畢業(yè)設(shè)計---基于單片機的電動車蹺蹺板設(shè)計

1、<p>　　基于單片機的電動車蹺蹺板設(shè)計</p><p>　　摘要: 為了滿足電動車蹺蹺板的設(shè)計要求，進行了各單元電路方案的比較論證及確定，系統(tǒng)以16位單片機SPCE061A作為電動車的控制核心,選用了上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245AL-TTL型傾角傳感器測量蹺蹺板水平方向傾角，該傳感器靈敏度高、重復性好且輸出485信號便于與單片機接口；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

2、精確的步近電機，其最小步進角0.9度，易于平衡點的尋找；通過紅外對管TCRT5000尋跡，實現(xiàn)了小車走直線等功能；系統(tǒng)顯示部分選用圖形點陣式液晶顯示器OCJM4*8C，串行接口，編程容易，美觀大方。采用單片機內(nèi)部時鐘實現(xiàn)精確計時。最后的實驗表明，系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求，不但完成了所有基本和發(fā)揮部分的要求，并增加了路程顯示、全程時間顯示和語音播報三個創(chuàng)新功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：傾角傳感器，紅外對管，步進

3、電機，SPCE061A</p><p><b>　　1.系統(tǒng)方案</b></p><p><b>　　1.1 實現(xiàn)方法</b></p><p>　　本題要求設(shè)計并制作一輛電動小車，能實現(xiàn)在蹺蹺板上運動且在不同配重的情況下保持平衡等功能。我們想利用電機控制小車運行，角度傳感器測量蹺蹺板水平方向傾角來確定小車何時達到平衡，利用

4、尋跡模塊實現(xiàn)小車沿直線行走以及在A點外某處能自動駛上蹺蹺板，還有顯示模塊以及語音模塊等做為人機界面，實現(xiàn)顯示及語音提示等功能。上述各模塊的方案論證如下。</p><p><b>　　1.2 方案論證</b></p><p>　　1.2.1 控制器模塊</p><p>　　方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機價格便宜，應用廣泛

5、，但是功能單一，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；另外51 單片機需要仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。</p><p>　　方案二：采用公司的SPCE061A 單片機作為控制器的方案。該單片機I/O資源豐富，并集成了語音功能。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。</p><p>　　根據(jù)本題的要求，我們選擇第二種方案。<

6、/p><p>　　1.2.2 電機模塊</p><p>　　電機模塊選擇是整個方案設(shè)計的關(guān)鍵，按照設(shè)計要求，小車需在C點和有配重的情況下分別達到平衡狀態(tài)，這需要對小車的精確控制，而且小車制動性能要好。因此普通直流電機不能滿足要求。</p><p>　　方案一：采用直流減速電機控制小車的運動，直流減速電機力矩大，轉(zhuǎn)動速度快，但其制動能力差,無法達到小車及時停車的要求。&l

7、t;/p><p>　　方案二：采用型號4B2YG的步進電機控制小車的運動，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。</p><p>　　經(jīng)過反復的比較、論證，我們最終選用了方案二。該型號步進電機加驅(qū)動器后</p><p>　　與單片機接口簡單，控制方便。</p>&l

8、t;p>　　1.2.3 角度檢測模塊</p><p>　　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)。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。</p><p>　　方案一：采用深圳市華夏磁電子技術(shù)開發(fā)有限公司的A

9、ME-B001角度傳感器，0－360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。</p><p>　　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－45－＋45度，精度0.1度，輸出頻率10次/s，485信號輸出。</p><p>　　在滿足設(shè)計要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素,我們選擇了方案二。</p><

10、p>　　1.2.4 尋跡模塊</p><p>　　通過尋跡模塊小車可實現(xiàn)沿預設(shè)軌跡行走，并可在距離蹺蹺板起始端A點 300mm以外、90°扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置（車頭朝向蹺蹺板）自動駛上蹺蹺板。</p><p>　　方案一：通過光電開關(guān)來實現(xiàn)，它測量距離較遠。但是其體積大、成本高、安裝起來比較麻煩。</p><p>　　方案二：通過紅外對管來實現(xiàn)，它

11、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.</p><p>　　考慮到性價比和簡單易行的策略,我們選擇方案二.</p><p>　　1.2.5 顯示模塊</p><p>　　方案一：用LED顯示，優(yōu)點亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。</p><p>　　方案二：采用金鵬電子的圖形點陣式液晶

12、OCJM4*8C。串行接口，顯示簡單。</p><p>　　考慮到本題的要求，只需要一片LCD就可以實現(xiàn)，故我們選擇方案二。 </p><p>　　1.2.6 語音播報模塊</p><p>　　方案一：通過單片機來控制語音芯片來實現(xiàn)提示信息的播報。但是由于語音芯片成本比較高，而且擴展起來比較復雜，增加焊接難度和設(shè)計成本。</p><p>　　

13、方案二：采用SPCE061A自帶的語言模塊，簡單方便，成本低。</p><p>　　經(jīng)比較，我們選擇方案二。</p><p>　　1.2.7 電源模塊</p><p>　　方案一：鉛酸電池供電，優(yōu)點電流大，缺點重量太沉。</p><p>　　方案二：電池組供電，可提供800mAh電流，重量很輕。</p><p>　　經(jīng)

14、比較，我們選擇方案二，用兩組9V電池組串聯(lián)給步進電機供電，其中一組經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)換后給控制器、傳感器等模塊使用。</p><p><b>　　1.3 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)上述方案論證，我們最終確定了以單片機SPCE061A為控制核心，采用型號為4B2YG的步進電機控制小車運動，用上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245AL-TTL傾角傳感器來測量

15、蹺蹺板的水平傾角，利用紅外對管尋跡實現(xiàn)走直線等功能，還選用了金鵬電子的圖形點陣式液晶OCJM4*8C來實時顯示傾角、小車運行時間、路程等，最終還利用單片機SPCE061A 自帶語音功能實現(xiàn)小車平衡時語音播報。</p><p><b>　　1.4 結(jié)構(gòu)框圖</b></p><p>　　根據(jù)上面的分析論證，我們設(shè)計的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 </p&

16、gt;<p><b>　　2.理論分析與計算</b></p><p>　　根據(jù)題目說明，只要蹺蹺板兩端與地面的距離差小于40mm即可認為平衡，本設(shè)計通過傾角傳感器檢測蹺蹺板水平傾角，所以只要水平傾角保持在0度附近的某個角度范圍之內(nèi)，即可認為蹺蹺板達到平衡狀態(tài)。其閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 </p><p>　　該系統(tǒng)的工作原理是：小車駛上蹺蹺板后

17、，通過傾角傳感器不斷的測量蹺蹺板的傾角（即實際傾角），該實際傾角與給定傾角作比較，形成傾角偏差，通過步進電機控制小車前后微移，不斷修正該傾角偏差，最終使傾角保持在給定范圍之內(nèi)。此時蹺蹺板便達到平衡狀態(tài)。</p><p>　　設(shè)計中小車車輪的周長為240mm,電機最小步進角為0.9度，因此電機每步進一步小車移動距離x為:</p><p>　　x=240*0.9/360=0.6mm</p

18、><p>　　可見，小車位移量是很小的。因此我們能實現(xiàn)小車前后微位移的控制，從而使蹺蹺板較易達到平衡狀態(tài)。</p><p>　　小車所走各段所需脈沖數(shù)的計算（以AC段為例）：</p><p>　　(1)起點A至中點C的距離AC=800mm；</p><p>　　(2)測量小車車長L=270mm,小車重心約在車身靠后約4/5處；</p>

19、<p>　　(3)上面計算電機每步進一步小車移動距離為x=0.6mm；</p><p>　　因此AC段所需脈沖 </p><p>　　n=(AC-L*1/5)/0.6=1243.3；</p><p>　　從而可計算出AB段所需脈沖數(shù) m=2n=2*1243.3=2486.7；</p><p><b&

20、gt;　　3.電路與程序設(shè)計</b></p><p>　　3.1 檢測與驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　傾角傳感器ZCT245AL-TTL與控制器接口電路如圖3所示，驅(qū)動電路如圖4所示：</p><p>　　圖3 傾角傳感器接口電路圖 </p><p>　　圖4 步進電機與驅(qū)動器接口電路圖</p><

21、;p>　　3.2 總體電路圖見附錄</p><p>　　3.3 軟件設(shè)計與工作流程圖</p><p>　　3.3.1 軟件設(shè)計</p><p>　　軟件實現(xiàn)的功能如下：①讀傾角傳感器角度；②給步進電機步進脈沖；③尋跡 ④語音播報；⑤傾角、時間、路程顯示；⑥匯總 </p>&l

22、t;p>　　3.3.2 工作流程圖</p><p>　　系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5、圖6所示：</p><p><b>　　4.結(jié)果分析</b></p><p><b>　　4.1 創(chuàng)新發(fā)揮</b></p><p>　　1）通過計算步進電機發(fā)送脈沖個數(shù)確定小車運行路程，并實時顯示。</p&

23、gt;<p>　　2）利用語音播報功能很好的實現(xiàn)了小車平衡時的播報工作。</p><p>　　3）通過單片機內(nèi)部定時器精確定時，實現(xiàn)總運行時間實時顯示。</p><p><b>　　4.2 結(jié)果分析</b></p><p>　　4.2.1 測試儀表</p><p>　　4位半數(shù)字萬用表(MASTECH M

24、Y-65)，雙蹤示波器(YB4325)，游標卡尺，秒表，電子稱，計算器,直尺。</p><p>　　4.2.2 蹺蹺板平衡狀態(tài)傾角范圍的確定</p><p>　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，如果給定角度恒定為0度，由于外界干擾，實際控制系統(tǒng)中很難實現(xiàn)，因此，在系統(tǒng)設(shè)計中，給定角度設(shè)為某一角度范圍，當實際角度在該范圍之內(nèi)，即可認為蹺蹺板平衡。我們通過實驗觀察蹺蹺板的平衡狀態(tài)，來減小或擴大角度范圍，得數(shù)

25、據(jù)如表1所示。</p><p>　　根據(jù)表1實驗數(shù)據(jù)，我們最終確定給定角度范圍為-2.2度到+2.2度。</p><p>　　表1 傾角范圍的確定</p><p>　　4.2.3 小車運行固定距離需給脈沖數(shù)目的確定（以AC段為例）</p><p>　　當小車需運行固定距離，我們通過公式計算了步進電機應走的步數(shù)，但實際采用時結(jié)果并不令人滿意，主

26、要是因為車輪與蹺蹺板之間可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導致當步進電機發(fā)一個脈沖，小車前進并不一定達到0.6mm。因此我們通過多次實驗測試，在理論值左右尋找最優(yōu)值，最終確定脈沖數(shù)目。以AC段為例，AC段距離800mm,經(jīng)理論計算需發(fā)脈沖1243步，經(jīng)多次實驗測試得下表數(shù)據(jù)：</p><p>　　表2 AC段需脈沖數(shù)目的確定</p><p>　　根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，我們最終確定AC段實際發(fā)送脈沖數(shù)目為12

27、64個。</p><p>　　4.2.4 小車運行過程各種狀態(tài)所需時間測試</p><p>　　表3 基本功能所用時間表</p><p>　　表4 擴展功能所用時間表</p><p>　　由于步進電機能精確控制小車前后微移，因此尋找平衡所用時間較短；通過程序?qū)﹄姍C運行速度適當設(shè)置，使各狀態(tài)所用時間完全能滿足系統(tǒng)要求；因為控制器顯示的時間是通過

28、內(nèi)部定時器定時實現(xiàn)的，所以精度高，顯示時間準，其與秒表實測值之間的微小誤差是由測量誤差所引起的。</p><p><b>　　5.結(jié)語</b></p><p>　　通過測試，系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求，不但完成了基本要求，發(fā)揮部分的要求，并增加了路程顯示、全程時間顯示和語音播報三個創(chuàng)新功能。同時我們自己也得到了很好的鍛煉。</p><p><

29、b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]羅亞非. 16位單片機應用基礎(chǔ). 北京：北京航空航天大學出版社，2003.12 </p><p>　　[2]童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第三版. 北京：高等教育出版社，2001.1</p><p>　　[3]孫肖子. 實用電子電路手冊（模擬分冊）.北京：高等教育出版社，1992</p>

30、;<p>　　[4]譚浩強. C語言程序設(shè)計(第二版). 北京：清華大學出版社，2000 </p><p>　　[5]黃智偉. 全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程. 北京：電子工業(yè)出版社，2005</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附圖1 主板</b></p>&