電動車蹺蹺板設計幾種方案匯總與對比

1、電動車蹺蹺板設計幾種方案匯總與對比電動車蹺蹺板系統(tǒng)方案設計、比較與論證實現(xiàn)方法：根據(jù)題目的基本要求，設計任務主要完成電動車在規(guī)定時間內(nèi)自由行走并能具有保持平衡功能，同時對行程中的有關數(shù)據(jù)進行處理顯示。根據(jù)設計任務及要求，采用單片機作為核心控制器。在白色蹺蹺板上鋪設黑色引導線，在小車的前后各循跡線探測模塊。為完成相應功能，系統(tǒng)可以劃分為以下幾個基本模塊：電動機驅動模塊、尋跡線探測模塊、平衡狀態(tài)檢測模塊、信息顯示模塊、語音模塊?？刂颇K主控芯片的選擇方案：采用89c52單片機方案：采用AT89C51系列單片機作為控制的核心。51單片機按單純的控制和數(shù)據(jù)處理是比較經(jīng)濟實惠的，但是功能單一，并且51單

2、片機需要仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。如果系統(tǒng)需要增加語音播報功能，還需外接語音芯片，實現(xiàn)較為復雜；而且本項目觸及到A/D轉換和PWM控制，如果要具備這兩個功能必須要有專用的A/D芯片和PW控制電路，這無疑是提高了成本。1 / 11電動車蹺蹺板設計幾種方案匯總與對比方案：使用89s51單片機。價格便宜、程序資源豐富，控制簡單，技術比較成熟，但運算速度慢、片內(nèi)資源少、存儲器容量小，難以存儲大體積程序和實現(xiàn)復雜的算法。不能直接進行數(shù)據(jù)采集，接口電路比較復雜。方案：使用AT89S52單片機，AT89S52單片機采用CHMOS工藝及高密度、非易失性存儲技術制造，內(nèi)部包括1個8位CPU,1個片內(nèi)振蕩

3、器及時鐘電路,3個16位定時計數(shù)器,4個8位并行I/O口,8個中斷源,1個可編程全雙工串行口，8叱可插除FLASH和256B的RAM,且內(nèi)置看門狗電路,一旦程序跑飛則復位系統(tǒng)2。因此,設計中采用8位AT89s52單片機負責系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)工作，同時它還不斷處理紅外對管傳感器送來的地面標志信號,這些信號主要控制小車的加速、減速、限速、剎車、倒車等狀態(tài)。此外，在系統(tǒng)設計中當利用片內(nèi)的定時器作為小車行駛計時，并為LED驅動集成電路提供時鐘和數(shù)據(jù)。方案：采用凌陽16位單片機SPCEO61A（30.21）作為控制的核心。SPCE061A該單片機I/O資源豐富，具有10位A/D轉換和PWM控制功能，且具備

4、語音播報功能，使作品更加智能化。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)試的復雜度。（40元）方案：單芯片CC2430（36.9元），高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核，編程的通用性，集成度射頻收發(fā)機實現(xiàn)無線通信，芯片。大容量FLASH和RAM,集成的14位模擬數(shù)字轉換ADC,1個16位定時器和兩個8位定時器。（36元）方案：使用Silabs公司C8051F系列單片機。C805方單片機使用Sila公公司的專利CIP-51微控制器內(nèi)核,是標準的混合信號片上系統(tǒng)（S0C）,除具有標準的8051數(shù)字外設外,片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件、其他數(shù)字外設及功能部件，如

5、電壓比較器PAC、ADC、DAC、SPI、SMBus（I2C）、UART等,特別方便進行數(shù)據(jù)的實時采集與控制。在C8051F系列中單片機中,通過性能及成本比較,我們選擇了C8051F020o（30元）方案：采用Microchip公司的PIC16F877單片機。運行速度快、采用RISC精簡指令技術，低工作電壓，低功耗，I/O有較大的驅動能力，具有豐富的借口資源，配置了3個功能較強的多功能定時器模塊，嵌入看門狗定時器，具有很強的抗干擾能力，同時還具有8路10位AD轉換器同步申，體積小，在線調(diào)試能力強。（22元）電機驅動模塊方案：采用L293D驅動電機（5.28元）。使用該芯片驅動的好處是在額定的電

6、壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠，可以縮小PCB板。用SPCE061A自帶的PW控制電機效果更好，使電動車更容易的尋找到蹺蹺板的平衡點。方案：采用型號42BYGH的步進電機（50元）控制小車的運動，最小步進角為0.9度，因此能實現(xiàn)小車的精確控制，而且當不給步進電機發(fā)送脈沖的時候，能實現(xiàn)自鎖，從而能較好的實現(xiàn)小車及時停車的目的。方案:采用步進電機。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通過控制脈沖個數(shù)控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。由于步進電機能夠較好地滿足系統(tǒng)要求，因此選擇此方案。系統(tǒng)中采用常州寶來電器有限公司生產(chǎn)的42BYGH023（40元）

7、型步進電機,采用BL2210（80元）驅動器3驅動步進電機，其步距角可通過驅動器上的細分開關進行調(diào)整.方案：采用直流電機，直流電機帶有驅動電路及減速箱，減速箱的減速比為64：lo直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可以實現(xiàn)頻繁的啟動、制動、反轉。但是制動、反轉慣性大,精密度低,控制起來比較困難,很難達到近距離調(diào)速的目的。設計中使用L298B（8元）雙全橋步進電機專用驅動芯片搭建了驅動電路，經(jīng)過調(diào)試車速可方案：根據(jù)題目中小車行駛全程的時間要求，可知小車的行駛速度很慢，普通的電機很難滿足此速度要求，而直流減速電機可以滿足此要求，并且其具有很大的轉

8、動力矩，不會在傾斜面出現(xiàn)堵轉情況。缺點：采川直流減速電機控制小車的運動，轉動速度快，但其制動能力差，無法達到小車及時停車的要求。驅動模塊方面：采用專用驅動芯片。該芯片集成度高，占用空間小，主要應用于電機調(diào)速場合。該驅動電路中的J1接電機，M0T1和M0T2接高低電平來控制電機的正反轉，進而控制電機的前進和后退以及左右轉向。方案二用單片機控制步進電機。選用集成步進電機控制芯片和雙全橋驅動芯片組成兩相步進電初驅動電路，由于控告嘴號為數(shù)字信號,不需要進行數(shù)/模轉換具有快速啟/停性能，由于步進電機是采用脈沖驅動,每輸入一個脈沖電機轉子轉動一定角度,脈沖輸入頻率的高低對應于電機轉子的轉速,而且通過驅動電

9、路，電動車行駛速度很容易控制，單位時間內(nèi)前進的距離也很容易測算。利用步進機的準確定長步進性能方便地實現(xiàn)調(diào)速和轉向，可以準確的測量速度、路程以及時間，簡化變成和硬件連接的工作量。但步進機的轉矩較小，不能滿足爬坡的要求。方案三：采用互補硅功率達林頓管ULN2003（0.7元、）實現(xiàn)步進電機的驅動。采用該方法實現(xiàn)步進電機的驅動，電路連接比較簡單，工作也相對可靠，成本低廉，技術成熟。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通

10、過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機28BYJ48型四相八拍電機（6.90元），電壓為DC5VDC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-o。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）平衡檢測模塊方案二

11、：采用AccuStarll傾角傳感器檢測蹺蹺板平衡點。此傾角傳感器是通過改變角度來改變其輸出電壓，具有良好的線性變化，如圖2所示，通過讀取輸出電壓的值來控制小車的速度，有助于電動車找到平衡點。5 / 11電動車蹺蹺板設計幾種方案匯總與對比圖2傾角一電壓模擬變換關系角度檢測模塊也是系統(tǒng)的重要組成部分，我們需要利用角度傳感器來測量蹺蹺板水平方向傾角，當傾角在某個范圍之內(nèi)的時候即可認為蹺蹺板達到平衡狀態(tài)。III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：采用深圳市華夏磁電子技術開發(fā)有限公司的AME-B001角度傳感器，

12、0360度測量范圍，但是安裝非常不方便，而且電壓輸出信號，采集不便。方案二：采用上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245AL-TTL傾角傳感器，測量范圍一45一+45度，精度0.1度，輸出頻率10次/s,485信號輸出。在滿足設計要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素，我們選擇了方案O使用無觸點磁敏電位器自制重錘角度傳感器。在電位器上加一重錘，通過重錘的擺動角度帶來電位器角度的變化，以實現(xiàn)對角度的測量。該角度傳感器安裝在電動車上，當蹺蹺板處在非平衡狀態(tài)時，車體的傾斜角度反映在重錘的轉角上,再通過A/D轉換將角度信號采集到處理器中進行相關的處理。在本設計中，有三個關鍵角度值，即蹺蹺板上平衡區(qū)間的

13、兩端點角度值和平衡區(qū)間中的實際中點值。小車在自動找平衡時，是根據(jù)平衡區(qū)間的端點值判斷自己是否處于平衡區(qū)，是則調(diào)用平衡區(qū)功能函數(shù)進行工作，直到最終找到真正平衡點。經(jīng)過多次試驗論證，小車能夠快速準確地尋找到平衡點。9 / 11正面?zhèn)认蚪嵌葌鞲衅鲗嵨飯D及應用電路需第選項1：磁性電位器、非接觸式力度傳感器集成磁傳感器,利用磁性元件到非接觸感應磁場強度的變化,實現(xiàn)了測角精度。在決定其輸出電壓的平衡和電壓水平相比，當那輛汽車的價值，以確定平面之間的角度，以微處理器為處理和相應的控制，但由于其頻率響應差,頻率小、準確性、非機械的安裝、汽車運動也影響其振動accuracy.安裝、汽車運動也會影響振動模型具有較

14、高的精度。選項2:加速度計,加速度傳感器是一種單軸加速度測量系統(tǒng)。表面上的表面水平傳感器可以設定為平衡輸出值的go加速度計的旋轉，產(chǎn)值g的價值觀相比平衡可轉化為水平的傾向。之后,通過分析單片機集成控制的汽車運動的方向。由于該傳感器能滿足精度要求高，容易安裝，并在傾斜的測量水平較高，因此,我們使用選擇2。方案二：單軸傾角傳感器SCA60C。該集成芯片為專用的水平傾角測量芯片其體積小，靈敏度高，簡單、可靠的工作性能等優(yōu)點，可高度滿足該題對平衡度角的精確要求?？衫酶袘亓铀俣仍谀骋环较虻姆至縼硗瓿山嵌鹊臏y量。其測量范圍為1g(-90+90。),具有抗沖擊能力強，能耗低，精度高等特點,并且其外圍電

15、路十分簡單。(http:方案二采用SCA100T-D02傾角傳感器。傾角傳感器乂稱水平儀、傾角儀，通常用來測量物體與水平面或是豎直面之間的夾角。對于電動車蹺蹺板控制系統(tǒng)而言，角度傳感器的選擇主要考慮精度、測量范圍、安裝。一般磁敏式角度傳感器和傾角傳感器都能達到12位，即0.001度的精度,磁敏式角度傳感器測量范圍可以達到0度-360度,而傾角傳感器在精度范圍內(nèi)也能達到20度土30度,均能滿足精度及測范圍的要求,但磁敏式角度傳感器必須安裝在蹺蹺板轉軸處，安裝不便。此外,考慮傳感器信號必須傳輸?shù)叫≤嚿咸幚?無論是從簡化硬件還是從控制的便利與精度考慮,都不適合用磁敏式角度傳感器。而傾角傳感器可以直接

16、水平安裝在車模底盤上，故確定選傾角傳感器。通過比較選擇，我們最終選擇了12腳貼片封裝的芬蘭VTITechnologies公司生產(chǎn)的雙軸(X/Y軸)軸而精度傾角傳感器SCA100T-D02o方案二:采用霍爾元件集成片和無線發(fā)射模塊。把磁鐵放在蹺蹺板的一端,而將霍爾集成片安裝在固定軸上，當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，可以產(chǎn)生電流的變化,然后通過無線電把信號發(fā)送給小車上的接收模塊,單片機根據(jù)接收到的信號來控制小車的前進或后退，以達到平衡的目的方案三:采用水銀水平開關來控制。該系統(tǒng)中，在小車上裝一對水銀開關,位置如圖4所示。小車上坡時開關2接通開關1斷開P2.0,P2.1輸出10信號，小車前進。小

17、車下坡時開關1接通開關2斷開P2.0,P2.1輸出01信號，小車后退,從而使小車在平衡處附近來回運動，達到動態(tài)平衡。缺點：其內(nèi)部是由兩根導線組合而成，只要當水銀流動到導線的兩端即水銀把兩根導線短接在一起。但當蹺蹺板平衡時，有可能水銀開關還未閉合，可靠性不高。方案：ADC0809CCNU?Component_ 1GXD71 82 73 64 5o 1 2 3 J 5 6 7ININININININININ21 P208P24 7TP25 TP26 1Tp27 CLOCKEOCSTARTOUTPUT ENABLE KEF(+)ADDAVREFG)ADDS ADD CVCCALEGNDJ P365V

18、1216VCCii T13GXDADC0809CCX循跡模塊方案：尋跡采用RG149A光電對管。RG149A通過檢測反射信號的不同來區(qū)分黑白，信號經(jīng)LM324整形后傳輸給控制器。LM324需外接一個滑動變阻器，以找到合適的阻值，使得輸出高低電平信號能被正確識別。經(jīng)過反復試驗，尋線效果良好，在直線和彎道都能很準確地實現(xiàn)尋線，而且該管市面上容易購得。紅外對管，它測量距離近，但反應靈敏、準確。相比光電傳感器而言，其體積較小，價格低,安裝較容易.集成式紅外探頭E3F-DS30C4采用集成斷續(xù)式光電開關探測器,它具有集成度高、工作性能可靠的優(yōu)點，只須調(diào)節(jié)探頭上的一個旋鈕即可以控制探頭的靈敏度。此種探頭還能有效地防止普通光源（如日光燈等）的干擾。方案：采用光電傳感器進行循跡。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，在電動車行駛過程中紅外發(fā)射管不間斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在電動車上的接收管接收，電平拉低：如果遇到黑