电动车跷跷板设计几种方案汇总与对比.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电动车跷跷板设计几种方案汇总与对比.精品文档.电动车跷跷板系统方案设计、比较与论证实现方法：根据题目的基本要求，设计任务主要完成电动车在规定时间内自由行走并能具有保持平衡功能，同时对行程中的有关数据进行处理显示。根据设计任务及要求，采用单片机作为核心控制器。在白色跷跷板上铺设黑色引导线，在小车的前后各循迹线探测模块。为完成相应功能，系统可以划分为以下几个基本模块：电动机驱动模块、寻迹线探测模块、平衡状态检测模块、信息显示模块、语音模块。循迹线探测平衡状态探测电动机驱动信息显示单片机 控制模块电源模块 7805稳压管控制模块主控芯片的选择方案： 采用 89C52单片机方案： 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，但是功能单一，并且51 单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。如果系统需要增加语音播报功能，还需外接语音芯片，实现较为复杂；而且本项目触及到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： 使用89S51单片机。价格便宜、程序资源丰富，控制简单,技术比较成熟，但运算速度慢、片内资源少、存储器容量小, 难以存储大体积程序和实现复杂的算法。不能直接进行数据采集，接口电路比较复杂。方案： 使用AT89S52 单片机，AT89S52 单片机采用CHMOS 工艺及高密度、非易失性存储技术制造,内部包括1 个8 位CPU ,1 个片内振荡器及时钟电路,3 个16 位定时计数器,4 个8 位并行I/ O 口, 8 个中断源,1 个可编程全双工串行口,8 kB可插除FLASH 和256 B 的RAM ,且内置看门狗电路,一旦程序跑飞则复位系统2 。因此,设计中采用8 位A T89S52 单片机负责系统的控制与协调工作,同时它还不断处理红外对管传感器送来的地面标志信号,这些信号主要控制小车的加速、减速、限速、刹车、倒车等状态。此外,在系统设计中当利用片内的定时器作为小车行驶计时,并为L ED 驱动集成电路提供时钟和数据。方案： 采用凌阳16位单片机SPCE061A（30.21）作为控制的核心。SPCE061A该单片机I/O资源丰富，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。芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度。(40元)方案： 单芯片CC2430（36.9元），高性能和低功耗的8051微控制器内核，编程的通用性，集成度射频收发机实现无线通信，芯片。 Large capacity FLASH and RAM, integrated 14-bit analog-digital conversion ADC, 1 16-bit timer and two 8-bit timer.大容量FLASH和RAM，集成的14位模拟数字转换ADC，1个16位定时器和两个8位定时器。（36元）However, taking into account the need for ADC design, tiffany deutschland , and high processing speed, it is difficult to achieve with the microcontroller.方案： 使用Silabs公司C8051F系列单片机。C8051F单片机使用Silabs公司的专利CIP-51微控制器内核, 是标准的混合信号片上系统（SOC）, 除具有标准的8051数字外设外, 片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件、其他数字外设及功能部件, 如电压比较器PAC、ADC、DAC、SPI、SMBus（I2C）、UART等, 特别方便进行数据的实时采集与控制。在C8051F系列中单片机中, 通过性能及成本比较, 我们选择了C8051F020。（30元）方案： 采用Microchip公司的PIC16F877单片机。运行速度快、采用RISC精简指令技术，低工作电压，低功耗，I/O口有较大的驱动能力，具有丰富的借口资源，配置了3个功能较强的多功能定时器模块，嵌入看门狗定时器，具有很强的抗干扰能力，同时还具有8路10位AD转换器同步串，体积小，在线调试能力强。（22元）电机驱动模块方案： 采用L293D驱动电机（5.28元）。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。方案： 采用型号42BYGH的步进电机（50元）控制小车的运动，最小步进角为0.9度，因此能实现小车的精确控制，而且当不给步进电机发送脉冲的时候，能实现自锁，从而能较好的实现小车及时停车的目的。方案: 采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通过控制脉冲个数控制角位移量,通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。由于步进电机能够较好地满足系统要求,因此选择此方案。系统中采用常州宝来电器有限公司生产的42BYGH023（40元） 型步进电机,采用BL2210 （80元）驱动器3 驱动步进电机,其步距角可通过驱动器上的细分开关进行调整.方案： 采用直流电机，直流电机带有驱动电路及减速箱，减速箱的减速比为64：1。直流电机具有优良的调速特性,调速平滑方便,调整范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可以实现频繁的启动、制动、反转。但是制动、反转惯性大,精密度低,控制起来比较困难,很难达到近距离调速的目的。设计中使用L298B（8元）双全桥步进电机专用驱动芯片搭建了驱动电路，经过调试车速可以分级控制。方案： 根据题目中小车行驶全程的时间要求，可知小车的行驶速度很慢，普通的电机很难满足此速度要求，而直流减速电机可以满足此要求，并且其具有很大的转动力矩，不会在倾斜面出现堵转情况。缺点：采用直流减速电机控制小车的运动，转动速度快，但其制动能力差,无法达到小车及时停车的要求。驱动模块方面：采用专用驱动芯片。该芯片集成度高，占用空间小，主要应用于电机调速场合。该驱动电路中的J1接电机，MOT1和MOT2接高低电平来控制电机的正反转，进而控制电机的前进和后退以及左右转向。方案二用单片机控制步进电机。选用集成步进电机控制芯片和双全桥驱动芯片组成两相步进电初驱动电路,由于控告嘴号为数字信号, 不需要进行数/模转换具有快速启/停性能, 由于步进电机是采用脉冲驱动, 每输人一个脉冲电机转子转动一定角度, 脉冲输人频率的高低对应于电机转子的转速, 而且通过驱动电路, 电动车行驶速度很容易控制, 单位时间内前进的距离也很容易测算。利用步进机的准确定长步进性能方便地实现调速和转向，可以准确的测量速度、路程以及时间，简化变成和硬件连接的工作量。但步进机的转矩较小，不能满足爬坡的要求。方案三：采用互补硅功率达林顿管ULN2003（0.7元、）实现步进电机的驱动。采用该方法实现步进电机的驱动，电路连接比较简单，工作也相对可靠，成本低廉，技术成熟。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机28BYJ48型四相八拍电机（6.90元），电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）平衡检测模块方案二：采用Accu Star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。 角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们需要利用角度传感器来测量跷跷板水平方向倾角，当倾角在某个范围之内的时候即可认为跷跷板达到平衡状态。由于跷跷板最大倾角为5度左右，角度变化范围较小，因此要求角度传感器精度高，频率快。目前市场上适合的传感器主要有以下两种。方案一：采用深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001角度传感器，0360度测量范围，但是安装非常不方便，而且电压输出信号，采集不便。 方案二：采用上海直川科技有限公司生产的ZCT245AL-TTL倾角传感器，测量范围4545度，精度0.1度，输出频率10次/s，485信号输出。 在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素,我们选择了方案二。  使用无触点磁敏电位器自制重锤角度传感器。在电位器上加一重锤，通过重锤的摆动角度带来电位器角度的变化，以实现对角度的测量。该角度传感器安装在电动车上，当跷跷板处在非平衡状态时，车体的倾斜角度反映在重锤的转角上，再通过AD转换将角度信号采集到处理器中进行相关的处理。在本设计中，有三个关键角度值，即跷跷板上平衡区间的两端点角度值和平衡区间中的实际中点值。小车在自动找平衡时，是根据平衡区间的端点值判断自己是否处于平衡区，是则调用平衡区功能函数进行工作，直到最终找到真正平衡点。经过多次试验论证，小车能够快速准确地寻找到平衡点。选项1:磁性电位器、非接触式角度传感器集成磁传感器,利用磁性元件到非接触感应磁场强度的变化,实现了测角精度。在决定其输出电压的平衡和电压水平相比,当那辆汽车的价值,以确定平面之间的角度,以微处理器为处理和相应的控制,但由于其频率响应差,频率小、准确性、非机械的安装、汽车运动也影响其振动accuracy.安装、汽车运动也会影响振动模型具有较高的精度。选项2:加速度计,加速度传感器是一种单轴加速度测量系统。表面上的表面水平传感器可以设定为平衡输出值的g。加速度计的旋转,产值g的价值观相比平衡可转化为水平的倾向。之后,通过分析单片机集成控制的汽车运动的方向。由于该传感器能满足精度要求高,容易安装， 并在倾斜的测量水平较高，因此,我们使用选择2。方案二： 单轴倾角传感器SCA60C。该集成芯片为专用的水平倾角测量芯片，其体积小，灵敏度高，简单、可靠的工作性能等优点，可高度满足该题对平衡度角的精确要求。可利用感应重力加速度在某一方向的分量来完成角度的测量。其测量范围为1g（-90°+90°），具有抗冲击能力强，能耗低，精度高等特点，并且其外围电路十分简单。（方案二采用SCA100T-D02倾角传感器。倾角传感器又称水平仪、倾角仪, 通常用来测量物体与水平面或是竖直面之间的夹角。对于电动车跷跷板控制系统而言, 角度传感器的选择主要考虑精度、测量范围、安装。一般磁敏式角度传感器和倾角传感器都能达到12位, 即0.001度的精度,磁敏式角度传感器测量范围可以达到0度-360度, 而倾角传感器在精度范围内也能达到±20度±30度, 均能满足精度及测范围的要求, 但磁敏式角度传感器必须安装在跷跷板转轴处,安装不便。此外, 考虑传感器信号必须传输到小车上处理, 无论是从简化硬件还是从控制的便利与精度考虑, 都不适合用磁敏式角度传感器。而倾角传感器可以直接水平安装在车模底盘上, 故确定选倾角传感器。通过比较选择,我们最终选择了12脚贴片封装的芬兰VTI Technologies公司生产的双轴（X/Y轴）轴高精度倾角传感器SCA100T-D02。方案二:采用霍尔元件集成片和无线发射模块。把磁铁放在跷跷板的一端,而将霍尔集成片安装在固定轴上,当磁铁正对金属板时,由于霍尔效应,可以产生电流的变化,然后通过无线电把信号发送给小车上的接收模块,单片机根据接收到的信号来控制小车的前进或后退,以达到平衡的目的方案三:采用水银水平开关来控制。该系统中,在小车上装一对水银开关,位置如图4 所示。小车上坡时开关2 接通开关1 断开P2. 0 ,P2. 1 输出10 信号,小车前进。小车下坡时开关1 接通开关2 断开P2. 0 , P2. 1输出01 信号,小车后退,从而使小车在平衡处附近来回运动,达到动态平衡。缺点：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：ADC0809CCN循迹模块方案：寻迹采用RG149A光电对管。RG149A通过检测反射信号的不同来区分黑白，信号经LM324整形后传输给控制器。LM324需外接一个滑动变阻器，以找到合适的阻值，使得输出高低电平信号能被正确识别。经过反复试验，寻线效果良好，在直线和弯道都能很准确地实现寻线，而且该管市面上容易购得。红外对管，它测量距离近，但反应灵敏、准确。相比光电传感器而言,其体积较小,价格低,安装较容易. 集成式红外探头E3FDS30C4采用集成断续式光电开关探测器，它具有集成度高、工作性能可靠的优点，只须调节探头上的一个旋钮即可以控制探头的灵敏度。此种探头还能有效地防止普通光源（如日光灯等）的干扰。方案：采用光电传感器进行循迹。利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在电动车行驶过程中红外发射管不间断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动车上的接收管接收，电平拉低；如果遇到黑线则红外光被吸收，接收管接收不到红外光，电平拉高。通过比较器处理，当传感器检测到黑线，比较器输出高电平，检测到白线输出低电平，再通过单片机来判断小车是否跑出引导线，如果跑出就复位。光电传感器采用TCRT5000。车前端加5个传感器，后端加2个传感器显示模块方案二：采用LCD进行显示。LCD具有功耗低、无辐射、显示稳定、抗干扰能力强等特点，而且可以显示汉字。方案二：采用金鹏电子的图形点阵式液晶OCJM4*8C。串行接口，显示简单。考虑到本题的要求，只需要一片LCD就可以实现。该系统设计采用凌阳公司生产的64×128液晶显示屏模块，该模块自带液晶显示驱动，只需在程序中建立相应字库即可实现显示。因为在显示模块上的工作可以近似认为是一种实时性的，并且数据量大，这就需要在软件的编写上进行合理的安排，以使CPU及时响应和协调各功能子模块的正常工作。方案1：采用数码管显示。数码管具有对外界环境要求低，可视性好，程序编译容易。考虑到数码管资源占用较多，使用串并转换芯片74LS164（TTL单向8位一位寄存器，可实现串行输入，并行输入），用PIC16F877的REO口作为数据输出线，RE1口作为移位时钟脉冲。用数码管显示已满足本产品的设计要求，且数码管显示亮度高，远程观测也比较醒目。方案二:采用L ED 数码显示器。L ED 数码管亮度高,醒目。原理简单易于控制。由于显示模块只是用来显示时间,都为一些数字,这就使数码管的使用变成了可能。