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[導(dǎo)讀]1.引言本設(shè)計(jì)為參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽而作,較好地解決了電動(dòng)車在蹺蹺板上的運(yùn)行和控制問題,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,控制比較準(zhǔn)確。2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、比較與論證根據(jù)題目的基本要求,設(shè)計(jì)任務(wù)主要完成電動(dòng)車在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按規(guī)定

1.引言

本設(shè)計(jì)為參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽而作,較好地解決了電動(dòng)車在蹺蹺板上的運(yùn)行和控制問題,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,控制比較準(zhǔn)確。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、比較與論證

根據(jù)題目的基本要求,設(shè)計(jì)任務(wù)主要完成電動(dòng)車在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按規(guī)定路徑穩(wěn)定行駛,并能具有保持平衡功能,同時(shí)對(duì)行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。為完成相應(yīng)功能,系統(tǒng)可以劃分為以下幾個(gè)基本模塊:電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡線探測(cè)

模塊、平衡狀態(tài)檢測(cè)模塊、信息顯示模塊。見圖1

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1尋跡線探測(cè)模塊

探測(cè)路面黑色尋跡線的原理:光線照射到路面并反射,由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接受到反射光強(qiáng)弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機(jī)判斷是否到達(dá)黑線或偏離跑道。

方案一:由可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收電路,如圖2所示。該方案成本較低,易于制作,但其缺點(diǎn)在于周圍環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾,一旦外界光亮條件改變,很可能造成誤判和漏判;如果采用超高亮發(fā)光管和高靈敏度光敏管可以降低一定的干擾,但又將增加額外的功率損耗。

圖2 方案一電路

方案二:自制紅外探頭電路。此種方法簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,靈敏度可調(diào),但易受到周圍環(huán)境影響,特別是較強(qiáng)光照對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響,會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。再

加上時(shí)間有限,制作分立電路較繁瑣。

方案三:集成式紅外探頭??梢圆捎眉蓴嗬m(xù)式光電開關(guān)探測(cè)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(gè)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。紅外探測(cè)器E3F-DS30C4見圖3。

圖3 集成紅外探測(cè)頭

基于上述考慮,為了提高系統(tǒng)信號(hào)采集檢測(cè)的精度,我們采用方案三。

2.2平衡狀態(tài)檢測(cè)模塊

方案一:斷續(xù)式光電開關(guān)。在蹺蹺板兩頭的地面上各放置一個(gè),調(diào)節(jié)靈敏度使其在一定范圍內(nèi)接收不到反射光產(chǎn)生低電平,從而認(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài),由單片機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使蹺蹺板達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。然而此方案平衡控制不靈敏,難以調(diào)節(jié),還需用導(dǎo)線與單片機(jī)傳輸信號(hào),使小車失去獨(dú)立性。

方案二:采用角度傳感器。該集成芯片為專用的水平傾角測(cè)量芯片,具有體積小、靈敏度高、簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn),可高度滿足該題對(duì)平衡角度的精確要求。

經(jīng)過以上兩個(gè)方案比較,方案二明顯優(yōu)于方案一,故采用方案二。

2.3 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

根據(jù)題目中小車行駛?cè)痰臅r(shí)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,且具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,不會(huì)在傾斜面出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。故我們采用直流減速電機(jī)。

在選用驅(qū)動(dòng)模塊方面有以下兩種方案:一是采用專用驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合,但價(jià)格較高。二是采用晶體三極管驅(qū)動(dòng)電路。由于電動(dòng)車所要求的功能比較簡(jiǎn)單,用晶體三極管驅(qū)動(dòng)就可以了,故我們最后決定用第二種方案。

2.4 信息顯示模塊

若采用LED,缺點(diǎn)是占用單片機(jī)接口太多,顯示信息量少,需要循環(huán)顯示,占用太多程序資源。而采用LCD,只占用單片機(jī)6條I/O線,同時(shí)顯示信息量大,靈活多變顯示多種信息。因此,我們擬采用后者。

2.5 電源選擇

方案一:所有器件采用單一電源(5節(jié)五號(hào)電池)。這樣供電比較簡(jiǎn)單,但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大,會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電,使之不能完成預(yù)定行程。

方案二:雙電源供電。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用5節(jié)5號(hào)電池(大容量2.3Ah電池),單片機(jī)及其外圍電路電源采用另一組3節(jié)5號(hào)電池(大容量2.3Ah電池)供電,兩路電源完全分開,這樣做雖然不如單電源方便靈活,但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

我們認(rèn)為本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定可靠性更為重要,故擬采用方案二。

經(jīng)過一番仔細(xì)的論證比較,我們最終確定的電動(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)車蹺蹺板系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)分立模塊設(shè)計(jì)及工作原理

3.1尋跡線探測(cè)電路

采用型號(hào)為E3F-DS30C4集成斷續(xù)式光電開關(guān)探測(cè)器,該探頭輸出端只有三根線(電源線、地線、信號(hào)線),只要將信號(hào)線接在單片機(jī)的I/O口,然后不停地對(duì)該I/O口進(jìn)行掃描檢測(cè),當(dāng)其為高電平時(shí)則檢測(cè)到白紙,當(dāng)為低電平時(shí)則檢測(cè)到黑線區(qū)域。小車前進(jìn)(倒退)時(shí),始終保持黑線在車頭(車尾)兩個(gè)傳感器之間,當(dāng)小車偏離黑線時(shí),探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線,單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。當(dāng)小車回到了軌道上時(shí),車頭(車尾)兩個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙,則小車?yán)^續(xù)直線行走,否則小車會(huì)持續(xù)進(jìn)行方向調(diào)整操作,直到小車恢復(fù)正常。

3.2平衡狀態(tài)檢測(cè)電路

圖5 分壓比較式平衡檢測(cè)電路

在平衡檢測(cè)電路中,我們運(yùn)用了高精度角度傳感器,此傳感器通過對(duì)自身偏離水平角度的測(cè)量,對(duì)應(yīng)線性輸出一定范圍內(nèi)的電壓值。依據(jù)題目的要求,我們分析得出小車隨蹺蹺板上下擺動(dòng)幅度在正負(fù)4度角時(shí)即認(rèn)為其處于平衡狀態(tài)。而此角度傳感器在此區(qū)間內(nèi)的靈敏度最高,其輸出電壓為2.45-2.55伏之間。將此輸出電壓經(jīng)比較放大,然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通入到單片機(jī)中。但是由于整個(gè)變化范圍只有0.1度角,任何輕微的干擾都會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。用A/D轉(zhuǎn)換又會(huì)使精度降低,干擾過大,又因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很難做到真正的靜態(tài)平衡,所以我們最終決定采用動(dòng)態(tài)尋找平衡的方式,因此用分壓電路和電壓比較器制作信號(hào)電路,根據(jù)信號(hào)端的變化控制小車,使角度傳感器的電壓輸出保持在2.45-2.55伏之間,經(jīng)多次測(cè)試與精心調(diào)試,該電路可很好的滿足要求。平衡檢測(cè)電路如圖5所示。[!--empirenews.page--]

3.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)電路中的J1接電機(jī),MOT1和MOT2接高低電平來(lái)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。

圖6 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4. 軟件設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。(詳細(xì)軟件流程圖見附錄)

圖7 軟件結(jié)構(gòu)

當(dāng)開機(jī)時(shí),系統(tǒng)復(fù)位,然后系統(tǒng)判斷工作模式,當(dāng)選定工作模式1或工作模式2后,系統(tǒng)等待5秒鐘,然后進(jìn)入自動(dòng)計(jì)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

模式1為電動(dòng)車運(yùn)行及方向調(diào)整程序,使電動(dòng)車按預(yù)定路線運(yùn)行,并且在小車偏離軌道后自動(dòng)調(diào)整走向使小車自動(dòng)返回預(yù)定路線,并且控制LCD實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行時(shí)間。模式2為平衡檢測(cè)及平衡保持程序,在此程序控制下小車自動(dòng)尋找平衡點(diǎn),并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行正向或反向運(yùn)行,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

5.系統(tǒng)測(cè)試

5.1 測(cè)試儀器

自制蹺蹺板:長(zhǎng)1600mm、寬300mm,蹺蹺板底距地面或桌面的距離為70mm。中間畫有50mm寬的黑色尋跡線。

卷尺:精度1mm。

秒表:精度0.01s,兩塊。

5.2 測(cè)試結(jié)果與分析

5.2.1蹺蹺板水平狀態(tài)時(shí)測(cè)量往返一次全程的時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1:

表1 蹺蹺板水平狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)

分析:實(shí)際測(cè)得的時(shí)間與顯示時(shí)間有偏差,可能是人的反應(yīng)時(shí)間誤差。

5.2.2 蹺蹺板自由狀態(tài)下測(cè)量往返一次全程的時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2:

表2 蹺蹺板往返一次時(shí)間檢測(cè)

分析同上。

5.2.3蹺蹺板自由狀態(tài)下小車保持平衡測(cè)試。(配重200克) 測(cè)試結(jié)果如表3:

表3 蹺蹺板保持平衡測(cè)試

分析:由以上數(shù)據(jù)可得,隨著配重物距A端距離的不斷增加系統(tǒng)進(jìn)入平衡態(tài)所需的總時(shí)間逐漸減小,而平衡態(tài)時(shí)最大振幅基本不變。這是因?yàn)榕渲匚锵蛑行目繑n,對(duì)于支點(diǎn)的力矩不斷減小,慣性亦減小,致使平衡態(tài)所需的總時(shí)間逐漸減小。

5.2.4 壓線定位測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表:

表4 蹺蹺板壓線定位測(cè)試

分析:絕大部分定位都是小車前進(jìn)方向的前頭兩個(gè)探頭全部壓上定為線方才恰好停車,在極少數(shù)情況下(蹺蹺板上尋跡線彎度較大時(shí)),小車前方探頭還未接觸定位線甚至剛開始起跑就會(huì)停車,觀察現(xiàn)象分析原因,當(dāng)尋跡線彎度較大,小車不能有效糾正過大偏差時(shí),導(dǎo)致前方兩探頭有可能先后同時(shí)檢測(cè)到黑色尋跡線,以致小車停車。

檢測(cè)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了題目的要求,具有較好的使用價(jià)值。

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