山東建筑大學(xué)-電動(dòng)車蹺蹺板doc

1、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽論文山東賽區(qū)編 號(hào)：F甲2315題 目：電動(dòng)車蹺蹺板學(xué)生姓名：魏志國 王林林 楚水良學(xué)校專業(yè)：山東建筑大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化指導(dǎo)教師：張 涵李凡冰李彥鳳電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本智能車是以經(jīng)改裝的自購?fù)婢咚芰想妱?dòng)車為車架，STC89C51單片機(jī)為控制核心，加以電源電路、直流電機(jī)、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(jī)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(hào)經(jīng)無線傳輸設(shè)備傳給單片機(jī)，再由STC89C51的IO口驅(qū)動(dòng)LM298以達(dá)到智能控制小車的前進(jìn)和后退以及轉(zhuǎn)向的目的，尋跡由灰度傳感器完成，同時(shí)本系統(tǒng)LC95900語音模塊進(jìn)行

2、語音的報(bào)警，以提示當(dāng)前狀態(tài)。并間隔的將小車當(dāng)前信息顯示在LCD上。關(guān)鍵詞：STC89C51；直流電機(jī)；灰度傳感器；無線收發(fā)；LM298；VB通信1、系統(tǒng)方案1. 1 實(shí)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(shí)：打開電源，小車從A端出發(fā)，自動(dòng)尋找在蹺蹺板上的白線，以較快的速度到達(dá)D點(diǎn)（C點(diǎn)附近，放上一塊磁鐵），在D點(diǎn)經(jīng)霍爾元件檢測位置信號(hào)，當(dāng)小車檢測到信號(hào)開始減速，以此降低小車的慣性。然后，小車緩慢向C點(diǎn)行使（ C點(diǎn)處放上一塊磁鐵）并在小車上裝上霍爾元件。如此當(dāng)小車到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，水銀平衡傳感器檢測到信號(hào)，發(fā)送給小車，經(jīng)單片機(jī)處理，讓小車在C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)檢測、移動(dòng)，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

3、平衡之后, LC95900語音模塊發(fā)出報(bào)警信息。一段時(shí)間之后，小車從平衡點(diǎn)開始在30秒之內(nèi)行駛到B處，然后繞回。 電源模塊 控 制 器 模 塊尋跡傳感器模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊平衡檢測模塊顯示模塊無線發(fā)送模塊無線接收模塊位置監(jiān)測模塊計(jì)時(shí)模塊報(bào)警模塊VB串聯(lián)通信模塊配重時(shí)：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(diǎn)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(dòng)尋跡到達(dá)A端，從A端上板,自動(dòng)尋找在蹺蹺板上的白線，以較快的速度經(jīng)過D點(diǎn)并到達(dá)C點(diǎn)，霍爾元件檢測到信號(hào)，以提示小車減速。然后水銀平衡傳感器檢測到的信號(hào)，讓小車反復(fù)移動(dòng)，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。平衡之后, LC95

4、900語音模塊發(fā)出報(bào)警信息。然后繞回。1. 2 模塊方案比較與論證根據(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(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊、計(jì)時(shí)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)的方框圖如圖1所示：圖1系統(tǒng)方框圖為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。 1.2.1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(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性 圖1系統(tǒng)方框圖能。對(duì)大功率的電機(jī)是很好的選擇。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

5、.8V給直流電機(jī)供電，經(jīng)過7805的電壓變換后為單片機(jī)，傳感器和電機(jī)供電。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電池為直流電機(jī)供電時(shí)，單片機(jī)、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(jī)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(jī)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(jī)供電。采用此種供電方式后，單片機(jī)和電機(jī)工作不會(huì)很穩(wěn)定，因?yàn)榇讼到y(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。由于電機(jī)對(duì)單片機(jī)有影響，所以我們同時(shí)采用干電池單獨(dú)對(duì)單片機(jī)供電。1.2.2控制器模塊方案1：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CP

6、LD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)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(jìn)行功能擴(kuò)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(fù)雜的邏輯功能，對(duì)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(jì)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(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要

7、是進(jìn)行尋跡和蹺蹺板平衡的檢測以及電機(jī)的控制，兼有LC95900語音模塊的播報(bào)。如果單純的使用凌陽單片機(jī)，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(jī)而考慮其它的方案。方案3：采用ATMEL公司的STC89C51單片機(jī)作為主控制器。STC89C51是一個(gè)低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦些1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)IO口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。且該系列的51單片機(jī)可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機(jī)中下載程序。我們自己制作

8、51最小系統(tǒng)板，體積很小，下載程序方便，放在車上不會(huì)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。1.2.3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(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)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(qiáng)度，來確定其檢測面的顏

9、色深淺，因此測量的準(zhǔn)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(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。外界光線的強(qiáng)弱對(duì)其影響非常大，會(huì)直接影響到檢測效果，在對(duì)具體項(xiàng)目檢測時(shí)注意包裝傳感器，避免外界光的干擾。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)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。1.2.4電機(jī)模塊本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來說，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本題要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可

10、以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)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(shí)會(huì)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)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。我們所選用的直流電機(jī)減速比為1：74，減速后電機(jī)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(dá)到V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能夠較好的

11、滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。1.2.5顯示臺(tái)顯示模塊方案1：用數(shù)碼管進(jìn)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(jì)劃在顯示臺(tái)顯示小車前進(jìn)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(jìn)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(duì)于此系統(tǒng)我們選用2X16的LCD能夠很好的滿足顯示要求，因此我們選擇了此方案。1.2.6報(bào)警模塊方案1：選擇專門的語音存儲(chǔ)芯片LC95900，通過單片機(jī)進(jìn)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(chǔ)空

12、間合適，能存儲(chǔ)總計(jì)120s的語音，而本系統(tǒng)必須在短時(shí)間內(nèi)報(bào)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(bào)警時(shí)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。1.2.7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(jī)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315MHz，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(qiáng)。系統(tǒng)中為保證穩(wěn)定，采用

13、芯片PT2262,PT2272M4進(jìn)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(lán)牙模塊，由于其價(jià)格較昂貴，調(diào)試?yán)щy，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(jià)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。1.2.8位置檢測模塊方案1：采用紅外對(duì)射管，紅外對(duì)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(lán)色等三種。判斷紅外發(fā)光二極管的好壞與判斷普通二

14、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(shí)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(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。綜合整個(gè)系統(tǒng)而言，需要發(fā)射電路和接收電路，電路比較復(fù)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，基本原理是磁性材料和電橋與運(yùn)算放大器構(gòu)成：當(dāng)有磁場通過霍爾元件內(nèi)部的磁性材料時(shí)霍爾元件內(nèi)部的電橋平衡被破壞，這樣使運(yùn)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

15、形色色的檢測電路。對(duì)于本系統(tǒng)可以很簡單的進(jìn)行位置檢測。而且電路非常簡單。所以我們選擇了此種方案。1.2.9計(jì)時(shí)模塊方案1：DS1302時(shí)鐘芯片。DS1302 是涓流充電時(shí)鐘芯片內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)進(jìn)行通信實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒分時(shí)日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘操作可通過AM/PM 指示決定采用24 或12 小時(shí)格式DS1302 與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信僅需用到三個(gè)口線1 RES 復(fù)位2 I/O 數(shù)據(jù)線3 SCLK串行時(shí)鐘時(shí)鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31 個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。方案

16、2：采用51芯片定時(shí)計(jì)數(shù)中斷記錄各階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間。51芯片有5個(gè)中斷服務(wù)，包括計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器中斷T0、T1，8951提供兩個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器。雖然時(shí)鐘芯片可直接使用計(jì)時(shí)，精度比較高，但是用來不方便，并且計(jì)時(shí)卻是有些大材小用，并且因?yàn)槭褂昧诵酒沟眯≤囏?fù)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。1.2.10 車體設(shè)計(jì)方案1：自己制作電動(dòng)車。自己制作電動(dòng)車一般都需要很長時(shí)間，車架車輪、電機(jī)都需要自己安裝，而且，制作出來之后，小車的整體質(zhì)量會(huì)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(dòng)車一般都價(jià)格不扉。因此我們放棄了此種方案。方案2：購

17、買玩具電動(dòng)車。購買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)。對(duì)于此平衡系統(tǒng)而言，車架不能太重，而玩具電動(dòng)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(dòng)車的電機(jī)多為玩具直流電機(jī)，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(dá)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(fù)論證，我們最終確定了如下方案：S T C 89C51干電池?zé)o線收發(fā)裝置語音報(bào)警LCD動(dòng)態(tài)顯示灰度傳感器水銀平衡傳感器直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)霍爾元件VB串聯(lián)通信蓄電池車體用購買的塑料玩具電動(dòng)車；采用STC89C51單片機(jī)作為主控制器；用6V蓄電池為直流電機(jī)供電，用電池分別為單片機(jī)等其他模

18、塊供電；用灰度傳感器進(jìn)行尋跡；采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)；LM298作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片；無線收發(fā)模塊用來遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)；霍爾元件隨時(shí)對(duì)小車位置進(jìn)行檢測；1602LCD實(shí)時(shí)顯示小車當(dāng)前位置狀態(tài)、時(shí)間等；采用LC95900語音模塊作為報(bào)警提示平衡狀態(tài)；VB串聯(lián)通信。1. 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用VB編程，與電腦通訊，利用VB與單片機(jī)的串行通信，單片機(jī)隨時(shí)將信息傳輸給電腦，電腦將傳送來的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)處理后，通過VB的畫圖動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前蹺蹺板的狀態(tài)。14 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖對(duì)于本系統(tǒng)來說，不管是配重還是不配重，小車主要實(shí)現(xiàn)的是怎樣在蹺蹺板上達(dá)到平衡并保持蹺蹺板的平橫，基于此，我們共設(shè)計(jì)了以下幾種平衡方案。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證而

19、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(duì)紅外數(shù)碼對(duì)射管，對(duì)準(zhǔn)地面，并當(dāng)小車到了關(guān)鍵地段時(shí)，采用兩對(duì)紅外數(shù)碼對(duì)射管，分別檢測A端和B端距離地面的距離，并比較兩個(gè)距離值，當(dāng)兩距離值差別不大，并且兩值不再波動(dòng)時(shí)，即達(dá)到了平衡狀態(tài)。但是此種方法也有不足之處，當(dāng)小車快到達(dá)平衡的位置時(shí)，當(dāng)對(duì)射管檢測到距離并經(jīng)過單片機(jī)處理之后，小車開始向前或向后走。然而，整個(gè)運(yùn)算過程很長，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)很大的波動(dòng)，不易在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)讓蹺蹺板達(dá)到平衡。并且有可能出現(xiàn)系統(tǒng)混亂，最終達(dá)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(dá)到平衡狀態(tài),小車?yán)^續(xù)前行,直至電位差達(dá)到相等

20、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(shí)間內(nèi)達(dá)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(gè)水銀球密封在一根玻璃管子里，左右分別放一個(gè)導(dǎo)電片，中間有個(gè)公共導(dǎo)電片，當(dāng)傳感器向左傾斜時(shí)水銀球碰到左導(dǎo)電片時(shí)，左導(dǎo)電片與公共端接通，車向右走；當(dāng)傳感器向右傾斜時(shí)水銀球球碰到右導(dǎo)電片時(shí)，右導(dǎo)電片與公共端接通，車向左走。如此便能讓小車最終達(dá)到平衡。其實(shí)，此平衡傳感器很簡單，就相當(dāng)于兩個(gè)按鍵。左邊一個(gè)，右邊一個(gè)。然后用無線傳感器將數(shù)據(jù)傳給小車，實(shí)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(jì)主線來實(shí)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(hào)用途數(shù)量PC機(jī)聯(lián)想調(diào)試及下載程序1數(shù)字萬用表MASTECH my65測量各電路工作情況1秒表記錄時(shí)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(yùn)行到系統(tǒng)平衡的時(shí)間，電腦通訊，隨時(shí)顯示小車的運(yùn)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(jì)3.1檢測與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)灰度傳感器 LM298驅(qū)動(dòng)電路 整體電路簡圖3.2軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖系統(tǒng)主程序流程圖小車前進(jìn)判斷是否到達(dá) D點(diǎn)否是