电动车跷跷板终结版.doc

电动车跷跷板总结报告

电
动
车
翘
翘
板
总
结
报
告

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2013.7.27

摘要
本系统采用一个能实时测量角度的角度传感器，采用STC12C5A作为主控芯片，外加四路循迹传感器，完成了规定时间内定点停车、保持平衡，倒车至指定位置、能够沿直线行进，指示小车平衡，显示达到平衡的时间，显示总行驶时间等基本的功能，并能基本完成在跷跷板有配重的情况下的基本动作。

关键词
单片机STC12C5A，角度传感器MMA8452,L293D电机驱动，四路循迹传感器

一：方案论证与比较
1. 微机控制模块
方案一：采用STM8S208C8单片机，本开发板采用ST公司8位单片机STM8S208CB，原理图简单，外部IO口较多，是一款简单实用高性价比的入门级开发板。
方案二：采用STC12C5A单片机，该芯片由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速/低功耗的超强抗干扰的新一代的8051单片机，指令代码完全兼容传统的51单片机，但速度快8-10倍，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制和强干扰。
因此，我们采用较为熟悉的STC12C5A单片机，并且它是1T的高速单片机，运算速度完全适合角度传感器，所以我们选择方案二

2. 车架模块
方案一：自己制作车架，采用铝板，通用板，木板搭构，结构灵活，能很好的装相应的传感器
方案二：自行购买车架，这种车架结构牢固，价格低廉，车架上较多的孔，能够用来装传感器和电机
因此，我们采用方案二，节省制作时间，提高工作效率

3. 电机模块
方案一：采用步进电机，步进电机有较大的扭矩，能通过单片机产生准确的步幅，能够让小车移动较小的距离
方案二：采用直流电机，直流电机驱动简单，有较高的转速和扭矩
由于步进电机的价格较高，编程麻烦，且在这个项目中对电机的要求不高，直流电机能满足要求，因此，我们采用方案二

4. 角度传感器模块
方案一：采用专用的平衡传感器倾角传感器。倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器是通过测量静态重力加速度的变化，转换成倾角变化。测量输出传感器相对于水平面的倾角和俯仰角度，角度响应速度最快5次/秒。具有5阶滤波。精度高响应速度快。

方案二：采用水银开关探测跷跷板平衡度，其原理是跷板左偏水银开关电路导通，右偏水银开关断开电路不通，这样控制电动车在平衡点小角度来回摆动来使跷跷板动态平衡，此方案测量灵敏、安装简单而且成本很低。
考虑测量数据的准确性，我们采用方案一，在淘宝上购买了角度传感器MMA8452

5. 显示模块
方案一：采用12864液晶显示，12864不仅能显示数字、符号，还能显示汉字与图形，操作方法与其他液晶显示相似
方案二：采用1602液晶显示，1602体积小，能显示字母、数字、符号，相比与12864显示的内容较少
由于我们只需要显示电动车行驶的全部时间，已平衡的信号标志，相对显示内容较少，且考虑到屏幕的大小，因此，我们采用方案二

6. 电机驱动模块
我们直接采用L293D电机驱动电路，L293D是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，功耗大。因此我们选用L293D作为步进电机的驱动，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

二：系统原理图
电动跷跷板采用STC12C5A单片机进行智能控制。开始由手动启动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始避障、调速；在电动车进驶过程中，采用双极式H型PWM脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能；
前进
开始
系统原理图如下图：

LCD初始化
开始计时

是否到达B端

寻黑线

停止

延时 ms

显示时间 延迟5S

读取角度值

后退
小车前进

判断是否平衡

否
是否到达A
小车后退
否

是

停止
液晶显示平衡
延时5S

停止

检测哪个对管为高电平
寻线转向模块设计
系统初始化

否

前进

向右转
左边
否 否
判断传感器是否检测白线

是
向左转

检测两边是否为白线

是
前进
是

三：硬件设计电路
1. 循迹模块的电路设计
由红外发射管发射信号，当信号遇到反射后，黑色接受管接到信号，此时三极管截至，输出低电平，发光二极管亮；当信号没有被发射时，黑色管接收不到信号，此时三极管导通，输出高电平，发光二极管灭
电路图如下：

我们在电动车的前后各装了两个光电传感器，在往前行驶的过程中，车前面的两个光电传感器工作。小车向右行驶时，左边的检测到黑线，输出高电平，单片机接受到信号，控制左边的电机减速，左右两边有一定的速差，从而实现小车的寻线。我们在跷跷板的前端和末端贴了两条黑线，当小车行两边的传感器全部检测到末端的黑线，说明已到达终点，停止5s，5s后小车启动返回，当同时检测到起点的黑线时，小车停止，整个行驶过程结束

2. 电机驱动电路设计
驱动电路如下：

L293D四倍高电流H桥驱动程序。 L293D提供双向驱动电流高达600毫安，电压是从4.5 V至36 V的。该设备是专为驱动等感性负载继电器，电磁阀，直流双极步进和马达，也可以给其他高电流/高电压提供电源负载。
其中，我们采用两块L293D芯片实现四轮驱动，每个电机的INX1，INX2接单-片机，OUT分别接电机的正负极，利用单片机的控制来实现小车的前进、后退与拐弯。

3.液晶显示模块
液晶电路结构如

第一行将显示小车第一阶段、总过程的时间，第二行将会显示小车平衡的标志
4. 电压转化模块
电路图如下： 5V转3V

LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。 我们只要调节R2的阻值就能达到想要的电压3.3V。

5. 角度传感器模块

MMA8452内部测的是X,Y,Z轴的加速度，通过单片机读取到三个值，通过反正切arctan运算出角度值。因为这是经过运算得到的有较大的误差，尤其在有外部抖动的情况下，因此我们只是用一个粗略的范围来判断小车是否平衡。
计算公式为：a=(Vout-Voff)/sensitivity; 角度=arcsin(a);

跷跷板长约1600mm，高约70mm，理论的倾角为5度左右，平衡时倾角为0度，因此我们只要求当小车测的角度在-3至3即可认为平衡
四:软件设计
系统软件设计说明
在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。
在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。
为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。
模块程序设计法的主要优点是：
1、 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；
2、 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；
3、 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。
本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑定时子程序、角度子程序﹑中断子程序、显示子程序﹑调速子程序﹑转向子程序构成。
具体程序见附录

五：系统调试与测试
1. 模式选择模块
模式一：（按键P3^0）当按下按键时，小车将直接进行寻线，在延时一段时间之后，关闭寻线，开启测角度功能，当现角度大于给定的范围时，小车向前行驶一段时间，并向后行驶一段距离，以一进一退的方式前进；当角度小于规定的角度时，小车以一退一进的方式前进，直至小车达到平衡
模式二：（按键P3^1）（在跷跷板有配重的情况下）当按下按键时，小车会在跷跷板之外30厘米处的任意处开始寻线，当车前的两个光电管都接受不到信号时，延时，小车开始寻线。我们在跷跷板的一段端贴了一条黑胶布，当检测到黑线时，小车开启角度测量，开始寻找平衡点，寻平衡的方式与模式一相同。
2. 平衡显示模块
我们首先采用的是小车每步以很小的距离前进，并延时一段时间，再检测小车是否平衡。如果不平衡的话，小车就继续前进或后退。但经过几天的尝试，我们发现小车的重量较轻，木板较重，当小车到达平衡点时，木板仍处于上翘状态，只有当小车再往前几厘米时，有一定的力矩时，木板才会移动，但此时小车已经过平衡点。小车将会进入死循环，很难找出平衡点。我们后来选用了两个方案：
方案一：增大中心轴直径，用以增大摩擦力；当摩擦力增大时，能够较好的缓冲木板下落时的速度，能够很好的削弱下降时的惯性，后经我们实验，增大中心轴直径能更加容易找到平衡点
方案二：小车以一进一退的方式前进或后退，我们采用这种方式行进的距离也很小，大约在1cm左右，但这方法的好处在于当小车快平衡时，小车前进的距离已超过平衡点，此时木板有向下的趋势，在前进一段距离之后，小车马上往后移动一定的距离，此时总的移动距离较小，但在小车后退的过程中，木板又往后压。通过这个过程能使木板翘起，这样小车能比较简单的完成动作。
后经过小组讨论，我们认为加粗中心轴直径效果虽好，但有投机取巧的嫌疑，方案二能通过简单的延时函数就能实现小车的前进和后退，遂我们采用方案二
根据题目要求计算得木板的最大倾角在5度左右，但在我们实际用传感器测得最大倾角在10度左右，经过我们几天的调试，当角度在-6到6时我们即认为小车达到平衡，此时平衡效果较好，能达到题目要求
3：供电模块
L293D电机驱动电路能输出最大峰值为1A的电流，在调试的过程，我们采用了多种电源，包括1.5V的干电池，8V的充电锂电池，和数控直流稳压电源。由于8V的锂电池输出电压较高，电机的转速较高，很难实现电机的控制，这样会导致小车在行驶的过程中不稳定，不利于寻找平衡点，在提高电压的同时会出现电机转速不一样的情况；采用数控直流稳压电源虽然能输出0—250v的电压，但必须连上电源线，比较麻烦，有时会因为操作不当导致输出电压过高，损害仪器；干电池采用串联的形式，电压能达到6v左右，经过长时间使用，压降不会有太大的变化。因此，我们采用4节电池串联供电
五：参考文献
1. 黄根春等编著《全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法》 电子工业出版社
2. 赵建领编著 《51系列单片机开发宝典》 电子工业出版社
3. 张毅刚,彭喜元,新编MCS-51单片机应用设计,第一版 哈尔滨工业大学出版社
4. 赵负图,传感器集成电路手册 第一版 化学工业出版社 2004 590～591

六：附录
1.寻线程序

if(xunxian0!=0||xunxian1!=0)
{
stop();
DelayMs(1000);
break;
}
while(1)
{
if(xunxian0==0&&xunxian1!=0)
{
speed0=90;
speed1=7;
goright();
}
if(xunxian0!=0&&xunxian1==0)
{
speed0=7;
speed1=90;
goleft();
}

if(xunxian0==0&&xunxian1==0)
{
speed0=speed1=25;
go();
}
if(xunxian0!=0&&xunxian1!=0)
{DelayMs(300);break;}
}
break;
2. 角度测量程序
stop();
Multiple_Read_MMA8452();
display_x()
RX_DATA=0;
DelayMs(430);

if(tempx>=jiaodu)
{
DelayMs(100);
if(tempx>=jiaodu)
{
DelayMs(100);
if(tempx>=jiaodu)
{

if(tempx<6)
{
speed0=speed1=20;
DelayMs(20);
}
else{
speed0=10;
speed1=10;
}
goback();

DelayMs(120);
stop();
go();
DelayMs(65);
stop();
DelayMs(50);

LCD_Write_String(0,1," ");
stop();
Multiple_Read_MMA8452();
display_x();
RX_DATA=0;
DelayMs(430);

if(tempx>=jiaodu)
{
DelayMs(100);
if(tempx>=jiaodu)
{
DelayMs(100);
if(tempx>=jiaodu)
{

if(tempx<6)
{
speed0=speed1=20;
DelayMs(20);
}
else{
speed0=10;
speed1=10;
}
goback();

DelayMs(120);
stop();
go();
DelayMs(65);
stop();
DelayMs(50);

LCD_Write_String(0,1," ");
}
}
}

stop();
Multiple_Read_MMA8452();
display_x();
RX_DATA=0;
DelayMs(430);

if(tempx<=-jiaodu)
{
DelayMs(100);
if(tempx<=-jiaodu)
{
if(tempx>-6)
{
speed0=speed1=15;
DelayMs(15);
}
else{
speed0=10;
speed1=10;
}
go();

DelayMs(150);
stop();
speed0=speed1=15;
goback();
DelayMs(80);
stop();
DelayMs(150);

LCD_Write_String(0,1," ");

12