電動(dòng)車蹺蹺板

1、電動(dòng)車蹺蹺板_目錄摘 要22 方法設(shè)計(jì)與論證22.1 總體方案描述22.2 控制器模塊的比較和論證32.3 電機(jī)模塊的比較和論證32.4 顯示模塊的比較和論證32.5 循跡模塊的比較和論證32.6 傾角測量模塊的比較和論證42.7蜂鳴器的比較和論證42.8上板方案的比較和論證43 系統(tǒng)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)53.1 硬件實(shí)現(xiàn)53.1.1 單片機(jī)53.1.2 顯示模塊電路63.1.3 傾角測量模塊電路63.1.4 循跡模塊電路73.1.5 蜂鳴器電路73.2 軟件實(shí)現(xiàn)83.2.1 程序流程圖83.2.3算法104 系統(tǒng)測試104.1基本部分測試結(jié)果104.2 發(fā)揮部分測試結(jié)果105 總結(jié)10參考文獻(xiàn)1

2、2附 錄13附錄1：原理圖13附錄2：算法程序14電動(dòng)車蹺蹺板的設(shè)計(jì)與制作摘 要為適應(yīng)蹺蹺板的特殊情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在有配重的情況下均能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)。本設(shè)計(jì)以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，通過舵機(jī)控制電動(dòng)車行進(jìn)與停止，通過紅外光電傳感器來確定行進(jìn)路線，通過傾角傳感器控制蹺蹺板平衡，通過LCD液晶顯示來顯示時(shí)間、角度等參數(shù)。關(guān)鍵詞：MSP430F149、傾角傳感器、蹺蹺板1引 言本設(shè)計(jì)較好地解決了電動(dòng)車在翹翹板上的運(yùn)行和平衡問題，通過紅外光電檢測、角度測量機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在蹺蹺板上實(shí)現(xiàn)了在不同情況下的自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)的功能。2 方法設(shè)計(jì)與論證2.1 總體方案描述整個(gè)系統(tǒng)分為控制部分和信

3、號(hào)檢測部分。控制部分包括顯示模塊、控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊三個(gè)部分。信號(hào)檢測部分由循跡模塊及傾角測量模塊組成。循跡模塊用以檢測黑線從而引導(dǎo)電動(dòng)車在蹺蹺板上運(yùn)動(dòng)以及初步尋找到C點(diǎn)附近。傾角測量模塊用以測量蹺蹺板的傾角，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂颇K（MSP430F149）來判斷是否平衡進(jìn)而對(duì)舵機(jī)發(fā)出指令來最終找到平衡點(diǎn)。圖2.1 系統(tǒng)框圖2.2 控制器模塊的比較和論證方案一：51系列單片機(jī)，是8位單片機(jī)，體積小，低功耗，控制能力強(qiáng)，擴(kuò)展靈活，使用方便。但是其運(yùn)行速度很慢，（因?yàn)槭荂ISC（集中指令）結(jié)構(gòu)，而且芯片為了抗干擾采用了12分頻的方法）、所有的I/0口都是準(zhǔn)雙向口，I/0口的驅(qū)動(dòng)能力弱。方案二：MS

4、P430F149單片機(jī)，是16位單片機(jī)，處理能力強(qiáng)，超低功耗，并且運(yùn)算速度快。相比較之下選擇方案二。2.3 電機(jī)模塊的比較和論證方案一：采用直流電機(jī)做電動(dòng)車的動(dòng)力。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡單，易于控制，但是直流電機(jī)慣性大、響應(yīng)慢、不便于精確控制轉(zhuǎn)速，考慮到題目對(duì)精度要求較高，采用直流電機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)，故不宜采用此方案。方案二：采用舵機(jī)做電動(dòng)車的動(dòng)力，舵機(jī)精度高、慣性小、響應(yīng)快便于精確控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，能更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。相比較之下選擇方案二。2.4 顯示模塊的比較和論證方案一：12864液晶顯示，12864不僅能顯示數(shù)字符號(hào)，還能顯示漢字與圖形，操作方法與其他液晶顯示相似。但其體積較大，不適于用

5、在此系統(tǒng)中。方案二：采用1602液晶顯示，1602能顯示字母、數(shù)字、符號(hào)，功能上完全滿足此系統(tǒng)的要求。而相比于12864液晶顯示，1206體積較小，更適合此系統(tǒng)。相比較之下選擇方案二。2.5 循跡模塊的比較和論證方案一：攝像循跡， 小車行駛過程中，通過攝像頭探測前方的黑線，將采集到的信息傳回單片機(jī)，通過判斷黑線的形狀和曲率調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)角，使小車沿黑線行駛，達(dá)到循跡功能。但其成本高，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制作周期長。方案二：紅外循跡，相比于攝像循跡其電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡單、檢測信息速度快、成本低。不過容易受外界光線干擾。在此系統(tǒng)中紅外循跡能夠滿足系統(tǒng)要求。相比較之下選擇方案二。2.6 傾角測量模塊的比較和論

6、證方案一：傾角傳感器，感應(yīng)傾斜偏差角度的，將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)。操作簡單、編程較容易、成本低。方案二：陀螺儀傳感器，測量角速度的，感應(yīng)動(dòng)作變量，進(jìn)而控制舵機(jī)進(jìn)行修復(fù)動(dòng)作命令。相比于傾角傳感器，陀螺儀傳感器成本高。雖然其功能更強(qiáng)大，但綜合考慮之下選擇方案二。2.7蜂鳴器的比較和論證方案一：無源蜂鳴器，“源”并不是指電源而是指振蕩源，無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號(hào)無法令其鳴叫。必須用2K-5K的方波去驅(qū)動(dòng)它。便宜、聲音頻率可控，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果、在一些特例中，可以和LED復(fù)用一個(gè)控制口。方案二：有源蜂鳴器，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會(huì)叫，并且程序控制方便。相比較

7、之下選擇方案二。2.8上板方案的比較和論證方案一：利用給定的黑線讓其自由上板，示意圖如圖2.1所示。其缺點(diǎn)在于由于扇形面積有限，如果對(duì)其進(jìn)行軌跡線分布時(shí)會(huì)造成多條軌跡線相交，使其傳感器無法判別，并且易受外界的干擾。但其原理控制簡單。圖2.2 上板方案一原理圖方案二：采用兩個(gè)紅外對(duì)管對(duì)齊扇形邊界進(jìn)行檢測，結(jié)構(gòu)物如圖2.2所示。當(dāng)其左邊紅外對(duì)管檢測到黑線時(shí)其向右轉(zhuǎn)，并進(jìn)行50ms延時(shí)。右邊紅外對(duì)管同理。并且可以精確的、不受外界干擾的上板。圖2.3 上板方案二原理圖綜上所述，選取方案二。3 系統(tǒng)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)3.1 硬件實(shí)現(xiàn)3.1.1 單片機(jī)本作品用的MSP430F149最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示

8、。圖3.1 MSP430F149最小系統(tǒng)電路圖3.1.2 顯示模塊電路液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。圖3.2 LCD1602電路圖3.1.3 傾角測量模塊電路圖3.3為傾角傳感器塊電路圖。加速度計(jì)選用Analog Device（亞德諾半導(dǎo)體）公司的ADXL345，該傳感器是一款三軸數(shù)字加速度傳感器，其感應(yīng)精度可達(dá)3.9mg/LSB，傾角測量典型誤差小于1，且感知加速度的最大

9、范圍是 16g。具有超低功耗、采樣速率可調(diào)、測量模式可調(diào)等特點(diǎn)。在實(shí)際使用過程中，一般設(shè)置感應(yīng)范圍為 2g，感應(yīng)精度為3.9mg/LSB，這樣可以提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)加速度范圍和精度要求。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或者沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。圖3.3 ADXL345電路圖3.1.4 循跡模塊電路TCRT5000傳感器的工作原理與一般的紅外傳感器一樣,一傳一感.TCRT5000具有一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管.當(dāng)發(fā)射管的紅外信號(hào)經(jīng)反射被接收管接收后,接收管的電阻會(huì)發(fā)生變化,在電路上一般以電壓的變化形式體現(xiàn)出來,而經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換或LM324等電路整形后得到處

10、理后的輸出結(jié)果.電阻的變化起取于接收管所接收的紅外信號(hào)強(qiáng)度,常表現(xiàn)在反射面的顏色和反射面接收管的距離兩二方面.硬件參考原理圖如下:圖3.4 TRCT5000電路圖3.1.5 蜂鳴器電路因?yàn)閱纹瑱C(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，所以我們通過三極管放大驅(qū)動(dòng)電流，從而可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，你要是輸出高電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)輸出低電平時(shí)，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，所以就不會(huì)發(fā)出聲音。圖3.5 蜂鳴器電路圖3.2 軟件實(shí)現(xiàn)3.2.1 程序流程圖流程圖如下：圖3.6 電動(dòng)車蹺蹺板流程圖3.2.3算法本設(shè)計(jì)采用的是PI算法，原本采用模糊控制算法，但是鑒于難于實(shí)

11、現(xiàn)，所以系統(tǒng)采用增量式PI控制算法，算法中的比例，微分系數(shù)經(jīng)過我們幾次的實(shí)驗(yàn)，最終確定比例系數(shù)為55，微分系數(shù)為54，并且在此基礎(chǔ)上我們對(duì)其輸出角度進(jìn)行濾波，并且給程序中加入了相關(guān)的板子相關(guān)消抖程序，本控制系統(tǒng)是以角度為反饋來控制車速，來達(dá)到平衡，本程序相關(guān)算法程序如附錄二所示。4 系統(tǒng)測試4.1基本部分測試結(jié)果表4.1 基本部分測試結(jié)果到達(dá)C點(diǎn)附近（30s）尋找平衡點(diǎn)(60s)保持平衡(5s)到達(dá)B點(diǎn)(30s)離開B點(diǎn)(5s)返回初始點(diǎn)(60s)總計(jì)（190s）第一次5s15s5s6s5s9s45s第二次5s48s5s7s5s9s79s第三次5s26s5s6s5s12s59s4.2 發(fā)揮部分

12、測試結(jié)果表4.2發(fā)揮部分測試結(jié)果次數(shù)第一次第二次第三次時(shí)間（s）35s41s48s由以上兩組數(shù)據(jù)可知時(shí)間的偏差主要是因?yàn)槠胶鈺r(shí)間的偏差引起的，不過這些偏差還在可控范圍內(nèi)。5 總結(jié)這一周我們小組設(shè)計(jì)了基于MSP430F149的電動(dòng)車蹺蹺板，這是我們第一次做這樣的試題，說實(shí)話感覺還是比較辛苦的，主要是感覺時(shí)間比較緊。不過這應(yīng)該是因?yàn)榈谝淮蔚木壒剩覀兿嘈乓院笪覀儠?huì)做得更好。電動(dòng)車蹺蹺板這個(gè)題目著實(shí)不容易，為了讓小車能夠找到平衡點(diǎn)我們確實(shí)花了不少心思，最后能夠成功我們也感覺很高興。我相信我們?cè)谝院蟮木毩?xí)和比賽中一定會(huì)做得更好。參考文獻(xiàn)1 趙章吉主編電工電子技術(shù)基礎(chǔ)鄭州：大象出版社，20072 劉修文

13、編寫圖解電子制作技術(shù)要訣北京：中國電力出版社，20053 朱力恒電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教程北京：電子工業(yè)出版社，20034 黃智偉基于Multisim 2001的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析北京：電子工業(yè)出版社，20045 臧春華電子線路設(shè)計(jì)與應(yīng)用北京：高等教育出版社，2004附 錄附錄1：原理圖附錄2：算法程序int PID()/增量式PIDif(n12)&(n22)motor_stop();n1=0;n2=0;int change;dis_data(); Angel_data();int a1=30; bbef=bef; bef=now; now=angel_xyz1;err_now = set

14、 - now;err_bef = set - bef;err_bbef = set - bbef;change = kp*(err_now - err_bef) + ki*err_now +kd*(err_now - 2*err_bef+ err_bbef); if(change 50) change=change/20;if(flag170)n1+; / TACCR1=18510-a1; /PWM的低電平時(shí)間 / TACCR2=18505+a1; TACCR1=TACCR1-change; /go /PWM的低電平時(shí)間 TACCR2=TACCR2+change; if(TACCR118530) TACCR2=18505+a1;else if(change 190)n2+; TACCR1=TACCR1-cha