AC段为例：起点A至中点C的距离AC=800mm；测量小车车长L=270mm,小车重心约在车身靠后约4/5处；上面计算电机每步进一步小车移动距离为x=0.6mm；因此AC段所需脉冲 n=/0.6=1243.3；从而可计算出AB段所需脉冲数 m=2n=2*1243.3=2486.7；3.电路与程序设计3.1 检测与驱动电路设计倾角传感器ZCT
10、245AL-TTL与控制器接口电路如图3所示,驱动电路如图4所示： 图3 倾角传感器接口电路图 图4 步进电机与驱动器接口电路图3.2 总体电路图见附录3.3 软件设计与工作流程图3.3.1 软件设计软件实现的功能如下：读倾角传感器角度；给步进电机步进脉冲；寻迹 语音播报；倾角、时间、路程显示；汇总 3.3.2 工作流程图系统的主程序流程图如图5、图6所示：4.结果分析4.1 创新发挥1通过计算步进电机发送脉冲个数确定小车运行路程,并实时显示。2利用语音播报功能很好的实现了小车平衡时的播报工作。3通过单片机部定时器精确定时,实现总运行时间实时显示。4.2 结果分析4.2.1 测试仪表4位半数字
11、万用表,双踪示波器,游标卡尺,秒表,电子称,计算器,直尺。4.2.2 跷跷板平衡状态倾角围的确定在闭环控制系统中,如果给定角度恒定为0度,由于外界干扰,实际控制系统中很难实现,因此,在系统设计中,给定角度设为某一角度围,当实际角度在该围之,即可认为跷跷板平衡。我们通过实验观察跷跷板的平衡状态,来减小或扩大角度围,得数据如表1所示。根据表1实验数据,我们最终确定给定角度围为-2.2度到+2.2度。表1 倾角围的确定 角度设定围 平衡效果-3.5度到+3.5度 差-2.7度到+2.7度良-2.2度到+2.2度 优-1.8度到+1.8度良-1.0度到+1.0度差4.2.3 小车运行固定距离需给脉冲数
12、目的确定以AC段为例当小车需运行固定距离,我们通过公式计算了步进电机应走的步数,但实际采用时结果并不令人满意,主要是因为车轮与跷跷板之间可能会出现打滑现象,导致当步进电机发一个脉冲,小车前进并不一定达到0.6mm。因此我们通过多次实验测试,在理论值左右寻找最优值,最终确定脉冲数目。以AC段为例,AC段距离800mm,经理论计算需发脉冲1243步,经多次实验测试得下表数据：表2 AC段需脉冲数目的确定 脉冲数目 与C附近平衡点相差距离1243 +12.2mm 1260+5.4mm 1269-3.0mm 1264 +1.4mm根据上述实验数据,我们最终确定AC段实际发送脉冲数目为1264个。4.2
13、.4 小车运行过程各种状态所需时间测试表3 基本功能所用时间表状态时间AC寻平衡时间保持平衡5秒CB停止5秒BA控制器显示15.233.85.014.85.031.1秒表实测15.534.65.114.95.131.9表4 扩展功能所用时间表状态时间上坡时间寻平衡1时间保持平衡5秒寻平衡2时间保持平衡5秒总计控制器显示21.045.25.052.15.0128.3秒表实测21.446.35.152.05.1129.9由于步进电机能精确控制小车前后微移,因此寻找平衡所用时间较短；通过程序对电机运行速度适当设置,使各状态所用时间完全能满足系统要求；因为控制器显示的时间是通过部定时器定时实现的,所以
14、精度高,显示时间准,其与秒表实测值之间的微小误差是由测量误差所引起的。5.结语通过测试,系统完全达到了设计要求,不但完成了基本要求,发挥部分的要求,并增加了路程显示、全程时间显示和语音播报三个创新功能。同时我们自己也得到了很好的锻炼。参考文献1罗亚非. 16位单片机应用基础. ：航空航天大学,2003.12 2童诗白. 模拟电子技术基础 第三版. ：高等教育,2001.13肖子. 实用电子电路手册模拟分册.：高等教育,19924谭浩强. C语言程序设计. ：清华大学,2000 5黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. ：电子工业,2005附录附图1 主板附图2 电源模块 附图3 液晶接口电路图附图4 红外对管传感器处理电路图
