2019年山東建筑大學-電動車蹺蹺板.doc

1、全國大學生電子設(shè)計競賽論文山東賽區(qū)編號： F 甲 2315題目：電動車蹺蹺板學生姓名：魏志國王林林楚水良學校專業(yè)：山東建筑大學機械工程及自動化指導教師：張涵李凡冰李彥鳳- 1 -電動車蹺蹺板設(shè)計報告摘要：本智能車是以經(jīng)改裝的自購玩具塑料電動車為車架，STC89C51單片機為控制核心， 加以電源電路、直流電機、灰度傳感器、霍爾元件（位置傳感器）、液晶顯示、水銀平衡檢測系統(tǒng)、單片機最小系統(tǒng)以及其他電路構(gòu)成。 經(jīng)過水銀平衡傳感器將得到的信號經(jīng)無線傳輸設(shè)備傳給單片機，再由 STC89C51的 IO 口驅(qū)動 LM298以達到智能控制小車的前進和后退以及轉(zhuǎn)向的目的，尋跡由灰度傳感器完成，同時本系統(tǒng) LC9

2、5900語音模塊進行語音的報警，以提示當前狀態(tài)。并間隔的將小車當前信息顯示在LCD上。關(guān)鍵詞： STC89C51；直流電機；灰度傳感器；無線收發(fā)；LM298； VB通信1、系統(tǒng)方案1. 1實現(xiàn)方法根據(jù)題目的要求有加配重和不加配重兩種情況不配重時：打開電源，小車從A 端出發(fā)，自動尋找在蹺蹺板上的白線，以較快的速度到達D 點（ C點附近，放上一塊磁鐵），在 D 點經(jīng)霍爾元件檢測位置信號，當小車檢測到信號開始減速，以此降低小車的慣性。然后，小車緩慢向 C點行使（ C 點處放上一塊磁鐵）并在小車上裝上霍爾元件。如此當小車到達 C 點時，水銀平衡傳感器檢測到信號，發(fā)送給小車，經(jīng)單片機處理， 讓小車在 C

3、點運動，反復檢測、移動，最終達到平衡狀態(tài)。平衡之后 , LC95900 語音模塊發(fā)出報警信息。一段時間之后，小車從平衡點開始在 30 秒之內(nèi)行駛到 B 處，然后繞回。配重時：將配重物體放在規(guī)定范圍之內(nèi)，并將小車放置在地面距離蹺蹺板起始端A 點 300mm以外、90扇形區(qū)域內(nèi)，打開小車電源，采用灰度傳感器自動尋跡到達A 端，從 A 端上板 , 自動尋找在蹺蹺板上的白線，以較快的速度經(jīng)過 D 點并到達 C點，霍爾元件檢測到信號，以提示小車減速。 然后水銀平衡傳感器檢測到的信號， 讓小車反復移動，最終達到平衡狀態(tài)。平衡之后 , LC95900語音模塊發(fā)出報警信息。然后繞回。1. 2模塊方案比較與論證

4、根據(jù)題目要求， 本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、電機及其驅(qū)動模塊、報警模塊、計時模塊、顯示模塊、無線收發(fā)模塊以及位置檢測等模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖電源模塊尋跡傳感顯示模塊器模塊控位置監(jiān)測制計時模塊模塊器模電機驅(qū)動塊模塊如圖 1 所示：圖 1 系統(tǒng)方框圖為較好的實現(xiàn)各模塊的功報警模塊VB 串聯(lián)通信模塊能，我們分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了論證。無線接收模塊電源模塊由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。方案 1：采用 6V 蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性無線發(fā)送模塊平衡檢測模塊圖 1 系統(tǒng)方框圖- 2 -能。對大功率的電機是

5、很好的選擇。應(yīng)用在我們的車上很合適。方案 2：采用 4 節(jié) 4.2V 可充電式鋰電池串聯(lián)共 16.8V 給直流電機供電，經(jīng)過 7805 的電壓變換后為單片機，傳感器和電機供電。經(jīng)過實驗驗證，當電池為直流電機供電時，單片機、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。因此我們放棄了此方案。方案 3：采用 4 節(jié) 1.5V 可充電式干電池為直流電機供電，用 4 節(jié)可充電干電池經(jīng)過 7895 的電壓變換為單片機和傳感器供電。再用 2 節(jié)鋰電池經(jīng)另一套 7805 電壓變換電路為電機供電。采用此種供電方式后，單片機和電機工作不會很穩(wěn)定，因為此系統(tǒng)要求大功率，所以我們放棄了此方案。綜上考慮，我們選擇了方案 1。由于

6、電機對單片機有影響，所以我們同時采用干電池單獨對單片機供電。控制器模塊方案 1：采用可編程邏輯期間 CPLD 作為控制器。 CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、 IO 資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我們放棄了此方案。方案 2：采用凌陽公司的 16 位單片機，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音

7、處理和識別等領(lǐng)域。但是當凌陽單片機應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用的 CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進行尋跡和蹺蹺板平衡的檢測以及電機的控制，兼有 LC95900語音模塊的播報。如果單純的使用凌陽單片機， 系統(tǒng)整體的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。方案 3：采用 ATMEL公司的 STC89C51單片機作為主控制器。 STC89C51是一個低功耗，高性能的 51 內(nèi)核的 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 8k 空間的可反復擦些 1000 次的 Flash 只讀存儲器，具有 25

8、6 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），32 個 IO 口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器。且該系列的 51 單片機可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機中下載程序。我們自己制作 51 最小系統(tǒng)板，體積很小，下載程序方便，放在車上不會占用太多的空間。從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案3。尋跡傳感器模塊方案 1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照

9、影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案 2：用灰度傳感器?；叶葌鞲衅饕环N一體化反射型光電探測器，根據(jù)它的工作原理，是光敏探頭根據(jù)檢測面反射回來的光線強度，來確定其檢測面的顏色深淺，因此測量的準確性和傳感器到檢測面的距離是有直接關(guān)系的。其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。外界光線的強弱對其影響非常大，會直接影響到檢測效果，在對具體項目檢測時注意包裝傳感器，避免外界光的干擾。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。綜合比較以上三種方案,我們選擇了方案2。電機模塊本系統(tǒng)為智能電動車，

10、對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本題要實現(xiàn)對路徑的準確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。方案 1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比- 3 -較考慮，我們放棄了此方案。方案 2：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。我們所

11、選用的直流電機減速比為 1： 74，減速后電機的轉(zhuǎn)速為 100r/min 。我們的車輪直徑為 6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到V=2r 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。顯示臺顯示模塊方案 1：用數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由于顯示速度快，使用簡單，顯示效果簡潔明了而得到了廣泛應(yīng)用。但是由于我們計劃在顯示臺顯示小車前進的路線、路程，用數(shù)碼管無法顯示如此豐富的內(nèi)容，因此我們放棄了此方案。方案 2：用 LCD液晶進行顯示。 LCD由于其顯示清晰，顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應(yīng)用。對于此系統(tǒng)我們選用 2X16 的 LCD能夠很好的滿足顯示要求，因

12、此我們選擇了此方案。報警模塊方案 1：選擇專門的語音存儲芯片LC95900，通過單片機進行錄放音的控制。用這種方法簡潔方便，較適合于順序播放。且存儲空間合適，能存儲總計120s 的語音，而本系統(tǒng)必須在短時間內(nèi)報警，能滿足題目要求。方案 2：采用簡單的蜂鳴器和發(fā)光二極管，由于報警時間的限制，并且電路盡量簡單的情況下，蜂鳴器和發(fā)光二極管是比較好的選擇。綜合比較而言，我們選用了方案1。無線收發(fā)模塊無線數(shù)據(jù)傳輸被廣泛應(yīng)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)通信、機器人控制、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像的傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。方案 1：用無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。 無線發(fā)射模塊通訊方式為調(diào)頻 AM，工作頻率為 315M

13、Hz，為 ISM頻段，發(fā)射頻率 500mW。超再生式接收模塊通訊方式為調(diào)頻 AM，接收靈敏度高，用示波器觀察輸出波形干凈，抗干擾能力強。系 統(tǒng)中為保證穩(wěn)定，采用芯片PT2262,PT2272M4進行數(shù)據(jù)編解碼，由于數(shù)據(jù)傳輸量較小，經(jīng)過測試，方案可行。方案 2：其他無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，如 nRF401、紅外線或藍牙模塊，由于其價格較昂貴，調(diào)試困難，而且系統(tǒng)中不需傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此我們放棄了此方案。DF無線收發(fā)模塊由于其優(yōu)良的特性和低廉的價格而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及日常商品中，因此我們選擇了此方案 1。位置檢測模塊方案 1：采用紅外對射管，紅外對射管具有檢測距離長，紅外發(fā)光二極管，它發(fā)出的是紅外線而不

14、是可見光， 常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為 940nm左右，外形與普通發(fā)光二極管相同。一般有透明、黑色和深藍色等三種。判斷紅外發(fā)光二極管的好壞與判斷普通二極管一樣的方法。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約 100mW。紅外接收管是一種光敏二極管，使用時要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。綜合整個系統(tǒng)而言，需要發(fā)射電路和接收電路，電路比較復雜，安裝也比較困難。因此我們放棄了此種方案。方案 2：采用霍爾元件，霍爾元件 內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分簡單，

15、基本原理是磁性材料和電橋與運算放大器構(gòu)成：當有磁場通過霍爾元件內(nèi)部的磁性材料時霍爾元件內(nèi)部的電橋平衡被破壞，這樣使運算放大器產(chǎn)生輸出變化。根據(jù)這樣的變化霍爾元件可形成形形色色的檢測電路。對于本系統(tǒng)可以很簡單的進行位置檢測。而且電路非常簡單。所以我們選擇了此種方案。- 4 -計時模塊方案 1：DS1302時鐘芯片。 DS1302 是涓流充電時鐘芯片內(nèi)含有一個實時時鐘/ 日歷和 31 字節(jié)靜態(tài)RAM通過簡單的串行接口與單片機進行通信實時時鐘/ 日歷電路提供秒分時日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24 或 12 小時格式 DS1302 與單片機之間能

16、簡單地采用同步串行的方式進行通信僅需用到三個口線1 RES 復位 2 I/O數(shù)據(jù)線 3 SCLK串行時鐘時鐘 /RAM 的讀 / 寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31 個字節(jié)的字符組方式通信。方案 2：采用 51 芯片定時計數(shù)中斷記錄各階段運動時間。51 芯片有 5 個中斷服務(wù)，包括計時計數(shù)器中斷 T0、T1，8951 提供兩個 16 位的定時計數(shù)器。雖然時鐘芯片可直接使用計時，精度比較高，但是用來不方便，并且計時卻是有些大材小用，并且因為使用了芯片使得小車負載加重，外觀質(zhì)量降低，而通過軟件編程可以較簡單完成，且不必添加任何其他硬件，我們選擇了方案 2。車體設(shè)計方案 1：自己制作電動車。自己制作電動車一

17、般都需要很長時間，車架車輪、電機都需要自己安裝，而且，制作出來之后，小車的整體質(zhì)量會很重，質(zhì)量的分配也不均勻，不適合此平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而且這種電動車一般都價格不扉。因此我們放棄了此種方案。方案 2：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機。對于此平衡系統(tǒng)而言，車架不能太重，而玩具電動車為塑料制作，質(zhì)量很輕，能更好的調(diào)節(jié)蹺蹺板的平衡。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，采用LM298控制，能更加適合小距離的調(diào)節(jié)，經(jīng)改裝之后，便能達到我們所想要得目的，因此我們選擇了此方案。最終方案經(jīng)過反復論證，我們最終確定了如下方案：車體用購買的塑料玩具電動車；采用STC89C51單

18、片機作為主控制器；用6V蓄電池為直流電機供電，用電池分別為單片機等其他模塊供電；用灰度傳感器進行尋跡；采用直流減速蓄電池電機驅(qū)動； LM298作為直流電機的驅(qū)動芯片；無線收發(fā)模塊用來遠程傳輸數(shù)干電池據(jù)；霍爾元件隨時對小車位置進行檢測；1602LCD實時顯示小車當前位置狀態(tài)、時間等；采用 LC95900語音模塊作灰度傳感器霍爾元件為報警提示平衡狀態(tài)； VB串聯(lián)通信。S T C 89C511. 3系統(tǒng)設(shè)計直流電機驅(qū)動采用 VB編程，與電腦通訊，利用LCD 動態(tài)顯示VB 與單片機的串行通信，單片機隨時將信息傳輸給電腦，電腦將傳送來的語音報警數(shù)據(jù)作出相應(yīng)處理后，通過 VB的畫圖動態(tài)顯示當前蹺蹺板的狀態(tài)

19、。VB 串聯(lián)通信1 4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖對于本系統(tǒng)來說，不管是配重還是不配重，小車主要實現(xiàn)的是怎樣在蹺蹺板上達到平衡并保持蹺蹺板的平橫， 基于此，我們共設(shè)計了以下幾種平衡方案。并通過實驗驗證而最終選中一種最終方案。方案 1：在 A 端和 B 端分別裝上一對紅外數(shù)碼對射管， 對準地面，并當小無線收發(fā)裝置水銀平衡傳感器- 5 -車到了關(guān)鍵地段時，采用兩對紅外數(shù)碼對射管，分別檢測 A 端和 B 端距離地面的距離，并比較兩個距離值，當兩距離值差別不大，并且兩值不再波動時，即達到了平衡狀態(tài)。但是此種方法也有不足之處，當小車快到達平衡的位置時， 當對射管檢測到距離并經(jīng)過單片機處理之后， 小車開始向前或向后走。

20、然而，整個運算過程很長，會導致系統(tǒng)很大的波動，不易在規(guī)定的時間內(nèi)讓蹺蹺板達到平衡。并且有可能出現(xiàn)系統(tǒng)混亂，最終達不到平衡狀態(tài)。方案 2：電位器 : 將電位器置于小車前后（與小車底面平行） ，由電位差不同，判斷未達到平衡狀態(tài) , 小車繼續(xù)前行 , 直至電位差達到相等可判斷為平衡狀態(tài)。但是，這樣的話就很難讓小車在規(guī)定的時間內(nèi)達到平衡狀態(tài)。方案 3：采用水銀開關(guān)作平衡傳感器，水銀開關(guān)的原理就是一個水銀球密封在一根玻璃管子里，左右分別放一個導電片，中間有個公共導電片，當傳感器向左傾斜時水銀球碰到左導電片時，左導電片與公共端接通，車向右走；當傳感器向右傾斜時水銀球球碰到右導電片時，右導電片與公共端接通，

21、車向左走。如此便能讓小車最終達到平衡。其實，此平衡傳感器很簡單，就相當于兩個按鍵。左邊一個，右邊一個。然后用無線傳感器將數(shù)據(jù)傳給小車，實現(xiàn)小車的智能控制。因此我們選擇方案3 作為本系統(tǒng)的設(shè)計主線來實現(xiàn)小車功能。2. 理論檢測1、測量方法工具：測試儀器設(shè)備清單儀器名稱型號用途數(shù)量PC機聯(lián)想調(diào)試及下載程序1數(shù)字萬用表MASTECH my 65測量各電路工作情況1秒表記錄時間1翹翹板木材場地1筆記本電腦VB通信1米尺測量板和車1方法：用秒表測量小車從開始運行到系統(tǒng)平衡的時間，電腦通訊，隨時顯示小車的運行狀態(tài)。米尺作為蹺蹺板和小車長度測量工具，并檢測平衡誤差。3. 電路與程序設(shè)計3.1 檢測與驅(qū)動電路設(shè)計VCCR10.3 Kp 0. 0Q1U1OPTOISO19013R2R30.1 K2K灰度傳感器LM298驅(qū)動電路整體電路簡圖3.2 軟件設(shè)計與工作流