2007年F題電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)系統(tǒng)以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A作為電動(dòng)車的控制核心,選用了上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245ALTTL型傾角傳感器測(cè)量蹺蹺板水平方向傾角電動(dòng)車蹺蹺板設(shè)計(jì)報(bào)告山東交通學(xué)院禹海岱劉曉君董立國(guó)摘要為了滿足電動(dòng)車蹺蹺板的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了各單元電路方案的比較論證及確定，系統(tǒng)以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A作為電動(dòng)車的控制核心,選用了上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245ALTTL型傾角傳感器測(cè)量蹺蹺板水平方向傾角，該傳感器靈敏度高、重復(fù)性好且輸出485信號(hào)便于與單片機(jī)接口；對(duì)于關(guān)鍵的小車動(dòng)力部分，經(jīng)過充分比較、論證，最終選用了控制精確的步近電機(jī)，其最小步進(jìn)角09度，易于平衡點(diǎn)的尋找；通過紅外對(duì)管TCRT5000尋跡，實(shí)現(xiàn)了小車走直線等功能；系統(tǒng)顯示部分選用圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器OCJM48C，串行接口，編程容易，美觀大方。采用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)。最后的實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，不但完成了所有基本和發(fā)揮部分的要求，并增加了路程顯示、全程時(shí)間顯示和語(yǔ)音播報(bào)三個(gè)創(chuàng)新功能。關(guān)鍵詞傾角傳感器，紅外對(duì)管，步進(jìn)電機(jī)，SPCE061A1系統(tǒng)方案11實(shí)現(xiàn)方法本題要求設(shè)計(jì)并制作一輛電動(dòng)小車，能實(shí)現(xiàn)在蹺蹺板上運(yùn)動(dòng)且在不同配重的情況下保持平衡等功能。我們想利用電機(jī)控制小車運(yùn)行，角度傳感器測(cè)量蹺蹺板水平方向傾角來確定小車何時(shí)達(dá)到平衡，利用尋跡模塊實(shí)現(xiàn)小車沿直線行走以及在A點(diǎn)外某處能自動(dòng)駛上蹺蹺板，還有顯示模塊以及語(yǔ)音模塊等做為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)顯示及語(yǔ)音提示等功能。上述各模塊的方案論證如下。12方案論證121控制器模塊方案一采用ATMEL公司的AT89C51。51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但是功能單一，如果系統(tǒng)需要增加語(yǔ)音播報(bào)功能，還需外接語(yǔ)音芯片，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；另外51單片機(jī)需要仿真器來實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。方案二采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)作為控制器的方案。該單片機(jī)I/O資源豐富，并集成了語(yǔ)音功能。芯片內(nèi)置JTAG電路，可在線仿真調(diào)試，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的復(fù)雜度。根據(jù)本題的要求，我們選擇第二種方案。122電機(jī)模塊電機(jī)模塊選擇是整個(gè)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，按照設(shè)計(jì)要求，小車需在C點(diǎn)和有配重的情況下分別達(dá)到平衡狀態(tài)，這需要對(duì)小車的精確控制，而且小車制動(dòng)性能要好。因此普通直流電機(jī)不能滿足要求。方案一采用直流減速電機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)，直流減速電機(jī)力矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，但其制動(dòng)能力差,無法達(dá)到小車及時(shí)停車的要求。方案二采用型號(hào)4B2YG的步進(jìn)電機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)，最小步進(jìn)角為09度，因此能實(shí)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(shí)候，能實(shí)現(xiàn)自鎖，從而能較好的實(shí)現(xiàn)小車及時(shí)停車的目的。經(jīng)過反復(fù)的比較、論證，我們最終選用了方案二。該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)加驅(qū)動(dòng)器后與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，控制方便。123角度檢測(cè)模塊角度檢測(cè)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(cè)量蹺蹺板水平方向傾角，當(dāng)傾角在某個(gè)范圍之內(nèi)的時(shí)候即可認(rèn)為蹺蹺板達(dá)到平衡狀態(tài)。由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(chǎng)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AMEB001角度傳感器，0360度測(cè)量范圍，但是安裝非常不方便，而且電壓輸出信號(hào)，采集不便。方案二采用上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245ALTTL傾角傳感器，測(cè)量范圍4545度，精度01度，輸出頻率10次/S，485信號(hào)輸出。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素,我們選擇了方案二。124尋跡模塊通過尋跡模塊小車可實(shí)現(xiàn)沿預(yù)設(shè)軌跡行走，并可在距離蹺蹺板起始端A點(diǎn)300MM以外、90扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置（車頭朝向蹺蹺板）自動(dòng)駛上蹺蹺板。方案一通過光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，它測(cè)量距離較遠(yuǎn)。但是其體積大、成本高、安裝起來比較麻煩。方案二通過紅外對(duì)管來實(shí)現(xiàn)，它測(cè)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(jià)格低,安裝較容易考慮到性價(jià)比和簡(jiǎn)單易行的策略,我們選擇方案二125顯示模塊方案一用LED顯示，優(yōu)點(diǎn)亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。方案二采用金鵬電子的圖形點(diǎn)陣式液晶OCJM48C。串行接口，顯示簡(jiǎn)單。考慮到本題的要求，只需要一片LCD就可以實(shí)現(xiàn)，故我們選擇方案二。126語(yǔ)音播報(bào)模塊方案一通過單片機(jī)來控制語(yǔ)音芯片來實(shí)現(xiàn)提示信息的播報(bào)。但是由于語(yǔ)音芯片成本比較高，而且擴(kuò)展起來比較復(fù)雜，增加焊接難度和設(shè)計(jì)成本。方案二采用SPCE061A自帶的語(yǔ)言模塊，簡(jiǎn)單方便，成本低。經(jīng)比較，我們選擇方案二。127電源模塊方案一鉛酸電池供電，優(yōu)點(diǎn)電流大，缺點(diǎn)重量太沉。方案二電池組供電，可提供800MAH電流，重量很輕。經(jīng)比較，我們選擇方案二，用兩組9V電池組串聯(lián)給步進(jìn)電機(jī)供電，其中一組經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)換后給控制器、傳感器等模塊使用。13系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)上述方案論證，我們最終確定了以凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A為控制核心，采用型號(hào)為4B2YG的步進(jìn)電機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)，用上海直川科技有限公司生產(chǎn)的ZCT245ALTTL傾角傳感器來測(cè)量蹺蹺板的水平傾角，利用紅外對(duì)管尋跡實(shí)現(xiàn)走直線等功能，還選用了金鵬電子的圖形點(diǎn)陣式液晶OCJM48C來實(shí)時(shí)顯示傾角、小車運(yùn)行時(shí)間、路程等，最終還利用凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A自帶語(yǔ)音功能實(shí)現(xiàn)小車平衡時(shí)語(yǔ)音播報(bào)。14結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)上面的分析論證，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。2理論分析與計(jì)算根據(jù)題目說明，只要蹺蹺板兩端與地面的距離差小于40MM即可認(rèn)為平衡，本設(shè)計(jì)通過傾角傳感器檢測(cè)蹺蹺板水平傾角，所以只要水平傾角保持在0度附近的某個(gè)角度范圍之內(nèi)，即可認(rèn)為蹺蹺板達(dá)到平衡狀態(tài)。其閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)的工作原理是小車駛上蹺蹺板后，通過傾角傳感器不斷的測(cè)量蹺蹺板的傾角（即實(shí)際傾角），該實(shí)際傾角與給定傾角作比較，形成傾角偏差，通過步進(jìn)電機(jī)控制小車前后微移，不斷修正該傾角偏差，最終使傾角保持在給定范圍之內(nèi)。此時(shí)蹺蹺板便達(dá)到平衡狀態(tài)。設(shè)計(jì)中小車車輪的周長(zhǎng)為240MM,電機(jī)最小步進(jìn)角為09度，因此電機(jī)每步進(jìn)一步小車移動(dòng)距離X為X24009/36006MM可見，小車位移量是很小的。因此我們能實(shí)現(xiàn)小車前后微位移的控制，從而使蹺蹺板較易達(dá)到平衡狀態(tài)。小車所走各段所需脈沖數(shù)的計(jì)算（以AC段為例）1起點(diǎn)A至中點(diǎn)C的距離AC800MM；2測(cè)量小車車長(zhǎng)L270MM,小車重心約在車身靠后約4/5處；3上面計(jì)算電機(jī)每步進(jìn)一步小車移動(dòng)距離為X06MM；因此AC段所需脈沖NACL1/5/0612433；從而可計(jì)算出AB段所需脈沖數(shù)M2N21243324867；3電路與程序設(shè)計(jì)31檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)傾角傳感器ZCT245ALTTL與控制器接口電路如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示圖3傾角傳感器接口電路圖圖4步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接口電路圖32總體電路圖見附錄33軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖331軟件設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的功能如下讀傾角傳感器角度；給步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖；尋跡語(yǔ)音播報(bào)；傾角、時(shí)間、路程顯示；匯總332工作流程圖系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5、圖6所示4結(jié)果分析41創(chuàng)新發(fā)揮1）通過計(jì)算步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)確定小車運(yùn)行路程，并實(shí)時(shí)顯示。2）利用語(yǔ)音播報(bào)功能很好的實(shí)現(xiàn)了小車平衡時(shí)的播報(bào)工作。3）通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器精確定時(shí)，實(shí)現(xiàn)總運(yùn)行時(shí)間實(shí)時(shí)顯示。42結(jié)果分析421測(cè)試儀表4位半數(shù)字萬用表MASTECHMY65，雙蹤示波器YB4325，游標(biāo)卡尺，秒表，電子稱，計(jì)算器,直尺。422蹺蹺板平衡狀態(tài)傾角范圍的確定在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，如果給定角度恒定為0度，由于外界干擾，實(shí)際控制系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給定角度設(shè)為某一角度范圍，當(dāng)實(shí)際角度在該范圍之內(nèi)，即可認(rèn)為蹺蹺板平衡。我們通過實(shí)驗(yàn)觀察蹺蹺板的平衡狀態(tài)，來減小或擴(kuò)大角度范圍，得數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們最終確定給定角度范圍為22度到22度。表1傾角范圍的確定角度設(shè)定范圍平衡效果35度到35度差27度到27度良22度到22度優(yōu)18度到18度良10度到10度差423小車運(yùn)行固定距離需給脈沖數(shù)目的確定（以AC段為例）當(dāng)小車需運(yùn)行固定距離，我們通過公式計(jì)算了步進(jìn)電機(jī)應(yīng)走的步數(shù)，但實(shí)際采用時(shí)結(jié)果并不令人滿意，主要是因?yàn)檐囕喤c蹺蹺板之間可能會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)脈沖，小車前進(jìn)并不一定達(dá)到06MM。因此我們通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在理論值左右尋找最優(yōu)值，最終確定脈沖數(shù)目。以AC段為例，AC段距離800MM,經(jīng)理論計(jì)算需發(fā)脈沖1243步，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試得下表數(shù)據(jù)表2AC段需脈沖數(shù)目的確定脈沖數(shù)目與C附近平衡點(diǎn)相差距離1243122MM126054MM126930MM126414MM根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們最終確定AC段實(shí)際發(fā)送脈沖數(shù)目為1264個(gè)。424小車運(yùn)行過程各種狀態(tài)所需時(shí)間測(cè)試表3基本功能所用時(shí)間表狀態(tài)時(shí)間SAC尋平衡時(shí)間保持平衡5秒CB停止5秒BA控制器顯示1523385014850311秒表實(shí)測(cè)1553465114951319表4擴(kuò)展功能所用時(shí)間表狀態(tài)時(shí)間S上坡時(shí)間尋平衡1時(shí)間保持平衡5秒尋平衡2時(shí)間保持平衡5秒總計(jì)控制器顯示21045250521501283秒表實(shí)測(cè)21446351520511299由于步進(jìn)電機(jī)能精確控制小車前后微移，因此尋找平衡所用時(shí)間較短；通過程序?qū)﹄姍C(jī)運(yùn)行速度適當(dāng)設(shè)置，使各狀態(tài)所用時(shí)間完全能滿足系統(tǒng)要求；因?yàn)榭刂破黠@示的時(shí)間是通過內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)實(shí)現(xiàn)的，所以精度高，顯示時(shí)間準(zhǔn)，其與秒表實(shí)測(cè)值之間的微小誤差是由測(cè)量誤差所引起的。5結(jié)語(yǔ)通過測(cè)試，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，不但完成了基本要求，發(fā)揮部分的要求，并增加了路程顯示、全程時(shí)間顯示和語(yǔ)音播報(bào)三個(gè)創(chuàng)新功能。同時(shí)我們自己也得到了