電動車蹺蹺板設(shè)計幾種方案匯總與對比

1、電動車蹺蹺板設(shè)計幾種方案匯總與對比電動車蹺蹺板系統(tǒng)方案設(shè)計、比較與論證實現(xiàn)方法：根據(jù)題目的基本要求，設(shè)計任務(wù)主要完成電動車在規(guī)定時間內(nèi)自由行走并能具有保持平衡功能，同時對行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。根據(jù)設(shè)計任務(wù)及要求，采用單片機(jī)作為核心控制器。在白色蹺蹺板上鋪設(shè)黑色引導(dǎo)線，在小車的前后各循跡線探測模塊。為完成相應(yīng)功能，系統(tǒng)可以劃分為以下幾個基本模塊：電動機(jī)驅(qū)動模塊、尋跡線探測模塊、平衡狀態(tài)檢測模塊、信息顯示模塊、語音模塊?？刂颇K主控芯片的選擇方案：采用89c52單片機(jī)方案：采用AT89C51系列單片機(jī)作為控制的核心。51單片機(jī)按單純的控制和數(shù)據(jù)處理是比較經(jīng)濟(jì)實惠的，但是功能單一，并且51單

2、片機(jī)需要仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。如果系統(tǒng)需要增加語音播報功能，還需外接語音芯片，實現(xiàn)較為復(fù)雜；而且本項目觸及到A/D轉(zhuǎn)換和PWM控制，如果要具備這兩個功能必須要有專用的A/D芯片和PW控制電路，這無疑是提高了成本。1 / 11電動車蹺蹺板設(shè)計幾種方案匯總與對比方案：使用89s51單片機(jī)。價格便宜、程序資源豐富，控制簡單，技術(shù)比較成熟，但運(yùn)算速度慢、片內(nèi)資源少、存儲器容量小，難以存儲大體積程序和實現(xiàn)復(fù)雜的算法。不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接口電路比較復(fù)雜。方案：使用AT89S52單片機(jī)，AT89S52單片機(jī)采用CHMOS工藝及高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，內(nèi)部包括1個8位CPU,1個片內(nèi)振蕩

3、器及時鐘電路,3個16位定時計數(shù)器,4個8位并行I/O口,8個中斷源,1個可編程全雙工串行口，8叱可插除FLASH和256B的RAM,且內(nèi)置看門狗電路,一旦程序跑飛則復(fù)位系統(tǒng)2。因此,設(shè)計中采用8位AT89s52單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)工作，同時它還不斷處理紅外對管傳感器送來的地面標(biāo)志信號,這些信號主要控制小車的加速、減速、限速、剎車、倒車等狀態(tài)。此外，在系統(tǒng)設(shè)計中當(dāng)利用片內(nèi)的定時器作為小車行駛計時，并為LED驅(qū)動集成電路提供時鐘和數(shù)據(jù)。方案：采用凌陽16位單片機(jī)SPCEO61A（30.21）作為控制的核心。SPCE061A該單片機(jī)I/O資源豐富，具有10位A/D轉(zhuǎn)換和PWM控制功能，且具備

4、語音播報功能，使作品更加智能化。芯片內(nèi)置JTAG電路，可在線仿真調(diào)試，大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的復(fù)雜度。（40元）方案：單芯片CC2430（36.9元），高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核，編程的通用性，集成度射頻收發(fā)機(jī)實現(xiàn)無線通信，芯片。大容量FLASH和RAM,集成的14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC,1個16位定時器和兩個8位定時器。（36元）方案：使用Silabs公司C8051F系列單片機(jī)。C805方單片機(jī)使用Sila公公司的專利CIP-51微控制器內(nèi)核,是標(biāo)準(zhǔn)的混合信號片上系統(tǒng)（S0C）,除具有標(biāo)準(zhǔn)的8051數(shù)字外設(shè)外,片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件、其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，如

5、電壓比較器PAC、ADC、DAC、SPI、SMBus（I2C）、UART等,特別方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集與控制。在C8051F系列中單片機(jī)中,通過性能及成本比較,我們選擇了C8051F020o（30元）方案：采用Microchip公司的PIC16F877單片機(jī)。運(yùn)行速度快、采用RISC精簡指令技術(shù)，低工作電壓，低功耗，I/O有較大的驅(qū)動能力，具有豐富的借口資源，配置了3個功能較強(qiáng)的多功能定時器模塊，嵌入看門狗定時器，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時還具有8路10位AD轉(zhuǎn)換器同步申，體積小，在線調(diào)試能力強(qiáng)。（22元）電機(jī)驅(qū)動模塊方案：采用L293D驅(qū)動電機(jī)（5.28元）。使用該芯片驅(qū)動的好處是在額定的電

6、壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠，可以縮小PCB板。用SPCE061A自帶的PW控制電機(jī)效果更好，使電動車更容易的尋找到蹺蹺板的平衡點(diǎn)。方案：采用型號42BYGH的步進(jìn)電機(jī)（50元）控制小車的運(yùn)動，最小步進(jìn)角為0.9度，因此能實現(xiàn)小車的精確控制，而且當(dāng)不給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖的時候，能實現(xiàn)自鎖，從而能較好的實現(xiàn)小車及時停車的目的。方案:采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過控制脈沖個數(shù)控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于步進(jìn)電機(jī)能夠較好地滿足系統(tǒng)要求，因此選擇此方案。系統(tǒng)中采用常州寶來電器有限公司生產(chǎn)的42BYGH023（40元）

7、型步進(jìn)電機(jī),采用BL2210（80元）驅(qū)動器3驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，其步距角可通過驅(qū)動器上的細(xì)分開關(guān)進(jìn)行調(diào)整.方案：采用直流電機(jī)，直流電機(jī)帶有驅(qū)動電路及減速箱，減速箱的減速比為64：lo直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可以實現(xiàn)頻繁的啟動、制動、反轉(zhuǎn)。但是制動、反轉(zhuǎn)慣性大,精密度低,控制起來比較困難,很難達(dá)到近距離調(diào)速的目的。設(shè)計中使用L298B（8元）雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片搭建了驅(qū)動電路，經(jīng)過調(diào)試車速可方案：根據(jù)題目中小車行駛?cè)痰臅r間要求，可知小車的行駛速度很慢，普通的電機(jī)很難滿足此速度要求，而直流減速電機(jī)可以滿足此要求，并且其具有很大的轉(zhuǎn)

8、動力矩，不會在傾斜面出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。缺點(diǎn)：采川直流減速電機(jī)控制小車的運(yùn)動，轉(zhuǎn)動速度快，但其制動能力差，無法達(dá)到小車及時停車的要求。驅(qū)動模塊方面：采用專用驅(qū)動芯片。該芯片集成度高，占用空間小，主要應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速場合。該驅(qū)動電路中的J1接電機(jī)，M0T1和M0T2接高低電平來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制電機(jī)的前進(jìn)和后退以及左右轉(zhuǎn)向。方案二用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)。選用集成步進(jìn)電機(jī)控制芯片和雙全橋驅(qū)動芯片組成兩相步進(jìn)電初驅(qū)動電路，由于控告嘴號為數(shù)字信號,不需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換具有快速啟/停性能，由于步進(jìn)電機(jī)是采用脈沖驅(qū)動,每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定角度,脈沖輸入頻率的高低對應(yīng)于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速,而且通過驅(qū)動電

9、路，電動車行駛速度很容易控制，單位時間內(nèi)前進(jìn)的距離也很容易測算。利用步進(jìn)機(jī)的準(zhǔn)確定長步進(jìn)性能方便地實現(xiàn)調(diào)速和轉(zhuǎn)向，可以準(zhǔn)確的測量速度、路程以及時間，簡化變成和硬件連接的工作量。但步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)矩較小，不能滿足爬坡的要求。方案三：采用互補(bǔ)硅功率達(dá)林頓管ULN2003（0.7元、）實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。采用該方法實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，電路連接比較簡單，工作也相對可靠，成本低廉，技術(shù)成熟。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通

10、過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)（6.90元），電壓為DC5VDC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-o。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）平衡檢測模塊方案二

11、：采用AccuStarll傾角傳感器檢測蹺蹺板平衡點(diǎn)。此傾角傳感器是通過改變角度來改變其輸出電壓，具有良好的線性變化，如圖2所示，通過讀取輸出電壓的值來控制小車的速度，有助于電動車找到平衡點(diǎn)。5 / 11電動車蹺蹺板設(shè)計幾種方案匯總與對比圖2傾角一電壓模擬變換關(guān)系角度檢測模塊也是系統(tǒng)的重要組成部分，我們需要利用角度傳感器來測量蹺蹺板水平方向傾角，當(dāng)傾角在某個范圍之內(nèi)的時候即可認(rèn)為蹺蹺板達(dá)到平衡狀態(tài)。III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。目前市場上適合的傳感器主要有以下兩種。方案一：采用深圳市華夏磁電子技術(shù)開發(fā)有限公司的AME-B001角度傳感器，

12、0360度測量范圍，但是安裝非常不方便，而且電壓輸出信號，采集不便。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，測量范圍一45一+45度，精度0.1度，輸出頻率10次/s,485信號輸出。在滿足設(shè)計要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素，我們選擇了方案O使用無觸點(diǎn)磁敏電位器自制重錘角度傳感器。在電位器上加一重錘，通過重錘的擺動角度帶來電位器角度的變化，以實現(xiàn)對角度的測量。該角度傳感器安裝在電動車上，當(dāng)蹺蹺板處在非平衡狀態(tài)時，車體的傾斜角度反映在重錘的轉(zhuǎn)角上,再通過A/D轉(zhuǎn)換將角度信號采集到處理器中進(jìn)行相關(guān)的處理。在本設(shè)計中，有三個關(guān)鍵角度值，即蹺蹺板上平衡區(qū)間的

13、兩端點(diǎn)角度值和平衡區(qū)間中的實際中點(diǎn)值。小車在自動找平衡時，是根據(jù)平衡區(qū)間的端點(diǎn)值判斷自己是否處于平衡區(qū)，是則調(diào)用平衡區(qū)功能函數(shù)進(jìn)行工作，直到最終找到真正平衡點(diǎn)。經(jīng)過多次試驗論證，小車能夠快速準(zhǔn)確地尋找到平衡點(diǎn)。9 / 11正面?zhèn)认蚪嵌葌鞲衅鲗嵨飯D及應(yīng)用電路需第選項1：磁性電位器、非接觸式力度傳感器集成磁傳感器,利用磁性元件到非接觸感應(yīng)磁場強(qiáng)度的變化,實現(xiàn)了測角精度。在決定其輸出電壓的平衡和電壓水平相比，當(dāng)那輛汽車的價值，以確定平面之間的角度，以微處理器為處理和相應(yīng)的控制，但由于其頻率響應(yīng)差,頻率小、準(zhǔn)確性、非機(jī)械的安裝、汽車運(yùn)動也影響其振動accuracy.安裝、汽車運(yùn)動也會影響振動模型具有較

14、高的精度。選項2:加速度計,加速度傳感器是一種單軸加速度測量系統(tǒng)。表面上的表面水平傳感器可以設(shè)定為平衡輸出值的go加速度計的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)值g的價值觀相比平衡可轉(zhuǎn)化為水平的傾向。之后,通過分析單片機(jī)集成控制的汽車運(yùn)動的方向。由于該傳感器能滿足精度要求高，容易安裝，并在傾斜的測量水平較高，因此,我們使用選擇2。方案二：單軸傾角傳感器SCA60C。該集成芯片為專用的水平傾角測量芯片其體積小，靈敏度高，簡單、可靠的工作性能等優(yōu)點(diǎn)，可高度滿足該題對平衡度角的精確要求。可利用感應(yīng)重力加速度在某一方向的分量來完成角度的測量。其測量范圍為1g(-90+90。),具有抗沖擊能力強(qiáng)，能耗低，精度高等特點(diǎn),并且其外圍電

15、路十分簡單。(http:方案二采用SCA100T-D02傾角傳感器。傾角傳感器乂稱水平儀、傾角儀，通常用來測量物體與水平面或是豎直面之間的夾角。對于電動車蹺蹺板控制系統(tǒng)而言，角度傳感器的選擇主要考慮精度、測量范圍、安裝。一般磁敏式角度傳感器和傾角傳感器都能達(dá)到12位，即0.001度的精度,磁敏式角度傳感器測量范圍可以達(dá)到0度-360度,而傾角傳感器在精度范圍內(nèi)也能達(dá)到20度土30度,均能滿足精度及測范圍的要求,但磁敏式角度傳感器必須安裝在蹺蹺板轉(zhuǎn)軸處，安裝不便。此外,考慮傳感器信號必須傳輸?shù)叫≤嚿咸幚?無論是從簡化硬件還是從控制的便利與精度考慮,都不適合用磁敏式角度傳感器。而傾角傳感器可以直接

16、水平安裝在車模底盤上，故確定選傾角傳感器。通過比較選擇，我們最終選擇了12腳貼片封裝的芬蘭VTITechnologies公司生產(chǎn)的雙軸(X/Y軸)軸而精度傾角傳感器SCA100T-D02o方案二:采用霍爾元件集成片和無線發(fā)射模塊。把磁鐵放在蹺蹺板的一端,而將霍爾集成片安裝在固定軸上，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，可以產(chǎn)生電流的變化,然后通過無線電把信號發(fā)送給小車上的接收模塊,單片機(jī)根據(jù)接收到的信號來控制小車的前進(jìn)或后退，以達(dá)到平衡的目的方案三:采用水銀水平開關(guān)來控制。該系統(tǒng)中，在小車上裝一對水銀開關(guān),位置如圖4所示。小車上坡時開關(guān)2接通開關(guān)1斷開P2.0,P2.1輸出10信號，小車前進(jìn)。小

17、車下坡時開關(guān)1接通開關(guān)2斷開P2.0,P2.1輸出01信號，小車后退,從而使小車在平衡處附近來回運(yùn)動，達(dá)到動態(tài)平衡。缺點(diǎn)：其內(nèi)部是由兩根導(dǎo)線組合而成，只要當(dāng)水銀流動到導(dǎo)線的兩端即水銀把兩根導(dǎo)線短接在一起。但當(dāng)蹺蹺板平衡時，有可能水銀開關(guān)還未閉合，可靠性不高。方案：ADC0809CCNU?Component_ 1GXD71 82 73 64 5o 1 2 3 J 5 6 7ININININININININ21 P208P24 7TP25 TP26 1Tp27 CLOCKEOCSTARTOUTPUT ENABLE KEF(+)ADDAVREFG)ADDS ADD CVCCALEGNDJ P365V

18、1216VCCii T13GXDADC0809CCX循跡模塊方案：尋跡采用RG149A光電對管。RG149A通過檢測反射信號的不同來區(qū)分黑白，信號經(jīng)LM324整形后傳輸給控制器。LM324需外接一個滑動變阻器，以找到合適的阻值，使得輸出高低電平信號能被正確識別。經(jīng)過反復(fù)試驗，尋線效果良好，在直線和彎道都能很準(zhǔn)確地實現(xiàn)尋線，而且該管市面上容易購得。紅外對管，它測量距離近，但反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確。相比光電傳感器而言，其體積較小，價格低,安裝較容易.集成式紅外探頭E3F-DS30C4采用集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測器,它具有集成度高、工作性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，只須調(diào)節(jié)探頭上的一個旋鈕即可以控制探頭的靈敏度。此種探頭還能有效地防止普通光源（如日光燈等）的干擾。方案：采用光電傳感器進(jìn)行循跡。利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在電動車行駛過程中紅外發(fā)射管不間斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在電動車上的接收管接收，電平拉低：如果遇到黑