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电动车跷跷板

摘 要
电动车跷跷板系统是一种通过控制电动车运动使跷跷板在有无配重条件下达到平衡状态的控制系统。它具有体积小、低功耗等优点。本系统硬件部分包括单片机控制模块、电源模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、无线通信模块。系统以MSP430单片机为控制核心，用塑料板做车架，通过红外对管检测循迹，以六轴倾角传感器来测量跷跷板的倾角，检测到的数据通过无线通信传给上位机，上位机对数据处理和分析后画出跷跷板倾角变化的3D效果图。微控制器微调电动车的运动使跷跷板达到平衡。软件部分应用C语言实现系统的基本功能，采用LABVIEW制作功能完整且精美的上位机界面。
关键词:电动车跷跷板;MSP430;倾角传感器

1 引 言
电动车跷跷板的平衡长期以来都是人们非常感兴趣的研究项目，电动车跷跷板设计所涉及的相关研究结论可应用于飞行器姿态控制、机器人平衡控制等方面。非线性信号处理、非线性信号控制、控制参数自动优化等技术也都在各类控制设计中有很大的应用。随着多领域对倾角检测的需要，各类型倾角传感器应运而生，本系统中就存在对跷跷板倾角变化的检测，故选择了适用的六轴倾角传感器测量。除此之外，对于非线性信号的处理与控制也是越来越多控制系统设计所必须面临的问题。本系统就是以此为背景，设计了通过微处理控制电动车运动使跷跷板在有无配重条件下达到平衡状态的控制系统，实现小车在规定时间内翘翘板上行驶，跷跷板仍保持平衡的功能。
2 方案论证与设计
2.1总体方案与设计
本系统包括单片机控制模块、电源模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、无线通信模块。系统以MSP430单片机为控制核心，用塑料板做车架，通过红外对管检测黑线来引导电动车在跷跷板上运动以及寻找初步平衡点，采用MPU6050六轴倾角传感器来测量跷跷板的倾角，程序采用PID算法实现非线性信号的转换和控制。微处理器将MPU6050传感器所采集的数据进行转化处理后，输出PWM波来控制电机的运动使跷跷板达到平衡。同时，将检测到的数据通过无线通信传给上位机，上位机对数据处理和分析后画出跷跷板倾角变化的3D效果图。
图1-1为总体设计框图。
图1-1 总体框体图
2.2 单片机模块方案选择与论证
方案一：采用51单片机作为电动车跷跷板系统的主控制芯片。51系列单片机功耗较高，8位微型处理器运算速度慢，无硬件乘法器，片内资源少。但价格低廉，使用简单。
方案二：采用MSP430单片机作为电动车跷跷板系统的主控制芯片。MSP430单片机是一款16位单片机，具有运算速度快，精度高，执行能力强，中断源多等优点。
综上两种方法，MSP430单片机比51单片机运算速度快，精度高，处理能力强，功耗低，同时大大降低了复杂度，整个系统的性价比也很高，我们选择方案二。
2.3 驱动模块方案比较与论证
方案一：采用THB6064H驱动模块。THB6064H是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动57、86型步进电机。
方案二：采用以L298N为主芯片的驱动电路。L298N是ST公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。L298N是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器，输出电流大，功率大，可以同时控制两个电机，价格适中，是比较实用的电机驱动模块。
综上两种方法，THB6064H驱动模块更适用于步进电机，而L298N对直流电机驱动方法操作简单，且价格低廉，符合系统对直流电机的驱动要求，故我们选择方案二。
2.4 平衡检测模块方案论证与比较
方案一：采用水银开关探测跷跷板平衡度。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。
方案二：采用MPU6050三轴加速度陀螺仪模块，把陀螺仪的数值传回来，经过单片机的滤波，然后转化成角度来判断跷跷板的倾斜角度。MPU6050对于角度的采集精度高，易于操作。
综上两种方法，水银开关探测跷跷板平衡度安装简单、成本低，但控制精度低，不易实现题目要求，而MPU6050三轴加速度陀螺仪模块体积小、精度高、采集速度快和操作代码简单，故我们选择方案二。
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3 硬件与软件设计的实现
3.1硬件模块及电路分析
3.1.1 单片机控制模块设计
基于MSP430单片机的主控电路，MSP430是德州仪器开发的一种超低功耗微控制器，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，实现最大化的代码效率，运算速度快，精度高。在整个系统中由单片机控制电机的前进后退、正转反转、倾角传感器数据的采集，转化处理以及无线通信数据的发送接收等。其具有处理能力强，功耗低，执行能力强，中断源多等优点。
图3-1-1为MSP430单片机最小系统电路图。
图2-1-1 MSP430最小系统电路图
3.1.2 平衡检测模块设计
本系统采用MUP6050六轴倾角传感器采集跷跷板倾角数据。MUP6050整合了三轴陀螺仪和三轴加速度器，解决了陀螺仪与加速度计之间的相互影响的问题。MUP6050直接读回来的是个转轴的加速度和角加速度，并不是倾斜角度，而且不稳定。因此，需要对采集回来的数据进行滤波以及融合成需要的角度。采用卡尔曼滤波的方法，并通过自己用LABVIEW写的上位机软件对倾角数据变化进行显示
图3-1-3为MUP6050模块电路图。

图3-1-2 MUP6050模块电路图
3.1.3 驱动模块电路设计
本系统采用L298N为主芯片的驱动电路。L298N内部包括4通逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号。L298N的5、7、10、12脚接入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。微处理器对MPU6050倾角传感器所采集的数据进行滤波处理，PID数据处理后，输出PWM波控制电机的停转、加减速来使跷跷板达到平衡。
图3-1-3为L298N驱动电机电路图。

图3-1-3 驱动电路
3.2 软件的设计与实现
3.2.1 软件的设计
在本系统中，对各个模块的调试采用分步进行，确定各个模块的独立工作完整性，然后再对整个系统所有模块进行完糅合，使其完成系统的所有功能。系统以MSP430单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程，上位机采用LABVIEW编程。程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。
调节小车的运动使跷跷板达到平衡，需要对跷跷板的倾角变化进行检测，并通过对数据的处理分析来调节电机的转动，红外对管控制小车的运动路线。因此程序主要实现MUP6050对各个电机转轴角速度，角加速度数据采集，数据的转化与处理，电机的驱动，微处理器与上位机之间的数据的传送等功能。各个模块的程序之间相互协调共同完成所有的功能。
系统具体的流程图如图3-2-1。

图3-2-1系统具体的流程图
3.2.2 软件的实现
系统以MSP430单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程。程序主要包括将传感器采集的信号进行滤波处理、电机的转动和数据的收发处理等。在IAR Embedded Workbench IDE软件中进行编程，并将程序下到单片机中。
图3-2-2为程序调试下载调试界面。

图3-2-2 程序调试及下载界面
采用LABVIEW编程制作上位机界面，用来反映跷跷板的运动状态。PID效果图实时显示跷跷板倾角变化数据，此数据是控制小车运动参数，红线和绿线为“危险区”，一旦，倾角超过这两条数据线，则小车运动使得跷跷板倾角数据保持在这两条线的中间。跷跷板3D效果图则更为美观和直接的显示跷跷板的运动状态。
图3-2-3为上位机数据显示界面。
图3-2-3 上位机数据显示界面
4 系统测试与分析
4.1 测试环境及仪器
编 号
型 号
数 目
1
秒表
1
4.2 指标测试结果

第一次
第二次
第三次
A端到达中心时间/s
13
10
11
寻找平衡时间/s
2
3
4
中点平衡时间/s
5
5
5
中点到B点时间/s
12
10
10
返回原地时间/s
20
21
20
4.3 测试结果及误差分析
经过测试，本系统完成了预期的目标。
误差分析，由于MSP430自身的精度，外围电路中非线性元件，倾角传感器精度导致采集、处理以及最后显示的值有一定误差,微处理器对采集到的信号进行滤波处理时会产生很大的误差，且车轮与跷跷板之间有一定的摩擦等都会造成误差。
总 结
经过一周的努力，本组完成了由MSP430单片机控制的通过小车的运动来平衡跷跷板的控制系统。通过测试，小车可以在规定时间内能够到达中点，使得跷跷板平衡，并且在规定时间内到达B点。在本次设计中我们不仅了解了陀螺仪对倾角的测量方法，而且掌握了PID控制算法，学会了对非线性信号的滤波处理。经过努力，我们完整的完成了设计的目标。

参考文献
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