首页资源分类嵌入式开发单片机 > 2007年全国大学生电子设计大赛一等奖:电动车跷跷板

2007年全国大学生电子设计大赛一等奖:电动车跷跷板

已有 458949个资源

下载专区


TI最新应用解决方案

工业电子 汽车电子 个人消费电子

文档信息举报收藏

标    签: 国赛电动车跷跷板

分    享:

文档简介

2007年全国大学生电子设计大赛一等奖:电动车跷跷板报告,附带源代码

文档预览

2007年全 国大学生电子设计大赛一等奖  电 动 车 跷 跷 板  一 、 系统 方案  1.实现 方 法  考虑 到稳定性 和爬坡 能力 ,我们 选择玩具坦克作  为小车的主体。车前安装红外光 电开关以接收引导信  号 ,安装 红外 反射对管用 以在跷跷板上寻迹前进 。角度  传感器 安装 在坦克底盘 的中心平 面上用以检测跷跷板  的状态 。车 的后部安装 了以 CH451驱 动的 8位数码管  来显示坦克的行驶路程 和时间。对双电机 的驱动我们  使 用 了专用芯 片 L298N,保证了驱动 的可 靠性和精确  性 。微控制器采用凌 阳单片机 。电源部分采用 7.2V大功  率 镉镍 电池组 ,经 LM7806稳压 后 为双 电机供 电 ,经  LM7805稳压后为单 片机和其它模块供电。无线 收发模  块 用以向远处 的监视平 台实 时发送 小车与跷跷板 的状  态信息 。系统方框如图 1所示 。  甲  山东大学  ◎王 鹏 胡德波 石耀 良  指 导教 师  ◎姚 福 安 万 鹏   LCD 液晶显示 的字模数据存储 。采用 SPCE061A 单片  机 ,能将相 当一部分外 围器 件结合 到一起 ,使用 方便 ,  抗干扰性能提高 。  (2)车架 的选择与设 计  赛题对 车速要求不 高 ,而对稳定性 、精确度 、平 衡  能力及爬坡能力要求 较高 。玩具坦克兼具 以上各项优  势 ,故此选作小车底盘。为了方便 各个模块 的安装将原  车的炮 塔拆 去、只保 留底 盘和电机 。为了测量行驶里程  的方便 ,在坦克一侧的主动轮上 均匀粘贴 四片小磁钢 ,  通过单片机对霍尔开关 输 出脉 冲的计数完成 对路 程的  精确测 量。  (3)电源 的 选 择 与设 计   本系统要求 6V和 5V两种 电压供 电 ,故选用 7.2V  大功率镉镍 电池组 ,经 由 LM7805及 LM7806输 出 5V  和 6V电压 、分别 为 电机 和单 片机供 电 ,实现 了控 制电  路 电源和 电动机 电源 隔离 ,避免 了由单电源供 电时 、电  机起 停 产生 的大 电流对 单 片机 和其 它模块 的影 响 。  如 图 2所示 。  U1  LM7805CT  6V  图 1  2.方 案 论 证 与 设计   (1)微控 制器 的选择  采 用 凌 阳 16 位 单 片 机 SPCEO61A 进 行 控 制 。  SPCEO61A内部集成 7路 10位 ADC 和 2通道 10位  DAC,可 以直接用 于电压测量时 的数 据采 集 ,以及数字  控制输 出及语音输 出;I/O 口资源丰 富 ,可 以直接完成  对键盘输入和显示输 出的控制 ;存储空 间大 ,能配合  2  图 2  (4)电机及其驱动芯片的选择 与设计  本车采用原 车 自带 的双直 流减 速电机 ,仅需 6V即  能可靠 工作 。电机 的驱动选用专用驱动芯片 L298N,该  芯片可分别独立控制 两路 电机 的起停 和转 向,保证两  路 电机参数 的对称 ,有利于保持坦 克行 驶的稳定性 和  精确性 ,也降低 了电路的设计难度。电机驱动电路如图3  40 ·电子制作 2008年第 12期  竞赛 园地  块 电路 如图 4所示 。CH451的 SEG0~  SEG7分 别 控 制 数 码 管 的 8个 段 ,  DIG0~DIG7用 于选 通各个数码 管进行  动态显示 。单片机仅用三个端 口即可完  成 8位数字 的动态显示 。而对于监视平  台我们选择 点阵式液 晶显 示器 ,与数码  管 比较其 优势 在于 :显 示 内容 更加 丰  富 ,人机 界 面更加 友好 ,监视人 员 易于  取得信息 。  (6)引导 和寻迹模 块的选择 与设 计  为引导小 车准确 驶上跷跷板 ,我们  在跷 跷板 的一端 安装 一 只具有 广角 发  射能力 的红外发 射器 ,在小车 的前 端安  装一 只红外 反射 开关 的 接收管 以接 收  广角红外发射器发出 的引导信号 。在车  图 3  所示 。用单 片机 的五个端 口给 出 PWM信号和控制信号  即可实现直行 、转弯 、加减速 、后退等动作 。  (5)显示模 块的选择 与设计  根据赛 题要 求 ,只需显示小 车在跷跷板 上行驶 的  时间和距 离 ,显 示 内容较少且 均为数字 ,故选 用了相对  于点 阵式液 晶显示器 造价低很 多的数码管 。其中五位  用 以显示路程 ,余下 的三位用来显示行驶时 间。八位数  码管采用专用键盘 显示 管理 芯片 CH45 1驱动。显示模  的前端 底部 安装 红外 反射 对管 以检 测  跷跷板上的黑色轨迹 以循迹前进。在车  的后端也安装有红外反射对管 以用 于倒 车时 的寻迹 。  图 5为引导小车驶上跷 跷板所用 引导 电路 。大功  率红外 发射管发 出的红外光 可以保证小 车前端 的光 电  开关在 30cm以外准确地接收到。一旦 光电开关 接收到  红外信号便在其输 出端输 出高 电平 ,使三极 管导通驱动  蜂鸣器 发出声 响。同时单片机 通过采样光 电开关 的电  平便可得知光 电开关 的状态 、再控制电机做出相应的动  图 4  2008年第 12期 电子翻作 · 41  VCC  接通过 RS一485总线输 出两轴与水平面之间的夹角。将  角度传感器 固定在车底盘 的水平 面上 ,使其 x轴与 车  的宽度方向平行 ,Y轴与车 的长度方向即车的前进方 向  平行 。这样 ,当车爬坡时 Y轴输 出正 的角度 ,x轴输 出  O;下坡时 Y轴输 出负角度 ,x轴输出 0。单 片机通过检  测 Y轴 输 出角度 即可 获知小 车 的位置 和跷 跷板 的状  态 ,然 后控制 小 车 的进 退 以保 持跷 跷板 的平 衡 。其  RS一485通信电路如 图 7所示 :角度传感器的输 出经 由  转换器 MAX485转换 为标准 电平后 与单 片机进行 串行  通信 ,实时读 出小车的倾斜状态并 由此控制小车的动  作 以控制跷跷板的倾 角。  图 5  一  作 ,使小车沿着红外 光引导 的方 向前进并 准确驶上跷  跷板 ,继续在跷跷板上寻迹前进。  沿跷跷板 的中间线铺设一条 黑胶 带 ,由于黑胶带  与其两旁 的木板对 红外线的反射率相 差很大 ,故安装  在车前端 的反射式 红外传感器在检测 到黑胶带 和木 板  表面时输 出高低 不同的 电压 。这些 电压信号通过凌 阳  单片机 自身集成的 7通道 10位模一 数转换 器 fADC)进  入控制器与事先设定 的临界值 比较 ,把电压转换为 高  低电平 。再通过一定的控制算 法区分黑胶带 和木板 ,使  小车沿黑胶 带前进 和倒退 ,其电路图如图 6所示 。  MAX485  角 度 传 感 器 电 路  图 7  .  (8)无线 收发模块 的选择与设计  作 为即兴发挥 ,我们为系统增加 了与另一单片机  无 线通 信 的功能 ,该 功能 的实 现赖 于 无线 收发 模块  PT2262/2272。其中 PT2262将 载波振荡器 、编码器 、发射  单元集成于一体 ,使发射 电路变得非常简洁。接收芯片  Irr2272L4是非锁存型 4位数据输 出 ,有 8位地址编码 ,  有效地 防止 了各个无线模块 之间的相互干扰 。在我们  的设计 中小车 上的单 片机通过 gi2262向监 视单片 机  实时发送诸 如“启动 ”、“停 止”、“平衡 ”等 状态信 息 ,监  视 单片机 通过 tr1"2272接收这些 信息并 通过 液晶屏显  图 6  (7)角度传感器 的选择与设计  为 了控制小车 在跷跷板 上的进退和停止 ,必须 对  跷跷板与水平 面之间的角度进行 测量 。我们选用 双轴  倾角传感器 ZCT245AL-485来测量 角度 ,其测角范围为  一 45。 到 +45。 ,输 出采 用 半 双 工 通 信 方 式 并 采 用  RS485通信 协议 ,具有零点设置 、波特率调整等功能。其  分辨率为 0.1。 ,重复性好 ,工作电压为 5V,非 常适合 本  示 和喇叭发 声将信息传递 给选 手 ,使选手可 以对小 车  和跷跷板 的状态进行远距离监视。  (9)跷 跷 板 的 设计   跷跷板是本赛题设计的关键 ,我们采用 高强度复  合板 主体加铝合金边框 的结构防止其变形 ,并 加装了  必要 的减震装置来增强其抗干扰能力 。  二 、理 论分 析与 计算  系统的要求。ZCT245AL一485普通型双轴倾角传感器直  1.理 论 计 算  42 ·电子嗣作 2008年第 12期  竞赛 园地  (1)平衡 时角度控制 范围的计算  机 。其 中四个端 口分 为两组去分 别控制两个 电机 的正  根据题 目要求 IdA—dBI ̄<40mm,故 在图 8中水平  反转和停转 ,使两侧 电机一正一 反转动 即可实现小 车  面 H与 跷跷板平 面之间 的夹角 D度数 的绝对 值 IDI≤  的左右转弯 ,此法 控制 的小 车转 弯能力极 强 ,可 以原地  arcsin(IdA~dBI/IABI)=1.432度。 由于 所用角度 传感器 能  转 过任意角度 ,使小 车的机动性能 大大 提高。其余一个  分辨的最小角度为 O.1度 ,故必须控制小车使角 D的度  端 口输 出 PWM信 号接在两 电机 在 L298N上所 对应 的  数小于 +1-4且大 于 一1.4。  使 能引脚 6和 9来控 制电机 的转 速。凌 阳单 片机可输  出 占空 比和频率均可调的 PWM信号 。其 占空 比从 1/16  到 14/16分为 14档 ,以此可方便地控 制电机转 速。  (2)跷跷板倾角 的控制  对跷跷 板倾角 的控 制我们 采用 闭环反 馈 的方 法 ,  图 8  当 D≥+1.4度时控制小 车前进 ,当 D≤一1.4度 时  控制小车后退 ,以此来调 节整个系统 的重心 ,恢复和保  持跷 跷板 的平衡 。  (2)路程 的计算  由于玩具坦克特殊 的结构 ,我们无法使 用传 统 的  光电码盘来测速 和计 程 。为此在坦 克 的一个 主动轮上  以满 足题 目对控 制精 度的高要 求。图 1O是闭环反馈的  示 意图 ,角度传感器 实时采样跷跷板 的倾 角 D送入 单  片机与预先设定值进行 比较得 出角度偏 差 E。单 片机 对  E经过 简单 的 PID控 制算法得 出对 电机动作 的适 当方  案 u,该方案通过小车作用于跷跷板 以使其倾角恢复 或  保 持 在 题 目要 求 的 范 围 内 ,即使 角 D满足 lDJ≤1.4  度 。  粘贴四片小磁钢 ,通 过图 9所示霍 尔传感器 对小磁钢  设定  角 度  进行检测 即可在其输 出端获得一列 脉冲 。单 片机 通过  对脉 冲计 数即可通过计 算得知路程 信息 。设 s表 示路  程 ,d表 示 主动 轮直 径 ,N为对 脉冲 的计 数值 ,则 有 :  S=百 Nd/4.  图 10  三 、程序 设计  一  图 9  2.控 制 方 法  (1)电机 的控制  根据表 1,可利用凌 阳单片机 的五个端 口来控制 电  表 1  L298N工 作表  输  入  Ven:1  C=1.D=0  C=0,D=I  C=D  Ven=0  C=X.D=X  电 机 状 态  正 转  反 转  停转  输入 无 效   1.软 件 设 计 思 想   针对本系统 中角 度传 感器采样 较慢 ,控制对象 跷  跷板惯性大 、滞后大 的特点 ,我们选用 了增量式按偏 差  的 比例 、积 分 、微 分进行控 制 ,即增 量式数字 PID控制 。  其算 式为 :  △u(kT)=Kp[e(1( —e O,T-T)]+Kie(kT)+Kd【e(kT)-2e  (kT-T)+e T一2  其 中 Kp、Ki、Kd分别表示 比例系数 、积分系数 和微  分系数 。该算 法无需累加 ,控制增量 的确定仅与最近三  次 的采样 值有关 ,较 容易通过加权 处理获得 比较好 的  控制效果 。  比例控 制 P是一种最 简单的控制规律 ,其控制作  用大小与偏差 的大小成正 比,调节迅速 。但对 于大多数  惯性环 节 ,Kp太大 会引起 自激 振荡并 且仅使 用 比例控  制无法 消除静差 。积 分控制可 以弥补单纯 比例控制 的  不足 ,消 除系统 的静 态误差 ,因为 只要存 在偏 差 ,积分  控制 的输 出总是用来减小 静态误差 ,直 到偏差为零 、积  2008年第 12期 电子镧作 ·43  竞  分作用才停止 。系统采用 比例积分控制即 PI控制可 以  消除静态误 差 ,但是 系统 的超调很 大 ,调节 时间很长 。  为改善 动态性能还必须引入微分校正 D,微分 的控制作  蠢  用与偏差的变化率有关 ,偏差变化率越 大其调节作用  荔越爹强 。微分 控制可以预测偏差 ,产生 超前的校正作用 ,  麓疆一麟  改善 系统 的动态性能 。结合上述三种控制方法 ,并通过  试验不 断地对相应参数做 出调整 ,最后 由此 编出的软  羹  件拥 有很 强的适应能力 ,对控制对象 的控 制相 当精确 、  快速 。  一— 豁  2.工 作 流 程 图  UART中断入 口  寄 存器组入栈保 护  臣  清中断标志  寄 存器组出栈  四、总结  经过 几 天 的努 力我 们顺 利 完成 了题 目要 求 的任  务。在这期间 ,我们遇到 的最大困难来 自角度传感器 的  使用和最后 的程序调试 。尤其是角 度传 感器 的调试耗  费 了大量时间 ,其原 因是我们对其使用方法太陌生。如  果一开 始就按 照使用 手册操 作 尚可 以节省 大量时 间。  一 定按标准 程序操作——这就是我们从 中汲取 的经验  教训 。除 了教训 以外 我们收获 的其 他财 富便是克服 困  难的 自信和勇气 ,它们会在将来我们 遇到更加棘手 的  评 委 点 评  任务时显 示其作用 。  该 参赛作品使 用履带式玩具 坦克 车为本体 ,具有较 强的攀爬越 障能 力,使用 凌 阳单 片机 ,使 系统开发调 试简  便 ;角度传感器 ZCT245AL反应敏捷 ,能为车体的定位提供精确 的角度参数 ,保证小车在翘翘板上尽快找到平衡 点;  系统采用无 线收发模块 PT2262/2272实现远程监控功 能,手持终端采用液 晶显示 ,简洁清晰。作 品综合演示效果 良  好 ,很 好的实现 了大赛题 目的所有技术指标 。  44 ·电子 翻作 2008年第 12期 

Top_arrow
回到顶部
EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。