电动车跷跷板论文物电.docx
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电动车跷跷板论文物电
电动车跷跷板（F题）
广州大学吴耀滨刘浩林曾文正
摘要：
该电动车以AT89C51系列单片机作为控制及数据处理的核心，通过红外探测装置实现循迹，同时LED闪烁指示小车的转向。
本设计通过ADXL345加速度计检测电动车在跷跷板上行驶时所受到的重力加速度，得知小车的状态，从而控制电动车左右直流电机的正传反转、启实现电动车进退，转向，从而在跷跷板上达到平衡。
加上重物后，电动车可以在跷跷板上自动寻找平衡点。
在全过程中，LCD实时显示电动车时间每完成一项指标所用的时间。
关键字：
单片机ADXL345光电传感器直流电机
Abstract：
TheelectriccarwithAT89C51singlechipmicrocomputerascontrolseriesandthedataprocessing,throughthecoreofinfrareddetectiondevice（mark,andrealizethecartoflashingLEDinstructions.ThisdesignthroughtheADXL345accelerometerdetectionelectriccarsontheseesawvehiclebythegravityacceleration,andknowthestateofthecar,soastocontrolelectricvehiclesorsodcmotorofthestoryofinversion,andrealizeelectriccarina,steering,andontheseesawbalance.Afteraddweight,electriccarcanbeautomaticforbalanceontheseesaw.Inthewholeprocess,LCDreal-timedisplayelectriccareverytimetocompleteaindexoftheamountoftime.
KeyWord：
Single-chipmicrocomputerADXL345accelerometerphotoelectricsensordcmotor
目录
一、实现方法与方案论证……………………………………………………………..1
1实现方法…………………………………………………………………….1
2.方案论证…………………………………………………………………….1
2.1显示模块………………………………………………………………1
2.2控制模块………………………………………………………………2
2.3电机驱动模块…………………………………………………………2
2.4循迹模块………………………………………………………………2
2.5平衡检测模块…………………………………………………………2
二、理论分析与计算………………………………………………………….……….3
三、电路与程序设计……………………………………………………….………….4
1硬件电路设计……………………………………………………………….4
1.1系统硬件电路…………………………………………………..……4
1.2光电检测循迹电路设计………………………………………………4
1.3L298N直流电机驱动电路……………………………………………4
1.4平衡检测电路…………………………………………………………5
1.5LCD显示电路…………………………………………………………5
2主程序流程图……………………………………………………………….5
四、测试方案与测试结果……………………………………………………………..8
1测试方案…………………………………………………………………….8
2测试指标………………………………………………………………….…8
3测试仪器……………………………………………………………….……8
4基本功能测试………………………………………………………………8
5创新发挥……………………………………………………………………8
6结果分析……………………………………………………………………8
五、设计总结……………………………………………………………………………9
六、参考文献……………………………………………………………………………9
七、附录………………………………………………………………………………..9
一、实现方法与方案论证：
1实现方法：
该电动车以AT89C51系列单片机作为控制及数据处理的核心，对整个系统进行控制，并驱动液晶显示器，显示运动所用时间。
电动车的动作执行机构采用直流减速电机，左右轮分别驱动的方案。
在跷跷板中心设计了黑色的引导线，当电动车在跷跷板上行驶时，通过安装在车头和车尾的红外反射式传感器寻迹，来避免电动车走偏，以至于从跷跷板上跌落的情况。
我们在跷跷板的起终点位置设计了边界线，读取红外传感器的检测信息，控制电动车不能越过边界线行驶。
当电动车前进到B点（终点）时，延时5秒钟后寻迹后退，退回原点停止。
通过ADXL345三轴加速度计测量电动车在斜面上所受到的重力加速度的分量进而转换成跷跷板倾角的大小，当跷跷板处于平衡状态时，角度传感器输出角度近似为0。
当在跷跷板上任意放置配重物或者没有配重时，跷跷板分别会在不同的位置取得平衡，由于跷跷板中心支架的圆轴直径仅有32mm，跷跷板的平衡比较难以掌握，因此电动车在平衡位置附近需要小范围的前后运动，来进行平衡调节，直到角度传感器输出角度近似为-1.4至1.4之间时，电动车停车5秒钟，完成系统的要求。
本项目按设计要求可分为五部分，分别为：
控制模块、循迹模块、电机驱动模块、平衡检测模块、显示模块，如图1所示。
图1系统模块
2.方案论证
1.显示模块：
方案1：
采用LED数码管显示，数码管采用BCD编码显示数字，硬件电路调试简单。
但显示信息容量小，功耗较大，使用时片选信号和段选信号占用端口较多。
而题目要求要分时段显示完成每项任务所需的时间，信息量大，编程难度大，难以满足题目要求。
方案2：
采用1602LCD液晶显示。
用LCD显示使本设计更加人性化，由于LCD液晶显示具有体积小，功耗低，图像稳定，并且可使面积较一般数码管大，而且具有能够显示较大量信息，显示效果较好，抗干扰性较强等优点，因此我们选择型液晶显示屏显示小车行驶时间以及平衡指示。
因此本设计选择方案二。
2.控制模块：
方案一：
采用FPGA（现场可编程门列阵）做为控制器，其规模大，密度较高，稳定性也较好，易于进行功能扩展，采用并行的输入输出方式，使得处理速度大幅提高，因此，FPGA适合做为大规模实时系统的控制器，但是其耗电量较大，是普通直流电机的十倍以上，而且其模拟仿真功能不是很完善，这样会大大增加调试的难度，而且在本设计中，我门对控制器的处理速度要求不高，而且FPGA的价格也较为昂贵，因此，此方案不可行。
方案二：
采用AT89C51系列单片机作为控制的核心。
51单片机按单纯的控制和数据处理是比较简单的且价格经济实惠，性价比高，对I/O口的操作较为简单方便，完全能够满足本设计的要求。
综上分析，选择方案二。
3电机驱动模块：
3.1驱动电机：
方案一：
采用步进电机，可准确控制转速和旋转的角度，但是体积大，质量大，并且需要另配驱动器，成本较高，在电动车上安装比较复杂且转动速度较慢，耗时较长，很难在短时间内实现题目要求。
因此，此方案不可行。
方案二：
采用减速直流电机，体积适中，安装简单，转矩和扭矩较大，转速较步进电机快，车速能够通过改变输入的PWM脉宽来实现准确的控制，能够在短时间内实现小车往返要求。
因此采用方案二。
3.2驱动电路：
方案一：
采用分立元件构成的H桥式电机驱动电路。
该驱动电路的优点是成本低，缺点是电路制作比较麻烦，容易出错，可靠性不高且会占用电路板的较大面积。
方案二：
采用L298N芯片驱动电机，L298N属H桥集成电路，使用该芯片驱动的好处是在额定的电压和电流内使用非常方便可靠，可以缩小PCB板，通过PWM控制，容易控制小车的速度与进退，以及转向。
因此采用方案二。
3.循迹模块：
采用光电传感器进行循迹。
利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在电动车行驶过程中红外发射管不间断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生反射，反射光被装在电动车上的接收管接收，电平拉低；当红外光遇到黑线则红外光被吸收，接收管接收不到红外光，电平拉高。
从而通过单片机来判断小车是否跑出引导黑线，如果跑出黑线，则通过单片机对电机转速进行调节，以达到转弯循迹的目的。
方案
（一）：
自制红外发收探头：
优点是成本低，制作简单，缺点是:
灵敏度不高，系统不稳定，易受到干扰，难以实现精确循迹的要求。
方案
（二）：
集成式的红外发收探头：
灵敏度高，不易受到外界干扰，可靠性高，所需I/O口少，且操作简单，适合本题目的要求。
因此采用方案二。
4.平衡检测模块：
方案一：
方案
（一）：
倾角传感器。
该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，具有体积小、灵敏度高、简单、可靠等优点，但是输出为模拟信号，需要用到DA转换，操作间为复杂，且占用I/O口较多，导致其他模块I/O口不够用，不利于小车整体功能模块的操作，因此，此方案不可行。
方案二：
采用ADXL345数字加速度计，ADXL345是一款小而薄的超低功耗的3轴加速度计，它可以测量电动车在斜面所受重力加速度在斜面上的分量，进而转换成倾斜角，测量精度较高，能满足本设计的要求。
同时使用ADXL345数字加速度计能有效的减轻小车的重量，并且其输出信号为数字信号，避免了A/D转换，操作简单；此外ADXL345通过IIC通信，只需用到两个I/O口，占用资源少，操作简单，能满足本设计的要求。
因此选择方案二。
二、理论分析与计算
距离计算
系统要求：
跷跷板长：
1600mm
小车从原点到终点过程行驶的距离：
1600减去车长（mm）。
本系统的参数:
小车从原点到终点的行驶的距离为：
L=1600-250.6=1349.4mm
小车的车轮直径：
D=37.50mm
车轮一圈的线距离：
S=3.14*37.50=117.75mm
角度计算：
系统要求:
跷跷板中心半圆轴直径不大于50mm。
支架的高度为H=70mm
跷跷板的倾斜角：
a=arcsin70/800=5.0°
角度传感器的测量范围是±90°，可以满足系统要求。
二、电路与程序设计
总系统框图：
1硬件电路设计：
1.1控制系统电路图见下图：
图2控制系统电路
1.2光电检测循迹电路设计
本设计我们采用红外探测模块实现小车循迹。
在本设计中我们采用安装在车头的三个红外探测装置对地面上的引导黑线实行监测。
当探测装置向黑色物质发射红外光时，光被吸收，电平拉高；当探测装置向其他颜色物质发射红外光时，光被反射，从而被接收装置接受，电平拉低。
从而向单片机输入信息，由此控制电机的转向。
当输入信号为：
010或为：
000时两电机正转；当输入信号为：
100或为：
110时电动车左转；当输入信号为：
001或为：
011时，电动车向右转；当输入信号为：
111时，两电机停止转动，小车停止行驶。
由此实现对电动小车的循迹。
光电循迹电路如下图所示：
图3循迹电路
1.3L298N直流电机驱动电路
3.1本次小车通过调节PWM来控制L298N驱动电路，以实现控制左右两个直流电机的正转和反转，从而实现电动车的前进和倒退以及转向。
本设计采用L298N作为驱动芯片，驱动电路设计如图6所示：
图4L298N电机驱动电路图
左电
机
3.2电机驱动控制原理：
IN2为右正，IN3为左正，当L298N的输入IN2、IN3为高电平时或全为低电平时，IN1-IN4输入信号为：
0110或者为：
0000时，此时PWM脉宽相同，两电机正转，当IN1—IN4的输入信号分别为：
1010或者为：
0010时，电动车向右转，同时输出向左电机输出PWM占空比下降，当输出信号为：
0101或为：
1000时，电动车左转，同时输出向右电机输出PWM占空比下降，信号为：
1001时，电动车后退，对两电机输出的脉宽相等。
1.4平衡检测电路
1.4.1本次设计，小车采用ADXL345三轴加速度计。
ADXL345是一款体积小，能耗低的三轴加速度计，测量范围在-16g至16g之间其高分辨率（3.9mg/LSB），能测量到不到1.0 的倾斜角变化，能对倾角进行精确的测量，并且输出为数字信号，可通过IIC数字接口访问，操作简便，能有效节省I/O口且价格较低。
1.4.2工作原理：
该加速度计采用IIC通信，在电动车行驶过程中动态测量小车在跷跷板上所受到的重力加速度沿斜面的分量，再通过计算转换成跷跷板斜面的正弦值。
当所测的数值为正值时，小车加速向前行驶；当所测得的数值为负值时，小车向后行驶，当所测得的数值在：
-0.025g至0.025g范围内时，跷跷板倾角在：
-1.4 至1.4 之间，小车达到平衡，满足题目要求。
电路图如下图：
图5平衡检测电路
工作原理流程图如下图：
图6平衡检测流程
1.5LCD显示电路：
本设计采用LCD对电动车行驶过程中每晚完成一项任务所用时间进行显示，如图所示为：
LCD显示电路原理图。
图7LCD电路
2主程序流程图
软件实现的功能如下：
1、读倾角传感器角度；2、给步进电机步进脉冲；3、寻迹；4、显示倾角、时间、路程；5、汇总。
我们设计软件的主流程图如图8所示。
图8主程序流程图
四、测试方案与测试结果
1.测试方案：
系统利用红外反射传感器寻迹，检测跷跷板上的引导黑线，在电动车前进时，当中间的红外传感器检测到信号，电动车保持直行，当右边的传感器有信号输出时，电动车右转一个角度，而当左边的传感器有信号输出时，电动车左转一个角度，并不断采样。
电动车后退时也使用传感器寻迹后退回原点。
利用旋转编码器检测电机转过的圈数，通过计算得出电动车的转速和路程。
利用角ADXL345加速度计检测电动车的姿态角，判断跷跷板的平衡状态。
2.测试指标：
1.将设计题目所要求的各基本功能和发挥部分进行分项测试。
3.测试仪器
1.卷尺：
量程3.5m2.秒表。
4.基本功能测试
3.1基本功能分两部分测试：
（1）从起始端自动行走到末端及返回所需时间；
（2）从起始端自动行走到小车保持平衡所需时间。
跷跷板长为1600mm,电动车长为235mm，则电动车实际行走距离1365mm。
表1为多次测试的纪录（在不加重物的情况下），完成每项任务所需的时间。
（1）
（2）
（3）
测试次数
起始端到平衡点
起始端到末端
返回起始端
1
2
3
5创新发挥测试
电动小车在规定时间内能在A点外90度角的扇形区域内自动驶上跷跷板，并且在加上重物后仍能自动在跷跷板上达到平衡，在此过程中LCD显示完成各项目所用的时间，LED显示电动车转向方向。
系统各项指标均达到了题目要求。
（下图为挂重物情况下）,完成每项任务所需的时间。
（1）
（2）
（3）
测试次数
90度扇形区域起始端驶上跷跷板
取得平衡
加上重物并取得平衡
总的时间
1
2
3
6结果分析：
五、设计总结：
本系统能够实现在跷跷板上的起点和终点之间的前进和后退，所需时间远远低于系统要求的时间。
在跷跷板的平衡位置，电动车能够在附近微调，检测平衡，当跷跷板平衡后，电动车停车5秒钟，继续前进，调解平衡的时间符合系统功能的要求。
电动车能够实现在跷跷板之外的规定范围内驶上跷跷板。
在本系统的创新设计中，为电动车增加了人性化的功能设计，用LED显示转向，并且用LCD实时显示电动车的速度。
本系统设计方案完整、合理，运行平稳，完全达到了题目基本部分和发挥部分的要求。
六、参考文献：
[1]范爱平等.数字电路技术基础.北京.清华大学出版社.2008.5
[2]何宝祥等.模拟电路及其设计.北京.清华大学出版社.2008.9
[3]刘坤等.单片机C语言应用开发技术大全.北京.人民邮电出版社.2008.9
[4]周兴华.手把手教你学单片机C程序设计.北京.北京航空航天大学出版社.2007.10
七附录：
1.总系统原理图：
单片机最小系统电路图：
蜂鸣器电路图：
2.部分程序清单：
3.电子元器件清单：
ADXL345传感器，9V电池，散热片，排针，杜邦线，1602液晶，L298芯片，7805芯片，晶振，集成红外探头，STC89C52单片机，电阻，电容，六角开关，可调电阻，LED灯，蜂鸣器，三极管，二极管。
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