電動車蹺蹺板設(shè)計(jì)

1、2014年西安郵電大學(xué)第五屆TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)告 參賽序號 97參賽題目 電動車蹺蹺板參賽隊(duì)員 指導(dǎo)教師 報(bào)告日期 電動車蹺蹺板設(shè)計(jì)報(bào)告摘要: 本設(shè)計(jì)是一種基于ARM單片機(jī)控制的簡易智能自動小車系統(tǒng)。我們進(jìn)行了各個單元電路方案的比較論證以及確定，系統(tǒng)選用Mini STM32板子作為電動車的控制核心,利用紅外光電傳感器TCRT5000在蹺蹺板上進(jìn)行尋跡，實(shí)現(xiàn)小車走直線功能，對于平衡點(diǎn)的尋找，選用MMA7361LC傾角傳感器測量蹺蹺板水平方向傾角，對于關(guān)鍵的小車動力部分，經(jīng)過充分比較、論證，最終選用了控制精確的步進(jìn)電機(jī)，其最小步進(jìn)角0.9度，系統(tǒng)顯示部分選用液晶顯示器TFTLCD，編程

2、容易，美觀大方。采用單片機(jī)內(nèi)部時鐘實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時。關(guān)鍵詞：傾角傳感器，紅外對管，步進(jìn)電機(jī)，Mini STM32Abstract : This design is a kind of simple intelligent automatic car based on ARM single chip microcomputer control system.We compare each unit circuit scheme of argument and determined,System chooses the Mini STM32 board as the control core of e

3、lectric cars,using the infrared electric sensors TCRT5000 tracing on the seesaw,The car in a straight line function,For finding a balance, choose MMA7361LC Angle sensor on the seesaw horizontal Angle.For key car drive part, been fully comparison, finally chose precise stepper motor control, the mini

4、mum step Angle of 0.9 degrees.System displays part chooses LCD TFTLCD, easy programming, the beauty is generous.MCU internal clock to achieve precise timing.Keywords :tilt angle sensor,infrared sensor,stepper motor,Mini STM321.任務(wù)設(shè)計(jì)一個基于ARM單片機(jī)控制的簡易智能自動小車系統(tǒng)。電動車蹺蹺板共需完成三項(xiàng)任務(wù)：1.1 使小車能夠在固定水平蹺蹺板上沿著黑色車軌跡行駛一個來

5、回，并能記錄小車到達(dá)B端和回到A端所用時間。1.2 在蹺蹺板附有配重物體（位置不受限制）的情況下，小車能夠在蹺蹺板上行駛一個來回并能記錄小車到達(dá)B端和回到A端所用的時間。1.3 在蹺蹺板附有配重物體（位置由評委老師選定）的情況下，小車能夠在蹺蹺板上找到平衡位置，停留5s并聲光響應(yīng)和計(jì)時。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 電動車蹺蹺板原理電動車蹺蹺板的關(guān)鍵是循跡模塊和平衡模塊。 這里的循跡是指小車在白色地板上沿黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車

6、行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是按照是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限。 平衡是指小車在蹺蹺板上要能夠找到平衡位置，即蹺蹺板與水平面的夾角為0。由于無法達(dá)到絕對平衡，所以只要蹺蹺板與水平面之間夾角不超過2.8度可以近似看做平衡。故我們用到了傾角傳感器來測量蹺蹺板與水平面之間的夾角。平衡模塊采用MMA7361加速度角度傳感器測量角度。加速度角度傳感器是通過測量由于重力引起的加速度計(jì)算出器件相對于某一平面的傾

7、斜角度。角度傳感器反應(yīng)靈敏、輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且價(jià)格適中。利用加速度傳感器進(jìn)行角度測量分為3種：單軸傾角測量、雙軸傾角測量和三軸傾角測量。在實(shí)際使用中，查閱所用傳感器MMA7361技術(shù)手冊及利用加速度傳感器測量角度的原理，可得輸出電壓與測量角度的關(guān)系為：其中，VOUT表示加速度傳感器的輸出電壓，VOFFSET表示重力加速度為0 g加速度傳感器的偏移量，表示加速度傳感器的靈敏度，1 g表示地球上的重力加速度，表示偏轉(zhuǎn)角度。2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 電動車蹺蹺板控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機(jī)及驅(qū)動模塊等部分組成,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1 所示。 圖2-1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框

8、圖1.主控制電路模塊：用Mini STM32單片機(jī)，復(fù)位電路，時鐘電路2.紅外檢測模塊：光電傳感器TCRT50003.電機(jī)及驅(qū)動模塊:電機(jī)驅(qū)動芯片L298N、兩個步進(jìn)電機(jī)4.電源模塊：雙路開關(guān)電源3.方案論證 本設(shè)計(jì)是一種基于ARM單片機(jī)控制的簡易智能自動小車系統(tǒng)。一是能實(shí)現(xiàn)在水平和傾斜蹺蹺板上行駛一個來回。二是能實(shí)現(xiàn)在蹺蹺板上運(yùn)動且在不同位置配重的情況下保持平衡等功能。利用步進(jìn)電機(jī)控制小車運(yùn)行，用傾角傳感器測量蹺蹺板水平方向傾角來確定小車何時達(dá)到平衡，利用尋跡模塊實(shí)現(xiàn)小車沿直線行走，還有顯示模塊以及聲光顯示模塊等作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)顯示及聲光提示等功能。上述各模塊的方案論證如下。3.1 控制器

9、模塊 方案一：采用STC89C51作為系統(tǒng)控制器。它的技術(shù)成熟，成本低，引腳較少，硬件布局較簡單。STC89C51為八位單片機(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，且實(shí)時性不好，復(fù)雜的控制算法難以實(shí)現(xiàn)，不利于高精度的控制。 方案二：采用Mini STM32板子作為控制器。該ARM單片機(jī)I/O資源豐富，芯片內(nèi)置JTAG電路，可在線仿真調(diào)試，大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的復(fù)雜度。根據(jù)本題的要求，我們選擇第二種方案。3.2 尋跡模塊通過尋跡模塊小車可實(shí)現(xiàn)沿預(yù)設(shè)軌跡行走。 方案一：通過光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，它測量距離較遠(yuǎn)。但是其體積大、成本高、安裝起來比較麻煩。方案二：通過紅外對管來實(shí)現(xiàn)，它測量距離近，但反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確。相比光電傳感

10、器而言,其體積較小,價(jià)格低,安裝較容易.考慮到性價(jià)比和簡單易行的策略,我們選擇方案二.3.3電機(jī)模塊電機(jī)模塊選擇是整個方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，按照設(shè)計(jì)要求，小車需在配重位置可變的情況下達(dá)到平衡狀態(tài)，這需要對小車的精確控制，而且小車制動性能要好。因此普通直流電機(jī)不能滿足要求。方案一：采用直流減速電機(jī)控制小車的運(yùn)動，直流減速電機(jī)力矩大，轉(zhuǎn)動速度快，但其制動能力差,無法達(dá)到小車及時停車的要求。方案二：采用型號4B2YG的步進(jìn)電機(jī)控制小車的運(yùn)動，最小步進(jìn)角為0.9度，因此能實(shí)現(xiàn)小車的精確控制，而且當(dāng)不給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖的時候，能實(shí)現(xiàn)自鎖，從而能較好的實(shí)現(xiàn)小車及時停車的目的。經(jīng)過反復(fù)的比較、論證，我們最終選用了

11、方案二。該型號步進(jìn)電機(jī)加驅(qū)動器后與單片機(jī)接口簡單，控制方便。3.4角度檢測模塊 角度檢測模塊也是系統(tǒng)的重要組成部分，我們需要利用傾角傳感器來測量蹺蹺板水平方向傾角，當(dāng)傾角小于或等于2.8度時即可認(rèn)為蹺蹺板達(dá)到平衡狀態(tài)。由于蹺蹺板最大傾角為5度左右，角度變化范圍較小，因此要求角度傳感器精度高，頻率快。目前市場上適合的傳感器主要有以下兩種。方案一：采用AS5040檢測。AS5040是由AMSCO公司生產(chǎn)的一種非接觸、高分辨力編碼、在0º360º范圍內(nèi)進(jìn)行角度測量的傳感器芯片。但為了測量角度，需要使用兩極磁鐵，在芯片的中心旋轉(zhuǎn)。這樣使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，且加大了電機(jī)負(fù)載。 方案二：采

12、用MMA7361LC檢測。MMA7361LC是一款低功耗、低成本、低姿態(tài)微型電容式三軸加速度傳感器，具有信號調(diào)理，溫度補(bǔ)償，自我測試，MMA7361L包括一個休眠模式，可使用電池供電。 在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素,我們選擇了方案二。3.5 顯示模塊方案一：使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管電壓低、壽命長、對外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時它是采用BCD編碼顯示數(shù)字，亮度高。但是其耗能大，電路復(fù)雜，占用資源較多，且顯示信息少，精度低。 方案二：使用液晶屏顯示。LCD具有輕薄短小、低耗電量、影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，顯示信息量大，分辨率高且抗干擾性強(qiáng)；外圍電路少，使用

13、方便。 綜合考慮以上兩種方案，選擇采用方案二。3.6 電源模塊 方案一：鉛酸電池供電，優(yōu)點(diǎn)電流大，缺點(diǎn)重量太沉。方案二：開關(guān)電源供電，可提供較大電流，方便好用。經(jīng)比較，我們選擇方案二，用開關(guān)電源給步進(jìn)電機(jī)供電。 根據(jù)上述方案論證，我們最終確定了以Mini STM32單片機(jī)為控制核心，采用型號為4B2YG的步進(jìn)電機(jī)控制小車運(yùn)動，用MMA7361傾角傳感器來測量蹺蹺板的水平傾角，利用紅外對管尋跡實(shí)現(xiàn)走直線等功能，還選用了LCD液晶屛來實(shí)時顯示傾角、小車運(yùn)行時間等，最終還利用蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)小車平衡時語音播報(bào)4.硬件設(shè)計(jì)4.1 小車框架4.2 L298N電路圖 L298N電路圖5. 軟件設(shè)計(jì)5.1 電動車蹺蹺板的主函數(shù)框架圖如圖1所示； 圖1 主函數(shù)框架5.2