电动车跷跷板论文(国赛题目)
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江苏大学第六届电子设计竞赛
电动车跷跷板作品论文
参赛队员：黄余
周杰
刘治岐
二零一四年四月 2 摘要
本电动车跷跷板是以铁板为车架，msp430单片机为控制核心，加以直流减速电机、LN298驱动电路、mpu6050陀螺仪、红外光电传感器、N5100液晶、NRF24L01无线模块以及稳压电源电路以及其他电路构成。系统由msp430通过IO口控制小车的前进后退停止平衡以及转向，并通过NRF24L01把小车同电脑上位机连接，进行命令控制和数据发送。寻迹由CTRT5000型红外光电对管完成，平衡由mpu6050陀螺仪完成，用L298N驱动直流减速电机，同时本系统用N5100液晶显示，以显示当前电动车的运动状态以及各部分运行时间。
关键词：msp430 NRF24L01 L298N 直流减速电机 红外光电传感器 mpu6050陀螺仪 N5100液晶
Abstract
the electric vehicle seesaw is an iron plate frame, MSP430 single chip
microcomputer as control core, to DC gear motor, LN298 drive
circuit, mpu6050 gyroscopes, infrared photoelectric sensor, N5100
LCD, NRF24L01 wirelessmodule and a power supply circuit and other
circuit. The system consists of MSP430 through the IO port to control the
car forward and back stop balance and steering, and through the
NRF24L01 car to car with computer PCconnection, command control and data
transmission. Tracing by CTRT5000 type infrared
photoelectric tube finish, balanced by mpu6050 gyroscope, L298N driven dc
gear motor, at the same time, the system used N5100 liquid crystal display, to
show the motion state of electric vehicles and parts of the running time.
Keywords: MSP430 NRF24L01 L298N DC motor and infrared
photoelectric sensor mpu6050 gyroscope N5100 LCD
3 目录
一.模块方案比较与设计
1.1车架设计
1.2控制器模块
1.3电源模块
1.4寻迹传感器模块
1.5电机模块
1.6电机驱动模块
1.7平衡模块
1.8显示台显示模块
1.9无线连接模块
1.10上位机的制作
二．硬件实现及单元电路设计
2.1电机驱动电路的设计
2.2黑白线检测电路的设计
2.3电压稳压电路设计
2.4液晶显示屏电路的连接
2.5MPU6050陀螺仪模块电路设计
2.6NRF24L01无线发送接收模块电路设计
三、算法实现：
3.1循迹部分
3.2电机驱动部分
3.3液晶显示部分
3.4陀螺仪滤波部分
3.5小车整体平衡算法部分
3.6小车无线启动算法部分
3.7 LABVIEW上位机的制作
四、软件设计
1、小车上电后程序流程
2.基础部分程序流程
3.发挥部分程序流程
4.小车循迹转向程序流程
五、系统功能测试
1.基础部分
2.发挥部分
六、总结
七、附录
1.小车单片机
2.从机单片机 4
一． 模块方案比较与设计
根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、无线模块、寻迹传感器模块、平衡传感器模块、直流减速电机及其驱动模块、液晶显示模块。本系统大概的方框图如下图所示：
为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。
1.1车架设计
方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而电压模块
单片机主控制器循迹模块 陀螺仪
无线模块 驱动电机
报警信号 液晶显示 5 且这种电动车一般都价格不扉。因此我们放弃了此方案。
方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了三轮电动车，后面两轮分别驱动转向。前面按一个万向轮。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的步进电机进行驱动，前面装一个万向轮。这样，当两个直流减速电机转向相同但转速不同时就可以实现电动车的转弯，由此可以轻松的实现小车的左转和右转。
综上所述，最后选择方案二。
1.2控制器模块
因为这个暑假我们将参加省赛，而这个比赛是由TI公司赞助举办的，需要用TI公司生产的芯片，为了熟练，因此我们这次选用该公司开发的msp430 16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、处理速度高、中断处理能力强等特点。
1.3电源模块
由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。
方案1：采用8.4V大容量理电池，经过7805稳压电路把电压稳成5V之后，在经过ams1117稳压成3.3V为单片机以及一些相应的模块供电。选用的锂电池具有价格低，容量大，体积小和输出电流大等特点。
方案2：采用2节4.2V可充电式锂电池串联共8.4V给直流电供电，经过7805的电压变换后为单片机和传感器供电。经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。因此我们放弃了此方案。
综上考虑，我们选择了方案1。
1.4寻迹传感器模块
CTRT5000红外光电对管是由一个发光管和一个接收管组成，当被测物是黑线时，红外光电二极管U发射出的光线被反射回来时很弱，光敏三极管无法导通，所以跟随器输出给单片机的信号为低电平。相反的，当被测物是白线时，由于反射回的信号较强，致使三极管导通，然后把该点的电位经过393比较器同电位器上调节后的电压比较，从而达到在遇到黑线和没有遇到黑线时分别输出高低电平。从而使小车可以沿着黑胶带行走。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定，体积小，结构紧凑。
1.5电机模块
方案一：用步进电机。步进电机可以精确地控制角度和距离。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在转速较高时会急剧下降，故其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，并且它的体积大，价格高，质量大，另外步进电机的编程复杂，增加了编程的难度。
方案二：采用直流电机。直流电机运转平稳，精度也有一定的保证，虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。通过单片机自带的的PWM输出同样可以控制直流电机的旋转速度，实现电动车的速度控制。并且直流电机相对于步进电机价格经济。
综合性价比和功耗等方面的考虑，我们选择方案二，使用直流电机作为电动车的驱动电机。 6 1.6电机驱动模块
方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。而且机械结构易磨损，可靠性不高。它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。
方案二：采用SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。
方案三：采用集成的驱动电路芯片L298N。L298N驱动芯片具有体积小，可靠性安全性高，抗干扰能力强等优点，适合控制智能小车的运动。且有较大的电流驱动能力，连接方便简单。我们上学期参加小车比赛的时候用过此驱动芯片，有一定的电路搭建运用经验。
综合以上考虑，我们选择方案三，使用L298驱动直流电机。
1.7平衡模块
方案一：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，安装简单而且成本很低。但控制精度很低，不易实现题目要求。
方案二：采用MPU6050六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。该模块具有体积小、精度高、采集速度快和操作代码简单等特点。
综合以上考虑，我们选择方案三，使用MPU6050陀螺仪测量角度。
1.8显示台显示模块
方案一：用数码管进行显示。数码管显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了。但是现实内容单一，但不能显示汉字，显示内容较少，人机关系较差。而且需要单片机实时扫描，占用单片机CPU内存多。
方案二：采用N5100 LCD显示。LCD可以用全中文界面显示，显示内容丰富，易于人机交流，且可以串行接口，节省I/O资源，显示简单。
考虑到本题的要求，只需要一片LCD就可以实现，故我们选择方案二。
1.9无线连接模块
因为我们小组想通过电脑上位机无线控制现车的运行，以及实时监视小车左右轮点击的速度和跷跷板的平衡角度。因此我们需要选择一组无线模块，经过综合考虑，我们选择NRF24L01无线模块，它具有价格低、体积小、资料丰富、发送稳定和距离远等特点。
1.10上位机的制作
我们选用LABVIEW软件制作上位机，LABVIEW是图形化制作上位机的一款软件，具有操作简单、上手快、控件丰富和制作周期短等特点。因此我们就选择该软件制作我们需要的上位机。
基于Sunplus SPCE061A控制核心的电动车跷跷板设计及实现
基于 Sunplus SPCE061A 控制核心的电动车跷跷板设计
及实现
在多次全国电子设计大赛中，电动车的设计一直都是热点，从历届的电
动车设计作品来看，电动车的车体往往做得大而重，且常常需要依靠车体以外
的模块辅助才能完成，这对于车来说就不够智能化了。本文中电动车设计所采
用的方案，车体小巧灵活，不需借助任何的附加设备即可工作，而且对跷跷板
的要求很低。
1 总方案设计 系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中，控制部分
由控制器模块、电源模块、电机模块、显示模块、语音模块等模块构成；信号
检测部分由平衡检测模块、引导模块构成。采用单控制器，控制器和角度传感
器直接安装在车体上，角度传感器的角度信号传送给控制器，控制器根据信号
来判断电动车当前的状态，做出相应的反应(前进、后退、停车、平衡指示等)。
采用单控制器使小车能够更加灵活的行驶，避免了长信号线或者无线通信带来
的信号采集不准确问题。经过多次试验，证明车体能够轻松找到平衡点。系统
方框图如图 1 所示。
该设计电动车跷跷板实物图如图 2 所示，从中可以看到，现在电动小车的
状态为平衡点附近，这是因为跷跷板的平衡是一种绝对的动态平衡，即平衡时，
小车在板上平衡点做振动运动，因为这样的运动幅度非常小，可以认为是一种
伪静态。
2 各模块具体实现方案及硬件电路 2．1 车体设计及电机控制模块 该设计采
用的车体由铝合金车架及两个直流电机组成，具有坚固稳定的特点，并且直流
电机带有驱动电路及减速箱，减速箱的减速比为 64：1。设计中使用 L298 搭建
了驱动电路，经过调试车速可以分级控制。硬件电路图如图 3 所示。
电动车跷跷板系统的设计与实现
第２６卷第３期
２ ０ ０８年５月 西安航空技术高等专科学校学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ａｅｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖｌ０】．２６Ｎｏ．３
Ｍａｙ ２ ０ ０ ８
电动车跷跷板系统的设计与实现
刘勃妮，何小映，刘 锋，王 昂，申少泽
（西安航空技术高等专科学校电气工程系，陕西西安７１００７７）
摘要：系统采用一块单片机ＡＴ８９Ｓ５２作为跷跷板检测和电动车控制的核心，实现了电动车在不同状态下的往返行
驶、起始和停止位置的判断，以及行驶时间的显示以及跷跷板平衡点的寻找等功能。
关键词：电动车；跷跷板；水银开关；脉宽调制
中图分类号：ＴＰ２１文献标识码：Ａ文章编号：１００８—９２３３（２００８）０３—００１９—０３
１ 引言
２００７年全国大学生电子设计竞赛中的Ｊ题，要求设计电
动车跷跷板，电动车在跷跷板上运动，并满足题目中所提出
的各项功能指标。根据题目要求，我们选择以单片机
ＡＴ８９Ｓ５２为控制核心，辅以电机控制电路，设计并完成了一
个基于单片机ＡＴ８９Ｓ５２的电动车跷跷板系统。
２系统基本方案
本设计主要实现电动车在跷跷板上往返行驶和寻求跷
跷板平衡点功能。其系统框图如图１所示。为实现各模块
功能，提出了几种设计方案并进行了论证。
一一一一一一一一一一一一一一一一一一’
图ｌ系统框图
３各模块方案选择和论证
３．１控制器模块
采用单片机ＡＴ８９Ｓ５２作为控制核心。它是一个低功 耗，高性能ＣＭＯＳ ８位单片机，片内含８ｋ Ｂｙｔｅｓ ＩＳ的可反复
擦写１０００次的Ｆｌａｓｈ只读程序存储器，器件采用ＡＴＭＥＬ公
司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准ＭＣＳ一５１指
令系统及８０Ｃ５１引脚结构。ＡＴ８９Ｓ５２设计及配置了振荡频
率可为０Ｈｚ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，ＣＰＵ
暂停工作，而ＲＡＭ定时计数器、串行口、外中断系统可继续
工作，断电模式冻结振荡器而保存ＲＡＭ的数据，停止芯片其
电动车跷跷板的设计
ＩＳＳＮ １００８．９４４６ 承德石油高等专科学校学报 第ｌ０卷第２期，２００８年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．２，Ｊｕｎ．２００８
电动车跷跷板的设计
康 金，甄玉杰，陈 建，毕 磊，张新义
（承德石油高等专科学校电气与电子工程系，河北承德０６７０００）
摘要：该设计以传统的５１单片机为核心控制器件，运用了光电传感器、金属探测器、角度传感器等检测元件，
采用步进电机控制前进和后退，采用直流电机控制方向，实现了电动车在跷跷板上的自动运行，运行过程中可
以自动将跷跷板调整到平衡状态，然后维持平衡状态发出声光报警。
关键词：电动车；检测；控制
中图分类号：Ｕ４８３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—９４４６（２００８）０２—００３０—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｉｋｅ Ｓａｃｒａ－ｄｏｗｎ
ＫＡＮＧ Ｊｉｎ，ＺＨＥＮ Ｙｕ—ｊｉｅ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ，ＢＩ Ｌｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ—ｙｉ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｅ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｃｏｌｌｅｇｅ，
Ｃｈｅｎｇｄｅ ０６７０００，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ５ １ ＳＣＭ ｉＳ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｉｋｅ．Ｉｔ ｍａｋｅｓ ｕｓｅ ｏｆ
ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ，ｍｅｔａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｇｕｌａｒ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｉｔ ｍｏｖｅｓ ｆｏｒｗａｒｄ
ａｎｄ ｂａｃｋｗａｒｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ａｄｏｐｔｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｎ
基于PID 算法的电动车跷跷板系统设计
- 1 -基于PID算法的电动车跷跷板系统设计
聂晓凯
中南大学信息科学与工程学院，长沙（410083）
E-mail：kasaos@
摘 要：本系统采用P89V51RD2单片机作为控制系统的核心，采用步进电机作为电动车驱
动电机，以L298为驱动芯片，配以舵机改变转向，使用角度传感器检测跷跷板的角度变化，
在车的前后端设计了红外黑线检测模块保证电动车顺利驶上板以及在板上笔直行驶，红外光
电码盘通过脉冲计数确定电动车在板上的位置，红外遥控键盘启动系统开始运行，液晶显示
相关参数信息。系统的平衡调节采用了数字PID控制算法，利用凑试法整定PID参数，通
过角度传感器所测角度变化来控制步进电机的的转动实现跷跷板达到平衡状态。
关键词：P89V51RD2单片机，PID，角度传感器
中图分类号：TP271
2007年全国大学生电子设计竞赛的一道控制类的题目是电动车跷跷板问题，本系统设
计要求电动车能够在规定时间内到达跷跷板的中心点C处，并保持平衡，随后电动车到达
跷跷板的末端B处，停留之后返回始端A处。另外，如果将跷跷板配重，则要求跷跷板在
规定范围内驶上板，同时，也能实现平衡，如果再加一块重物之后跷跷板重新达到平衡。本
系统的设计在本文中采用了数字PID控制算法来实现。
1 系统方案设计、比较与论证
1.1 总体方案设计论证
本系统采用P89V51RD2单片机作为控制系统的主模块，实现系统控制与信号检测，如
图1-1所示系统框图。主要包括单片机模块，驱动电机模块，舵机模块，平衡检测模块，寻
线模块，位置检测模块，液晶显示模块以及红外遥控模块。
图 1-1 系统框图
系统通过平衡检测来判断电动车是否处于平衡状态，使电动车停留在C处附近，采用
位置检测使电动车行驶至B处停止，采用寻黑线方法使电动车直线前行以及由末端B处能
够直线后退到始端A处。红外遥控启动系统，液晶显示各阶段用时以及温度时间。在配重
电动车跷跷板设计
工业技术 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ． 匪圆 电动车跷跷板设计 王贵山 刘亚茹 （国防科学技术大学机电工程与自动化学院 湖南长沙４１ ０００３） 摘要：本设计主要完成通过控制电动小车的运动来保持翘翘板的平衡，整体采用Ｘ￣．ＭＣＵ结构。跷跷板上配有倾角传感器，板面以及两端 贴有黑线作为循迹和检测起点终点的标志。４、车配有嵌入式控制芯片ＭＣ９ＳＩ ２ＸＳ１ ２８、灰度循迹检测模块，ＢＴＳ７９ ７０全桥电机驱动ｌ电路。 在跷跷板与小车之间设有一通信ＭＣＵ，配有无线收发装置、液晶显示模块，主要完成侦、角的测量与滤波、与小丰通信，时问显示。小车 从硗跷板一端出发快速搜索平衡点，：最后利用步进调节的方法，将小车缓慢移向平衡位置最终达到平衡。 关键词：ＭＣ９ＳＩ ２ＸＳＩ ２８ 双Ｍｃｕ 完线传输 步进调节 中图分类号：ＴＰ９ ５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７２—３７９１（２０１３）１ ０（ａ）一０ ０５７—０１ １设计任务与要求 １．１设计任务 在给定条件的翘翘板上，小车主要完 成从一端出发行驶至平衡点附近，停留一 定的时间后开始寻找平衡点，达到平衡点 之后行驶至终点，停留一定的时间后返回 终点。如图１所示。 ２方案比较与论证 ２．１各种方案比较与选择 电机选择：为实现小车的运动，还有完 成跷跷板的平衡调节，电机应该具有较好 的灵敏度和动力。方案一：直流电机，直流 电机响应比较快，调节起来比较方便，价格 也比较便宜，可以实现高速的选择。但是力 矩有一定的限制。方案二：减速电机，减速 电机驱动能力强，制动性也好，调节平衡比 较方便，但是响应比较慢。 通过实践，直流电机速度快但是动力 不强，制动性比较差，不能较好的实现平衡 的调节，减速电机虽然反应慢，但是可以满 足平衡的调节要求，因此选择减速电机。 倾角测量传感器：倾角是小车运行的 控制量，它的准确获取才能使小车能够稳 定地达到平衡，并且能够准确测量倾角，还 能加大控制量。方案一：倾角传感器，经测 量倾角传感器灵敏度高，跷跷板两端采样 值的差值２０。方案二：ＭＭＡ７２６０三轴加速度 计，该传感器可以测量重力延竖直方向上 的分量，但是通过实际的检测发现其灵敏 度低，且不稳定。 控制器的选择：对于一个不稳定系统， 要控制系统达到平衡位置，需要加入一个 控制器。方案一：采用ＰＩＤ控制器。ＰＩＤ控制 器是一种适应范围广的控制算法。可以达 到一般的控制要求。跷跷板的平衡是要达 到两边的力矩平衡。小车行驶到某一个特 定的位置才能使跷跷板平衡。方案二：采用 步进法不断搜索平衡点，使系统达到平衡。 步进调节比较稳定。由于倾角传感器的灵 敏度的限制，控制量太小用ＰＤ控制器实现 起来比较麻烦，而且参数的调节也不好控 制，因此我们采用步进控制。 ２．２控制算法设计 采用步进控制，角度的变化量和长度 的变化量均随时间而变，并且和各自速度 相关，因此，引入小车每个控制周期的步进 量Ｖ ，和角度每个控制周期的变化量 ， 假设速度控制的周期为Ｔ（ｍｓ），那么就有下 面的式子 合力｛巨：Ｍ☆＝Ｇ（Ｌ—Ｖ△Ｔ）ＣＯＳ（Ｇ￣一ａ△Ｔ）一Ｍ， （１） 每个控制周期，先让小车走一段距离， 停止一定时间测量角度，然后以这个角度 为依据进行下一次平衡调节，如果所调的 参数满足式子（１），那么跷跷板最终可以达 到平衡。 结果分析：通过以上的理论分析和实 践经验表明，采取步进调节的策略是可行 的，而且能够静止在平衡点附近。 注明：实际过程并没有理论分析中的 这么简单，最终我们的平衡调节是当小车 在平衡点附近的一个阈值内停止运动，然 后测量角度判断平衡，这样的调节效果更 图１跷跷板平衡 倾角检测 －－．－４１ Ｉ 地耐 车戴 。 ＭＣ９Ｓ１ ＭＣ９Ｓｌ Ｉ挝永ｌ ２×Ｓｌ２８ ，１｛－－－ ２ＸＳｌ２８ ｌ ｌ 图２ 好。 ３系统硬件设计 ３．１系统的总体设计 系统总体框图如图２。 ３．２功能模块设计 （１）倾角检测。倾角传感器的输出量与 轴线与重力作用线的夹角相关，可以方便 的计算出小车当前所处平面的倾角。由于 存在噪声干扰，需要对输出信号进行滤波 处理，传感器的频率为８．２５ Ｈｚ，设计３０ Ｈｚ 的低通滤波器，消除高频噪声。 （２）电机驱动。采用两片ＢＴＳ７９７０构成全 桥电路驱动减速电机，该芯片具有驱动电 流大，响应快，死区电压小等优点，非常适 于小车精密的电机控制。 （３）循线模块。采用灰度传感器进行循 线，将其输出的模拟电压值进行静态阈值 分割，从而实现道路信息的二值化方便 ＭＣＵ进行控制。 （４）主控模块。使用飞思卡尔公司出品 的１６位单片机ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８作为控制核 心，该单片机具有丰富的外设资源且配套 的背景调试工具ＢＤＭ功能非常强大，适于 作为主控单元使用。 ４系统软件设计 ４．１算法设计 根据基本要求和扩展功能，将程序设 置为两种模式：流程展示和二 次平衡。利用 拨码开关进行模式转换，自主上坡和过程 实现依靠对于循迹黑线的处理，平衡采用 步进调整策略，综合静态阈值和动态阈值 判断系统状态。 参考文献 ［１］黄勤易．利用ＥＤＡ技术进行数字电路设 计性实验的研究［Ｊ］．半导体技术，２００６ （１）：２２－２５． ［２】谢维成．单片机原理与应用及Ｃ ５１程序 设计［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００６． ［３】胡汉才．单片机原理及其接１３技术【Ｍ】． 北京：清华大学出版社，１９９５． ［４】胡寿松．现代控制系统［Ｍ］．８版．北京： 高等教育出版社，２００６． 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ５７
电动车跷跷板的控制系统设计
图２Ｌ２９８电机驱动电路电动车跷跷板的控制系统设计
蔡菁，王书杰，陈震
（泰州职业技术学院，江苏泰州２２５３００）
摘要：本电动车是以ＡＴｍａｇｅ１６Ｌ单片机为控制核心，由直流伺服电机及驱动模块、灰度传感
器和自制角度传感器、电源电路以及液晶显示模块等部分组成。该系统由ＡＴｍａｇｅ１６Ｌ
控制小车的前进和后退，由灰度传感器实现行驶路径的修正和跷跷板边缘的寻迹，自
制角度传感器用于跷跷板平衡点的捕捉，并具有声光报警、时间显示等功能。
关键词：电动车；直流电机；灰度传感器；角度传感器
中图分类号：ＴＨ１２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－０１４２（２００８）０３－００３８－０２
电动车跷跷板的功能是：跷跷板起始端一侧装有可移动的配重物体，配重物体位置可调范围不小于
４００ｍｍ。电动车从起始端出发，自动在跷跷板上行驶。当跷跷板达到平衡时，保持时间不小于５秒，同时
发出声光提示，电动车显示所用的时间。
１方案设计和硬件组成
本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹模块、直流电机及其驱动模块、平衡模块等部分构成。
１．１控制器模块
采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴｍａｇｅ１６Ｌ单片机作为主控制器。
ＡＴｍｅｇｅ１６Ｌ是一个低功耗，高性能的８位单片机，片内含
１６Ｋ空间可反复擦除１００，０００次的Ｆｌａｓｈ只读存储器，具有
１Ｋｂｙｔｅｓ的随机存取数据存储器（ＳＲＡＭ），３２个ＩＯ口，２个
８位可编程定时计数器，１个１６位可编程定时计数器，四通
道ＰＷＭ，内置８路１０位ＡＤＣ［１］。且该系列的单片机可以在
线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。
１．２电机模块
采用直流伺服电机［２］。直流伺服电机转动力矩大，体积
小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动
机提供原始动力，带动变速（伺服）齿轮组，可以产生较大
扭力，能够较好的满足系统要求。
１．３电机驱动模块
采用专用芯片Ｌ２９８作为电机驱动芯片。Ｌ２９８是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，一片
Ｌ２９８可以控制两个直流电机，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
电动车跷跷板 (电子设计大赛)
电动车跷跷板
摘要
本系统以freescale公司提供的DG128芯片作为核心控制芯片，且通过在白色衬底上贴一条长2.5cm的黑线作为小车的引导线，让小车在跷跷板上能稳定的行驶。为实现题目所要求的功能，用角度传感器作为跷跷板角度反馈量，通过一定的算法控制小车的速度使小车能够在跷跷板上找到平衡点。小车的设计包括如下几个模块：摄像头采集，角度传感器安装与采集，驱动和转向的控制，速度检测，液晶显示模块等。
一、系统方案
（一）方案的论证与比较
根据大赛题目的设计要求，跷跷板的尺寸规格已经在题目中规定好，只需按照规定自制一个就可，所以此次设计的主要精力放在小车的设计上。
1、小车的引导
由于可以在跷跷板上加引导措施，受2003年简易智能小车启发，在跷跷板表面铺白色衬底，在中间贴2.5cm的黑线，用传感器检测中间黑线的位置即可使小车在板上能稳定的行驶。
方案一：红外管，即用红外管检测黑线，通过黑白线之间的电压值的变化识别黑线，此方案电路较为简单，处理数据也较简单，但是红外管受环境光的影响比较大，及容易出现偏离轨道等错误。
方案二：摄像头，受环境光影响比红外管小很多，但在光照很强的情况下也会有很大的影响。但是由于这是室内的比赛，所以光照很强的情况可以不用太多考虑。另一方面是摄像头照射范围宽并且广，所以采集的信息比红外管多，对黑线的识别更为精确和有效。选取方案二。
2、驱动电路的选择
采用专门的小功率电机驱动芯片MC33886，可用单片机PWM端口给直接控制，但一片发热量比较大，所以采用4片33886并联驱动，首先驱动能力加强，而且在不加散热片反压时的发热量也很低。4片也有一定的缺点：一是所占面积比较大，二是对电池电压的损耗比较大。
3、检测角度传感器的选择
由于小车需要在加重的情况下在木板上保持平衡，需要采用木板所倾斜的角度作为回馈量，理想状态下当木板的倾斜角度为0时表示木板已经平衡。
电动车跷跷板设计 2
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1 设计任务与要求1.1设计任务在给定条件的翘翘板上,小车主要完成从一端出发行驶至平衡点附近,停留一定的时间后开始寻找平衡点,达到平衡点之后行驶至终点,停留一定的时间后返回终点。如图1所示。2 方案比较与论证2.1各种方案比较与选择电机选择:为实现小车的运动,还有完成跷跷板的平衡调节,电机应该具有较好的灵敏度和动力。方案一:直流电机,直流电机响应比较快,调节起来比较方便,价格也比较便宜,可以实现高速的选择。但是力矩有一定的限制。方案二:减速电机,减速电机驱动能力强,制动性也好,调节平衡比较方便,但是响应比较慢。通过实践,直流电机速度快但是动力不强,制动性比较差,不能较好的实现平衡的调节,减速电机虽然反应慢,但是可以满足平衡的调节要求,因此选择减速电机。倾角测量传感器:倾角是小车运行的控制量,它的准确获取才能使小车能够稳定地达到平衡,并且能够准确测量倾角,还能加大控制量。方案一:倾角传感器,经测量倾角传感器灵敏度高,跷跷板两端采样值的差值20。方案二:MMA7260三轴加速度计,该传感器可以测量重力延竖直方向上的分量,但是通过实际的检测发现其灵敏度低,且不稳定。控制器的选择:对于一个不稳定系统,要控制系统达到平衡位置,需要加入一个控制器。方案一:采用PID控制器。PID控制器是一种适应范围广的控制算法。可以达到一般的控制要求。跷跷板的平衡是要达到两边的力矩平衡。小车行驶到某一个特定的位置才能使跷跷板平衡。方案二:采用步进法不断搜索平衡点,使系统达到平衡。步进调节比较稳定。由于倾角传感器的灵敏度的限制,控制量太小用PD控制器实现起来比较麻烦,而且参数的调节也不好控制,因此我们采用步进控制。2.2控制算法设计采用步进控制,角度的变化量和长度的变化量均随时间而变,并且和各自速度相关,因此,引入小车每个控制周期的步进量 v,和角度每个控制周期的变化量 ,假设速度控制的周期为T(ms),那么就有下面的式子合力钜: ()cos(T)fMGLvTM合 (1)每个控制周期,先让小车走一段距离,停止一定时间测量角度,然后以这个角度为依据进行下一次平衡调节,如果所调的参数满足式子(1),那么跷跷板最终可以达到平衡。结果分析:通过以上的理论分析和实践经验表明,采取步进调节的策略是可行的,而且能够静止在平衡点附近。注明:实际过程并没有理论分析中的这么简单,最终我们的平衡调节是当小车在平衡点附近的一个阈值内停止运动,然后测量角度判断平衡,这样的调节效果更电动车跷跷板设计王贵山 刘亚茹(国防科学技术大学机电工程与自动化学院 湖南长沙 410003)摘 要:本设计主要完成通过控制电动小车的运动来保持翘翘板的平衡,整体采用双MCU结构。跷跷板上配有倾角传感器,板面以及两端贴有黑线作为循迹和检测起点终点的标志。小车配有嵌入式控制芯片MC9S12XS128、灰度循迹检测模块、BTS7970全桥电机驱动电路。在跷跷板与小车之间设有一通信MCU,配有无线收发装置、液晶显示模块,主要完成倾角的测量与滤波、与小车通信、时间显示。小车从跷跷板一端出发快速搜索平衡点,最后利用步进调节的方法,将小车缓慢移向平衡位置最终达到平衡。关键词:MC9S12XS128 双MCU 无线传输 步进调节中图分类号:TP95文献标识码:A文章编号:1672-3791(2013)10(a)-0057-01好。3 系统硬件设计3.1系统的总体设计系统总体框图如图2。3.2功能模块设计(1)倾角检测。倾角传感器的输出量与轴线与重力作用线的夹角相关,可以方便的计算出小车当前所处平面的倾角。由于存在噪声干扰,需要对输出信号进行滤波处理,传感器的频率为8.25Hz,设计30Hz的低通滤波器,消除高频噪声。(2)电机驱动。采用两片BTS7970构成全桥电路驱动减速电机,该芯片具有驱动电流大,响应快,死区电压小等优点,非常适于小车精密的电机控制。(3)循线模块。采用灰度传感器进行循线,将其输出的模拟电压值进行静态阈值分割,从而实现道路信息的二值化方便MCU进行控制。(4)主控模块。使用飞思卡尔公司出品的16位单片机MC9S12XS128作为控制核心,该单片机具有丰富的外设资源且配套的背景调试工具BDM功能非常强大,适于作为主控单元使用。4 系统软件设计4.1算法设计根据基本要求和扩展功能,将程序设置为两种模式:流程展示和二次平衡。利用拨码开关进行模式转换,自主上坡和过程实现依靠对于循迹黑线的处理,平衡采用步进调整策略,综合静态阈值和动态阈值判断系统状态。参考文献[1]黄勤易.利用EDA技术进行数字电路设计性实验的研究[J].半导体技术,2006(1):22-25.[2]谢维成.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京:清华大学出版社,2006.[3]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社,1995.[4]胡寿松.现代控制系统[M].8版.北京:高等教育出版社,2006.图1 跷跷板平衡 倾角检测 地面 MC9S12XS128 车载 MC9S12XS128 电机驱动 LCD 显示 循线模 块 图. All Rights Reserved.
基于单片机的电动车跷跷板系统设计
２０１ ８年第１ ７卷第１ ３期
基于单片机的电动车跷跷板系统设计
口张艾良
【内容摘要】本系统以ｓＴＭ３２ Ｆｌ０３ｃＢ 单片机作为电动车的控制核心器，选用ＭＰＵ６０５０作为倾斜角检测模块，采用可见光检
测法实现黑线寻迹，通过步进电机作为小车的动力系统，并将电动车跷跷板的实时状态通过Ｎｏｋｉａ５１１０液晶屏进 行显示。实验表明，系统完全达到了设计要求，不但完成了自动上板、下板、找平衡和指示平衡等基本功能，还增加
了角度调整与低电压报警两个创新功能。 【关键词】电动车；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＣＢＴ６；自平衡；ＭＰＵ６０５０
【作者简介】张艾良（１９９３一），男，长春职业技术学院工程技术分院助教
移动机器人的姿态控制技术在诸如航空、航海等许多领
域有着广泛的应用，各种类型的数字倾角传感器应运而生。
本设计以此为背景，设计了一个电动车，可以自动侦测到跷
跷板并驶上板面，找到平衡位置。跷跷板平衡后，任意投放
另一配重物体，电动车能找到并指示新的平衡点。设计采用 步进电机驱动、倾斜角检测模块、路面黑线检测模块、显示模
块设计实现了电动车跷跷板自平衡工作系统。
一、电动车跷跷板自平衡工作系统原理分析 电动车跷跷板自平衡装置由三个模块进行工作，分别由电
源进行供电。路面黑线模块进行寻迹，倾斜角模块进行调整平 衡度，单片机用于获取信息与处理，三个模块能耗低且互不干
扰，不会对信息获取产生影响。系统采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＣＢＴ６
单片机的Ｉ／Ｏ口获取平衡数据，平衡后的数据会在显示模块
上显示，系统整体框图如图１所示。 系统通过黑迹检测模块引导小车走上跷跷板且能平稳
地走直线，通过倾斜角检测模块对跷跷板的倾角进行准确测
量，并将倾角状态实时反馈给单片机，单片机根据跷跷板倾
角数据，通过控制电机做出前进和后退指令，使跷跷板保持 图１系统整体设计框图
平衡。
二、系统硬件设计 （一）动力驱动模块。采用步进电机作为动力装置，惯性
电动车跷跷板柳州运输职业技术学院摘要该电动车以凌阳SPCE061A
电动车跷跷板
柳州运输职业技术学院 1 摘要
该电动车以凌阳SPCE061A作为控制及数据处理的核心，通过传感器检测、控制电动车电机的快慢、启停。电动车可以在跷跷板上自动寻找平衡点，并具有实时显示电动车行驶时间及任务完成之后自动播报从起始端自动行走到末端及返回所需时间或从起始端自动行走到电动车保持平衡所需时间。
关键字：SPCE061A 倾角传感器 光电传感器 PWM
2
一、方案设计与论证
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、平衡检测模块、电机驱动模块、显示模块，如图1所示。
控制模块循迹模块平衡检测模块电机驱动模块显示模块
图1 系统模块框图
（一）控制模块
方案一：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经济实惠的，但本项目触及到A/D转换和PWM控制，如果要具备这两个功能必须要有专用的A/D芯片和PWM控制电路，这无疑是提高了成本。
方案二：采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制的核心。SPCE061A具有10位A/D转换和PWM控制功能，且具备语音播报功能，使作品更加智能化。
综上分析，选择方案二。
（二）平衡检测模块
方案一：采用水银开关检测跷跷板平衡点。其内部是由两根导线组合而成，只要当水银流动到导线的两端即水银把两根导线短接在一起。但当跷跷板平衡时，有可能水银开关还未闭合，可靠性不高。
方案二：采用Accu StarⅡ倾角传感器检测跷跷板平衡点。此倾角传感器是通过改变角度来改变其输出电压，具有良好的线性变化，如图2所示，通过读取输出电压的值来控制小车的速度，有助于电动车找到平衡点。
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因此选择方案二。
（三）电机驱动模块
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，可靠性不高。
方案二：采用L293D驱动电机。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。用SPCE061A自带的PWM控制电机效果更好，使电动车更容易的寻找到跷跷板的平衡点。