全国电子设计大赛论文模板 跷跷板.docx
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全国电子设计大赛论文模板跷跷板
F题电动车跷跷板
摘要:
本设计采用两片STC89C52单片机作为电动车的检测和控制核心,实现电动车在跷跷板上行驶、平衡,选择正确的行进路线、倒退等功能。
电路分为路面检测模块,平衡控制模块,电机驱动模块,显示模块,速度方向控制模块等几部
分。
路面检测模块采用反射式红外发射-接收器来检测黑线;平衡控制模块采用角度传感器;电机驱动模块通过单片机输出相应控制信号,灵活方便地对车速进行控制;转向控制模块通过两个步进电机的转速差实现小车的转向。
步进电机控制核心采用STC89C52单片机,与主系统之间通过串行通信来实现同步控制。
采用稳定且独特的软件算法,实现了对小车在行进过程中的运动位置、速度、运动方向和运动时间等的精确控制。
关键词:
智能控制电动车跷跷板步进电机平衡控制光电检测
一、系统方案论证
1.1题目解析
根据题目要求,系统可以划分为控制部分和信号检测部分。
其中控制部分包括:
电机驱动模块,显示模块,控制器模块,计时和状态标志模块。
信号检测部分包括:
平衡控制模块,路面检测模块。
电机驱动模块可以选择集成电机驱动芯片L298N,显示模块可以选择液晶或者数码管,平衡控制模块可以选择角度传感器,路面检测模块可以选择光电传感器。
1.2各种方案比较与选择
方案一:
方案一系统方框图如图1所示。
图1系统方框图方案一
采用ATMEL公司的AT89S52作为核心控制器,传感器输出的信号通过单片机的处理,实现液晶显示,电机驱动电路采用PWM技术控制直流电机的速度和转向。
但迫于其MCU功能和速度有限,没有足够的剩余资源用来做进一步的开发。
再者,虽然直流电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广,但精度不高,快速启动性能较差;根据题目要求,要使电动车爬上跷跷板,需使电动车具有快速启动性能,若采用直流电机则很难达到题目要求。
方案二:
方案二系统方框图如图2所示。
图2系统方框图方案二
采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器。
采用左右双步进电机控制两边的后轮,用左右电机的转速差来控制转向。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真、调试,易于进行功能扩展。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA,FPGA通过程序设计控制小车做出相应的动作,但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分的体现,并且由于其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路图布线复杂,加重了电路设计和实际焊接工作。
方案三:
方案三系统方框图如图3所示。
图3系统方框图方案三
本方案基于模块化思想,采用两片STC89C52单片机作为小车的控制核心,一片STC89C52单片机控制两个电机,另一片STC89C52单片机用于其余的控制。
两片单片机之间通过串行通信来实现同步控制。
采用左右双步进电机控制两边的后轮,用左右电机的转速差来控制转向。
各传感器信号经单片机综合分析处理,同时显示行驶阶段和时间。
本方案中所采用的MCU——STC89C52是宏晶推出的性价比极高的单片机,具有8K以上的大容量ROM可供程序编写,这极大方便了液晶这样需要大容量信息存储的硬件的使用。
而且这款基于MCS-51内核的单片机支持ISP下载,在工作时可以不分频,速度是加同样晶振的普通51的12倍,况且这种单片机的功耗又很低,能够满足题目要求。
对比以上三种方案,第一种方案在MCU上性能不足,很难达到预期的设计要求。
而第二种方案在控制和设计上难度较大。
综合比较后,我们决定采用第三种方案。
二、系统硬件设计
2.1系统总体设计
经过仔细分析和论证,决定系统各模块的最终方案如下:
(1)控制器模块:
采用两片STC89C52单片机控制;
(2)平衡控制模块:
采用角度传感器;
(3)路面检测模块:
采用光电传感器;
(4)方向控制模块:
采用两个步进电机;
(5)电机驱动模块:
采用集成电机驱动芯片L298N;
(6)计时显示模块:
采用液晶显示器;
设计完毕的整体系统结构图如图4所示。
图4整体系统结构图
2.2主要单元电路的设计
2.1.1微控制器模块的设计
我们利用自己制作的STC89C52单片机最小系统板作为控制模块。
STC89C52单片机最小系统板原理图见附录。
2.2.2电机驱动电路的设计
电机驱动电路控制安装在左右后轮的两个步进电机,实现智能小车的前进后退和转向。
驱动电路原理图见附录。
考虑到电压、电流的等级尺寸、外观等因素,采用L298N构成的电机驱动电路。
L298N驱动芯片是性能优越的小型电机驱动芯片之一,是一种高压,大电流双全桥式驱动器,其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的,例如继电器,圆筒形线圈,直流电动机和步进电动机。
在4—4.6V的电压下,可以提供2A的驱动电流。
L298N芯片具有两抑制输入来使器件不受输入信号的影响。
每个桥的三极管的射极是连接在一起的,相应的外接线端可用来连接外设传感电阻。
可安置另一输入电源,使逻辑能在低电压下工作。
L298N还有过热自动关断功能,并有反馈电流检测功能,符合电机驱动的需要。
L298N原理方框图如图6所示。
图6L298N原理方框图
电路的控制逻辑如表2所示。
表2电路的控制逻辑
输入
功能
Ven=1
C=1,D=0
正转
C=0,D=1
反转
C=D
快停
Ven=0
C,D任意
自由停止
只要通过控制电路对C、D两个输入端输入TTL电平的0或1即可控制电机的正转、反转及停止。
当向C、D两端输入同样电平时,可实现电机的快速停止。
2.2.3路面检测电路的设计
根据题目,小车在起始端300mm以外,90°扇形区域内某一指定位置自动驶上跷跷板,要求小车根据路面自动调整方向,回到跷跷板的运动轨迹上,系统需要将车体的运动状态及时地以电信号的形式反馈到控制部分,控制部分控制两个电机的速度、正转或反转。
本设计中总共使用三个集成的反射式光电传感器TCRT5000装在车体的前方。
反射式光电传感器电路原理图如图7所示。
图7反射式光电传感器电路原理图
2.2.4平衡控制电路的设计
本设计中采用角度传感器WYH-1判断电动车在跷跷板上所处的位置,WYH-1角度传感器采用新型磁敏感元件,将机械转动或角位移转化为电信号输出,可无电触点的测量转动角度的变化,输出模拟电压信号。
与线绕式、金属膜式、导电膜式结构相比,具有特点无触点、高灵敏度、极长寿命、高可靠性、360°连续转动等特点。
基本指标如表3所示。
表3角度传感器WYH-1基本指标
型号
工作电压
线性量程
灵敏度
温度系数
分辨率
WYH-1
DC3.3V~8V
±45°
40mV/1°
±0.01°/℃
连续
输出特性曲线如图8所示。
图8输出特性曲线
三、系统软件设计
3.1主程序流程图
主程序流程图如图9所示。
图9主程序流程图
四、系统功能测试
4.1测试仪器及设备
测试仪器及设备如表4所示。
表4测试仪器及设备
仪器名称
型号
数量
直流稳压电源
DF1731SL3A
1
双踪示波器
DS5022M
1
电脑
——
3
万用表
UT803
2
卷尺
1
秒表
1
4.2功能测试
4.2.1基本功能测试
我们在硬件和软件部分制作完成后,对系统进行了测试,共进行8次,所得数据如表5。
表5电动车跷跷板测试数据记录(基本部分)
测试次数
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
驶到中心点时间(s)
8
9
8
8
9
8
9
8
达到平衡时间(s)
50
51
52
50
53
51
52
53
测试结果
成功
成功
成功
成功
成功
成功
成功
成功
成功率接近100%,数码管显示正常,整体性能非常稳定,没有出现越界现象。
4.2.2发挥功能及其他功能测试
我们在完成基本部分后,又完成了发挥部分的要求,电动车能够自动驶上跷跷板,并在跷跷板上取得平衡。
测试8次,所得数据如表6。
表6电动车跷跷板测试数据记录(发挥部分)
测试次数
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
是否达到平衡
是
是
是
是
是
是
是
是
平衡保持时间(s)
5
6
8
6
5
8
6
8
测试结果
成功
成功
成功
成功
成功
成功
成功
成功
成功率接近100%,数码管显示正常,整体性能非常稳定,没有出现越界现
象。
五、结论
经过对系统的光电检测部分、驱动电路、角度传感器等的测试,本设计能够达到设计制作的要求。
附录1总电路原理图
微控制器模块原理图
电机驱动电路原理图
附录2印刷电路板图
最小系统板PCB图
附录3配件表
最小系统板元件列表
名称
规格
封装
数量
MCU
STC89C52
DIP40
1
芯片
74HC573
DIP20
1
发光二级管
黄、绿
E0805
11
数模转换器
DAC0832
DIP20
1
模数转换器
ADC0832
DIP20
1
芯片
MAX232
DIP16
1
串口
DB9
DB9SLE
1
按键
浮动
KEY-4
11
电位器
10K
——
2
电位器
2K
——
1
电阻
1K
AXIAL-0.4
5
电阻
10K
AXIAL-0.4
4
晶振
12MHz
——
1
瓷片电容
30p
0805
3
瓷片电容
104
0805
6
电解电容
10uF/16V
CAPJ
2
排针
——
——
若干
电机驱动电路元件列表
规格
封装
数量
MCU
STC89C52
DIP40
1
芯片
L298N
DIP15
2
稳压芯片
78L05
BCY-W3/E4
1
稳压二极管
IN4007
BAT-2
16
电阻
200Ω
AXIAL-0.4
2
瓷片电容
33p
CAPR2.54-5.1x3.2
3
电解电容
10uF/25V
CAPPR2-5x6.8
1
排阻
10kΩ
HDR1X9
1
晶振
24MHz
DIP2
1
散热片
——
——
1
排针
——
——
若干
光电传感器电路元件列表
规格
封装
数量
光电传感器
TCRT5000
——
3
电位器
202
VR5
3
电阻
10kΩ
AXIAL-0.4
3
排针
——
——
若干
目录
一、系统方案论证2
1.1题目解析2
1.2各种方案比较与选择2
二、系统硬件设计4
2.1系统总体设计4
2.2主要单元电路的设计4
2.1.1微控制器模块的设计4
2.2.2电机驱动电路的设计5
2.2.3路面检测电路的设计5
2.2.4平衡控制电路的设计6
三、系统软件设计7
3.1主程序流程图7
四、系统功能测试7
4.1测试仪器及设备7
4.2功能测试8
4.2.1基本功能测试8
4.2.2发挥功能及其他功能测试8
五、结论8
六、致谢………………………………………………………………………………8
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