电动车跷跷板 新2

F题 电动车跷跷板

设 计 报 告

摘要

本系统是以单片机ATS52为核心,利用红外光电传感器，角度传感器以及他们的外围电路组成的测控系统，实现对在跷跷板上行驶的小车的运动状态的实时跟踪监测，由单片机对电动小车的位姿状态做出及时正确的反应，并输出相应的控制指令，经过驱动模块后由执行模块完成小车的爬行、减速、找出平衡位置并保持等一系列要求完成的整套动作。 关键词:步进电机；电动小汽车；控制

Abstract

The system is at the core MCU ATS52, using infrared photoelectric sensor, angle sensors and their external circuit composed of

measurement and control system, in the seesaw of a car traveling on the state of real-time campaign tracking, MCU right by the electric trolley in state funding to timely correct response output control and the corresponding instructions, the driver module after module completed by the Executive car crawling, slow down, find balance and maintain the position, and a series of actions required to complete the package.

Keywords: step motor; electronic automobile; control

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一、系统方案论证

本系统采用的是ATS52实现电动小车的寻迹、爬行、找平衡、返回，并达到时间上的精确控制与显示。信号检测部分在寻迹时采用的是抗干扰能力很强的集成型红外传感器及其外围电路组成的光电检测电路及数字接口，在寻找平衡的过程中采用的是角度传感器采集角度信号，并通过A/D转换送给MCU;执行机构则是通过控制输入电机的脉冲，从而达到精确控制电机的目的；扩展电路用来实现对时间的记录与现实。软件部分采用汇编语言进行编程，使系统更加完善合理。

1．1 方案设计与论证

设计方案包括基本要求和发挥部分，受篇幅所限，在这里将具体要求省略。经过对设计要求分析，我们的初步设计框图如图1所示。

步进电机步进 红外传感器 驱动电路 电机 MCU ATS52 显示模块 A/D转换 倾角传感器

图1

1．2方案论证

在仔细分析了设计任务要求后，初步设计出系统整体模型，并提出了两种解决问题的方案。

1．2．1方案一：采用数学的方式，精确计算出小车每一种状态下的各项参数，如角度、位移、运行速度等等，然后把这些数据都送给单片机处理，严格控制小车行走过程中的每一步，从而使小车能保持我们想要的状态，如直行、爬行、减速以及倒退等等。这种方式计算繁琐，而且会因为实验条件的不同，出现的变数会很大，不易控制。

1．2．2方案二：采用模块化结构。将整个系统细分成几个基本相对的模块，按照应实现的任务分别设计各个模块，然后将各个模块组合起来。在保证了各个模块的正确与合理后，在结果处理时，我们就只需要调节模块之间的配合问题就可以了。这样的方式会使我们的控制变得更简单明了，即使在调试过程中出现问题，也只需要分开检查可能出现问题的模块就可以了。而且模块化结构能使系统更灵活，不同模块组合可实现不同的功能，而且某一模块出现损坏或者丢失等什么意外的话，我们只需要更换那一部分即可。总体来说，采用这种设计的系统很实用，而且经济。

经过反复讨论，再综合实际条件，我们决定采用方案二来实现基本要求部分和发挥部分。

本系统所包含的模块有单片机最小系统（包含A/D转换，键盘以及显示）、电源模块、传感器模块、执行模块（步进电机及其驱动模块）以及电动小车模块组成。单片机最小系统是系统核心，用来实现计算，显示等功能；电源模块为整个系统提供电源，保证系统的正常运行；传感器模块用来采集有用心号送入单片机，从而实现对小车的实时控制；步进电机及其驱动组成了整个系统的执行机构，实现小车的运动状态改变；小车模块是系统的载体，其他的各个模块均安放于其上。

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1．3系统设计

1.3.1 单片机最小系统模块

它是整个系统的核心部分，它不仅要不断计算传感器采集来的信号，而且还要根据计算结果去控制系统的其他部分，如电机驱动、舵机，使小车保持预定的运行状态，同时还要实时显示运动的时间。我们选用的时代有显示模块的51+AVR二合一开发板系统，A/D部分由我们自己焊接，采用最常见的8位的A/D转换芯片ADC0809,这已经能完全满足我们的要求，而且ADC0809的接线很简单，非常实用。显示部分是单片机自带的数码管，可以用来显示各运动阶段电动车行驶所用的时间。我们用到的小系统资源如图2所示。

数码管显示部分 A/D转换 图2 ATS52 键盘 1.3.2 电源模块 我们采用了两组7.2V的镍镉充电电池组为系统中所有的包括单片机系统、传感器模块等在内的其他模块提供电力。 单片机、传感器、舵机均需要提供5V的电压才能正常工作，而步进电机驱动器则电压必须在24~40V范围内才能正常工作。所以在使用是我们是将两组电池串联来给电机驱动供电，同时再用7805构成

U1了最简单的稳压模块，分别给其他模块供电。其MC7805CT1LINEVREG接线图如下： VOLTAGEVout=5V 在实际接线中，图3中的MC7805CT我们用COMMONV1L7805CV来代替了。通过实验我们发现，由于后12 V 加的负载不是很大，这样的接线完全能满足我们的要求。

01．3．3 传感器模块 图3 传感器模块由两部分组成：一是用来寻迹的红

外传感器—黑白头，一是用来测量小车运行位置角度的倾角传感器SCA100T。

红外传感器分布在车体前部，用来寻找跷跷板上的黑线，使小车能保持直线运动的状态。黑白头的输出位数字量，只有0或1两种状态，故可以直接与单片机相连。这与光电对管相比较少了很多硬件电路，节省了更多的硬件资源，即经济又实用。

倾角传感器则是利用重锤原理，当小车在摆动一定角度时，输出的电压信号回传到单片机进行处理，然后由单片机发出控制信号控制电机，从而使小车进行自我调整，最终达到平衡。其电路图如图4所示。 1.3.4执行模块

图4 执行模块是由步进电机及其驱动部分组

成。本系统中，我们选择的是艾克斯公司生产的两相步进电机，驱动块是高性能细分驱动器SM-202A，经过细分，最高可达到12800步/圈，为小车在中线附近找平衡所需的慢速调整打好了基础。 1．3．5 电动小车

我们所用的小车是“飞思卡尔杯“智能车大赛的专用模型车。它的尺寸满足了大赛对小

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车的要求，而且还能提供良好的摩擦力。这对我们需要向上爬行以及低速行驶的小车来说是非常有利的。实验中我们也验证了这一点。

1．4 系统硬件框图

最终我们确定的系统硬件框图5所示：

集成型红外传感器 前轮舵机 显示 MCU ATS52 步进电机驱动电路 二、理论分析与计算

2．1理论计算

A/D 转换 倾角传感器 我们的理论计算部分相对较

小车运少，仅需要计算步进电机驱动脉冲

动状态 的周期。经过试验，我们的步进电图5 机频率在500Hz到3000HZ之间，

我们选择500HZ,即脉冲周期为2ms.通过中断定时1ms,改变一次p1.0的状态，得到步进电机驱动脉冲。

2．2 测量与控制方法

本系统的测量电路由两部分，即传感器模块中的红外传感器和倾角传感器检测电路。框图见图6。

红外传感器采用的是集

电压信号 小车运动 成式的黑白头红外传感舵机红外传感器 CPU 器，它的电路非常简单，

它采取的是单端输入，单步进电机驱步进 A/D倾角传端输出，再接入电源后，动 电机 感器 转换 整个电路仅需要在输出端

图6 接上一个10K电阻，将流

信号转换成电压信号，然后再接入单片机就可以了。

我们在小车的前端安装了4个红外传感器，用于在前行过程中的寻迹。通过实验我们发现，红外传感器在黑线部分检测的输出信号为1信号(高电平），白线部分为0信号（低电平）。根据传感器所发出的信号，单片机对其进行判断，然后发出相应脉冲控制步进电机以及舵机，改变或保持小车的状态。跷跷板上黑线宽度为30mm,那么当小车直线行驶时，四个传感器发出的信号全部为高电平，此时应保持原状态。

倾角传感器采用的是高精度双轴倾角传感器 SCA100T，它可是模拟的也可以是数字的输出，它是非常好地用于测量倾斜角度的传感器。

当小车在跷跷板上行驶时，板一定会存在一个角度，当小车位于平衡位置附近时，则板与地面的夹角会接近0度。角度传感器监测到角度信号，通过Yout或者Xout送到A/D转换，A/D转换会将这些量转化成数字量送给单片机进行计算处理（在设计中我们选择0809的IN0口作为数据的输入口），然后单片机发出信号到步进电机驱动器，驱动电机不停改变其转向和速度，从而慢慢达到平衡。

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三、电路与程序设计 3．1 驱动电路的设计

我们的电机驱动选用的是艾克斯公司的SM-202A细分驱动器。它采用美国高性能专用微步距电脑控制芯片,细分数可根据用户需求专门设计,开放式微电脑可根据用户要求把控制功能设计到驱动器中,组成最小控制系统。该控制器适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波技术，使电机运行精度高, 振动小, 噪声低,运行平稳。

其具体的接线如图7，需要说明的是，由于条件的，我们给驱动器的电压为14.4V（两个镍镉电池串联）。

3. 2 总体电路图

图7

我们的系统其核心部分就是单片机小系统以及A/D转换电路，这些都是很常见的电路，可以说每一个知道MCU的人人都会知道的，所以在这里就省略了这部分电路，而是将他们都放在了附录中.

3．3程序流程图

（1）主程序流程图

主程序流程图见图8。 （2）中断子程序流程图

通过定时器T0终端改变P1.0的状态后，可以得到步进电机的驱动脉冲。则中断子程序流程图如图9所示：

四、结果分析

经过反复多次的测量，到目前为止，我们的小车已经能完成基本要求中的内容。小车能够在30秒钟内到达C点，而且也能够从B回到出发点A点.发挥部分方面，结果就有些不尽如人意,这对我们不能不说是一个遗憾。究其原因，主要是因为我们对于倾角传感器的原理以及具体应用还没有完全掌握，这就导致了我们在寻找跷跷板平衡点时，不能按照我们预期的方式来实现了，到最后实在没有办法了，我们又重新考虑了数学算法，并也试验成功了几次，但是毕竟不确定性太大，因此我们不主张它。由于时间和能力的，我们还有很多想法没有在设计中实现，这里就不赘述了。

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开始 到达目标位置停5s 定时/计数器、堆栈、中断初始化 调用后退程序RUN1 步进电机步数放入35H,36H 主程序结束 开定时中断 调用前进程序RUN0

定时中断 图8 步数高8位-1=0？ 改变P1.0的状态 Y 循环100次 重复初值 关定时器 Y 步数低8位=0？ 保护现场 N 恢复现场 中断返回 N 步数减1 图9

经过设计和不断试验，并对系统进行不断的改造后，我们已经实现了设计基本要求中除了第（2）项的其他各项任务。为竞赛准备了差不多一个月时间，然后竞赛期间奋战了四天三夜，最终的设计结果与我们的预期目标有些出入，不能不说是一个遗憾吧。但是，话说回来，我们努力过，参与过了，就是成功。

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