畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于單片機(jī)的電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于單片機(jī)的電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要: 為了滿足電動(dòng)車蹺蹺板的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)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(jī)SPCE061A作為電動(dòng)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(cè)量蹺蹺板水平方向傾角，該傳感器靈敏度高、重復(fù)性好且輸出485信號(hào)便于與單片機(jī)接口；對(duì)于關(guān)鍵的小車動(dòng)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(jī)，其最小步進(jìn)角0.9度，易于平衡點(diǎn)的尋找；通過紅外對(duì)管TCRT5000尋跡，實(shí)現(xiàn)了小車走直線等功能；系統(tǒng)顯示部分選用圖形點(diǎn)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(jī)內(nèi)部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)。最后的實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)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(shí)間顯示和語音播報(bào)三個(gè)創(chuàng)新功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：傾角傳感器，紅外對(duì)管，步進(jìn)

3、電機(jī)，SPCE061A</p><p><b>　　1.系統(tǒng)方案</b></p><p><b>　　1.1 實(shí)現(xiàn)方法</b></p><p>　　本題要求設(shè)計(jì)并制作一輛電動(dòng)小車，能實(shí)現(xiàn)在蹺蹺板上運(yùn)動(dòng)且在不同配重的情況下保持平衡等功能。我們想利用電機(jī)控制小車運(yùn)行，角度傳感器測(cè)量蹺蹺板水平方向傾角來確定小車何時(shí)達(dá)到平衡，利用

4、尋跡模塊實(shí)現(xiàn)小車沿直線行走以及在A點(diǎn)外某處能自動(dòng)駛上蹺蹺板，還有顯示模塊以及語音模塊等做為人機(jī)界面，實(shí)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(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛

5、，但是功能單一，如果系統(tǒng)需要增加語音播報(bào)功能，還需外接語音芯片，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；另外51 單片機(jī)需要仿真器來實(shí)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(jī)作為控制器的方案。該單片機(jī)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(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的復(fù)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(jī)模塊</p><p>　　電機(jī)模塊選擇是整個(gè)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，按照設(shè)計(jì)要求，小車需在C點(diǎn)和有配重的情況下分別達(dá)到平衡狀態(tài)，這需要對(duì)小車的精確控制，而且小車制動(dòng)性能要好。因此普通直流電機(jī)不能滿足要求。</p><p>　　方案一：采用直流減速電機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)，直流減速電機(jī)力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，但其制動(dòng)能力差,無法達(dá)到小車及時(shí)停車的要求。&l

7、t;/p><p>　　方案二：采用型號(hào)4B2YG的步進(jìn)電機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)，最小步進(jìn)角為0.9度，因此能實(shí)現(xiàn)小車的精確控制，而且當(dāng)不給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖的時(shí)候，能實(shí)現(xiàn)自鎖，從而能較好的實(shí)現(xiàn)小車及時(shí)停車的目的。</p><p>　　經(jīng)過反復(fù)的比較、論證，我們最終選用了方案二。該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)加驅(qū)動(dòng)器后</p><p>　　與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，控制方便。</p>&l

8、t;p>　　1.2.3 角度檢測(cè)模塊</p><p>　　角度檢測(cè)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(cè)量蹺蹺板水平方向傾角，當(dāng)傾角在某個(gè)范圍之內(nèi)的時(shí)候即可認(rèn)為蹺蹺板達(dá)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(chǎng)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(cè)量范圍，但是安裝非常不方便，而且電壓輸出信號(hào)，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(cè)量范圍－45－＋45度，精度0.1度，輸出頻率10次/s，485信號(hào)輸出。</p><p>　　在滿足設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)沿預(yù)設(shè)軌跡行走，并可在距離蹺蹺板起始端A點(diǎn) 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(dòng)駛上蹺蹺板。</p><p>　　方案一：通過光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，它測(cè)量距離較遠(yuǎn)。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(duì)管來實(shí)現(xiàn)，它

11、測(cè)量距離近，但反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確。相比光電傳感器而言,其體積較小,價(jià)格低,安裝較容易.</p><p>　　考慮到性價(jià)比和簡(jiǎn)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(diǎn)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(diǎn)陣式液晶

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

13、方案二：采用SPCE061A自帶的語言模塊，簡(jiǎn)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(diǎn)電流大，缺點(diǎn)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(jìn)電機(jī)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(jì)</b></p><p>　　根據(jù)上述方案論證，我們最終確定了以單片機(jī)SPCE061A為控制核心，采用型號(hào)為4B2YG的步進(jìn)電機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)，用上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245AL-TTL傾角傳感器來測(cè)量

15、蹺蹺板的水平傾角，利用紅外對(duì)管尋跡實(shí)現(xiàn)走直線等功能，還選用了金鵬電子的圖形點(diǎn)陣式液晶OCJM4*8C來實(shí)時(shí)顯示傾角、小車運(yùn)行時(shí)間、路程等，最終還利用單片機(jī)SPCE061A 自帶語音功能實(shí)現(xiàn)小車平衡時(shí)語音播報(bào)。</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?cè)O(shè)計(jì)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(jì)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(rèn)為平衡，本設(shè)計(jì)通過傾角傳感器檢測(cè)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(gè)角度范圍之內(nèi)，即可認(rèn)為蹺蹺板達(dá)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(cè)量蹺蹺板的傾角（即實(shí)際傾角），該實(shí)際傾角與給定傾角作比較，形成傾角偏差，通過步進(jìn)電機(jī)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(shí)蹺蹺板便達(dá)到平衡狀態(tài)。</p><p>　　設(shè)計(jì)中小車車輪的周長(zhǎng)為240mm,電機(jī)最小步進(jìn)角為0.9度，因此電機(jī)每步進(jìn)一步小車移動(dòng)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(shí)現(xiàn)小車前后微位移的控制，從而使蹺蹺板較易達(dá)到平衡狀態(tài)。</p><p>　　小車所走各段所需脈沖數(shù)的計(jì)算（以AC段為例）：</p><p>　　(1)起點(diǎn)A至中點(diǎn)C的距離AC=800mm；</p><p>　　(2)測(cè)量小車車長(zhǎng)L=270mm,小車重心約在車身靠后約4/5處；</p>

19、<p>　　(3)上面計(jì)算電機(jī)每步進(jìn)一步小車移動(dòng)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(jì)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(jì)</b></p><p>　　3.1 檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</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(dòng)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(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)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(jì)與工作流程圖</p><p>　　3.3.1 軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件實(shí)現(xiàn)的功能如下：①讀傾角傳感器角度；②給步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖；③尋跡 ④語音播報(bào)；⑤傾角、時(shí)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(jì)算步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)確定小車運(yùn)行路程，并實(shí)時(shí)顯示。</p&

23、gt;<p>　　2）利用語音播報(bào)功能很好的實(shí)現(xiàn)了小車平衡時(shí)的播報(bào)工作。</p><p>　　3）通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器精確定時(shí)，實(shí)現(xiàn)總運(yùn)行時(shí)間實(shí)時(shí)顯示。</p><p><b>　　4.2 結(jié)果分析</b></p><p>　　4.2.1 測(cè)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(biāo)卡尺，秒表，電子稱，計(jì)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(shí)際控制系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給定角度設(shè)為某一角度范圍，當(dāng)實(shí)際角度在該范圍之內(nèi)，即可認(rèn)為蹺蹺板平衡。我們通過實(shí)驗(yàn)觀察蹺蹺板的平衡狀態(tài)，來減小或擴(kuò)大角度范圍，得數(shù)

25、據(jù)如表1所示。</p><p>　　根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)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(yùn)行固定距離需給脈沖數(shù)目的確定（以AC段為例）</p><p>　　當(dāng)小車需運(yùn)行固定距離，我們通過公式計(jì)算了步進(jìn)電機(jī)應(yīng)走的步數(shù)，但實(shí)際采用時(shí)結(jié)果并不令人滿意，主

26、要是因?yàn)檐囕喤c蹺蹺板之間可能會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)脈沖，小車前進(jìn)并不一定達(dá)到0.6mm。因此我們通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)算需發(fā)脈沖1243步，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們最終確定AC段實(shí)際發(fā)送脈沖數(shù)目為12

27、64個(gè)。</p><p>　　4.2.4 小車運(yùn)行過程各種狀態(tài)所需時(shí)間測(cè)試</p><p>　　表3 基本功能所用時(shí)間表</p><p>　　表4 擴(kuò)展功能所用時(shí)間表</p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)能精確控制小車前后微移，因此尋找平衡所用時(shí)間較短；通過程序?qū)﹄姍C(jī)運(yùn)行速度適當(dāng)設(shè)置，使各狀態(tài)所用時(shí)間完全能滿足系統(tǒng)要求；因?yàn)榭刂破黠@示的時(shí)間是通過

28、內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)實(shí)現(xiàn)的，所以精度高，顯示時(shí)間準(zhǔn)，其與秒表實(shí)測(cè)值之間的微小誤差是由測(cè)量誤差所引起的。</p><p><b>　　5.結(jié)語</b></p><p>　　通過測(cè)試，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)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(shí)間顯示和語音播報(bào)三個(gè)創(chuàng)新功能。同時(shí)我們自己也得到了很好的鍛煉。</p><p><

29、b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]羅亞非. 16位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.12 </p><p>　　[2]童詩(shī)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(shí)用電子電路手冊(cè)（模擬分冊(cè)）.北京：高等教育出版社，1992</p>

30、;<p>　　[4]譚浩強(qiáng). C語言程序設(shè)計(jì)(第二版). 北京：清華大學(xué)出版社，2000 </p><p>　　[5]黃智偉. 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)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>&