電動(dòng)車蹺蹺板

1、 . . . 15 / 19摘要在本設(shè)計(jì)方案中，電動(dòng)小車是以Atmel公司的ATmega16L單片機(jī)為控制核心，由直流減速電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊、灰度檢測模塊和自制角度傳感器、電源電路以與液晶顯示模塊等部分組成。該系統(tǒng)由直流減速電機(jī)控制小車的前進(jìn)和后退，由灰度檢測模塊實(shí)現(xiàn)行駛路徑的修正和蹺蹺板邊緣的尋跡，自制角度傳感器用于蹺蹺板平衡點(diǎn)的捕捉，并具有聲光報(bào)警、時(shí)間顯示等功能。程序設(shè)計(jì)采用C語言編程的方式，在RoboExp 3.3軟件編譯環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。該電動(dòng)小車可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求中列出的全部指標(biāo)。關(guān)鍵詞：Atmage16L 直流電機(jī) 灰度檢測模塊 自動(dòng)尋跡電動(dòng)車目錄第一章 系統(tǒng)功能說明1第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2

2、第三章 硬件設(shè)計(jì)33.1 單片機(jī)選型33.2 電源設(shè)計(jì)33.3 光電檢測電路設(shè)計(jì)33.4 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)43.5 角度檢測電路設(shè)計(jì)63.6 聲光提示電路設(shè)計(jì)7第四章 開發(fā)環(huán)境“機(jī)器人快車”84.1機(jī)器人快車概述84.2硬件信息84.3編譯84.4下載9第五章 軟件設(shè)計(jì)10第六章 系統(tǒng)集成與測試12第七章 總結(jié)13致14參考文獻(xiàn)15第一章 系統(tǒng)功能說明設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電動(dòng)車蹺蹺板，要求蹺蹺板起始端一側(cè)裝有可移動(dòng)的配重物體，配重物體位置可調(diào)圍不小于400mm。電動(dòng)車從起始端出發(fā)，按要求自動(dòng)在蹺蹺板上行駛。電動(dòng)車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖分別如圖1和圖2所示?；疽螅?）先將蹺蹺板固定為水平狀

3、態(tài)，電動(dòng)車從起始端A位置出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程(全程的含義：電動(dòng)車從起始端A出發(fā)至車頭到達(dá)蹺蹺板頂端B位置)。停止5秒后，電動(dòng)車再從蹺蹺板的B端倒退回至蹺蹺板的起始端A，電動(dòng)車能分別顯示前進(jìn)和倒退所用的時(shí)間。前進(jìn)行駛在1分鐘、倒退行駛在1.5分鐘完成。（2）蹺蹺板處在圖1所示的狀態(tài)下（配重物體位置不限制），電動(dòng)車從起始端A出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程。停止5秒后，電動(dòng)車再從蹺蹺板的B端倒退回至蹺蹺板的起始端A，電動(dòng)車能分別顯示前進(jìn)和倒退所用的時(shí)間。前進(jìn)行駛在1.5分鐘、倒退行駛在2分鐘完成。圖1起始狀態(tài)示意圖圖2平衡狀態(tài)示意圖發(fā)揮部分（1）由我們自己將配重物體設(shè)定在可移動(dòng)圍中的某位置，電動(dòng)車從起始端

4、A出發(fā)，當(dāng)蹺蹺板達(dá)到平衡時(shí)，保持時(shí)間不小于5秒，同時(shí)發(fā)出聲光提示，電動(dòng)車顯示所用的時(shí)間。全過程要求在2分鐘完成。（2）在可移動(dòng)圍任意設(shè)定配重物體的位置（由測試人員指定），電動(dòng)車從起始端A出發(fā)，當(dāng)蹺蹺板達(dá)到平衡時(shí)，保持時(shí)間不小于5秒，同時(shí)發(fā)出聲光提示，電動(dòng)車顯示所用的時(shí)間。全過程要求在2分鐘完成。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通過反復(fù)論證以與老師的指導(dǎo)，我對(duì)本設(shè)計(jì)制作了如下方案：（1）車體用單面敷銅板手工制作。（2）采用ATmage16L單片機(jī)作為主控制器。（3）用10.8V鋰電池直接為直流減速電機(jī)供電，將10.8V電壓經(jīng)7806降壓、穩(wěn)壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他部分供電。（4）紅外檢測模塊對(duì)小車的實(shí)現(xiàn)行駛路

5、徑的修正和蹺蹺板邊緣的尋跡。（5）自制角度傳感器用于蹺蹺板平衡點(diǎn)的捕捉。（6）L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：圖3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)選型根據(jù)設(shè)計(jì)需要，我選用了ATMEL公司AVR單片機(jī)做為本設(shè)計(jì)的主控制器。AVR單片機(jī)是ATMEL公司1997年推出的精簡指令集（RISC）單片機(jī)系列。ATMEL公司通過AVR把RISC技術(shù)帶到了8位單片機(jī)世界，這種全新的結(jié)構(gòu)帶來了很多優(yōu)勢。該系列的程序存儲(chǔ)器是在片的Flash存儲(chǔ)器，可以反復(fù)修改上千次。這對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品升級(jí)都是很方便的。單片機(jī)的指令基本上都是單個(gè)晶振周期的，能夠達(dá)到1MIPS/MHZ的性

6、能。該系列單片機(jī)針對(duì)應(yīng)用C語言編程做了優(yōu)化；很多型號(hào)都是寬電壓工作的，同時(shí)各種睡眠模式有利于降低系統(tǒng)功耗；再加上部的振蕩器、看門狗、上電復(fù)位、A/D輸入、PWM輸出等功能，使其可以被稱為“零外設(shè)”的單片機(jī)，具有片上系統(tǒng)的雛形。因此，AVR單片機(jī)適合于很多領(lǐng)域的應(yīng)用，表現(xiàn)出卓越的性能。3.2 電源設(shè)計(jì)由于鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：1擁有高能量密度，與高容量鎳鎘電池相比其體積能量為1.5倍，重量能量密度為2倍；2高電壓，平均使用電壓為3.6V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍（鎳鎘、鎳氫電池電壓為1.2V）；3使用電壓平坦并且高容量；4負(fù)荷特性，2C放電為可能；5廣泛的使用溫度 2060；6優(yōu)秀的充放電壽命，

7、經(jīng)過500次放電后其容量至少還有70以上。因此我選用了10.8V鋰電池直接為直流減速電機(jī)供電，將10.8V電壓經(jīng)7805降壓、穩(wěn)壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他部分供電，這樣就解決了本設(shè)計(jì)的供電問題。電源電路圖如圖4：圖4 電源電路3.3 光電檢測電路設(shè)計(jì)對(duì)于小車的尋跡，我們采用的是紅外檢測管，單光束反射取樣式光電傳感器ST188。它由紅外發(fā)射器和感光器組成，通常這兩個(gè)部分是封裝在一起的。利用ST188構(gòu)成的檢測電路如圖5所示。ST188正常工作時(shí)，紅外線光二極管發(fā)出紅外線。如果檢測面表面光潔度憑證，發(fā)出的紅外線經(jīng)檢測面發(fā)射后在光敏三極管產(chǎn)生光電效應(yīng)。產(chǎn)生的電流經(jīng)過放大后輸出電信號(hào)。圖5 光電檢測電路圖

8、中比較器LM311的同相輸入端在沒有檢測到發(fā)射信號(hào)（不在白線區(qū)）時(shí)固定為高電平，而反相輸入端的電壓由電阻分壓提供（一般在1.5V左右，由可變電阻器改變電壓值）。LM311比較同相端和反相端的輸入電壓。當(dāng)在白線區(qū)時(shí)，反射的紅外線導(dǎo)致光敏三極管導(dǎo)通，同相端輸入低電平，比較的結(jié)果為輸出端為低電平，發(fā)光二極管亮；當(dāng)不在白線區(qū)時(shí)，光敏三極管截止，同相端輸入高電平，比較的結(jié)果為輸出端為低電平，發(fā)光二極管滅。3.4 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)在電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)這方面我們比較常用的方式主要有H橋驅(qū)動(dòng)，電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，

9、必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。利用分立元件構(gòu)成的H橋驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，由四個(gè)兩組三極管組成，任一狀態(tài)下由對(duì)角的兩個(gè)三極管構(gòu)成通路，使電源電壓可以正反向加到電機(jī)兩端，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。圖6 H橋驅(qū)動(dòng)電路現(xiàn)在大部分電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都是采用集成驅(qū)動(dòng)芯片L298N來實(shí)現(xiàn)，一片L298N中包含兩個(gè)H橋，這樣可以同時(shí)對(duì)小車兩側(cè)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。因此，在設(shè)計(jì)中采用了L298N來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。L298N是一款能承受高壓大電流的全橋型直流、步進(jìn)電壓驅(qū)動(dòng)器。其引腳如表1所示。表1 L298N引腳編號(hào)與功能引腳編號(hào)名稱功能1電流傳感器A在該引腳和地之間接小阻值可用來檢測電流2輸出引腳1置驅(qū)動(dòng)器A的輸出端1，

10、接至電機(jī)A3輸出引腳2置驅(qū)動(dòng)器A的輸出端2，接至電機(jī)A4電機(jī)電源端電機(jī)供電輸入端5輸入引腳1置驅(qū)動(dòng)器A的邏輯控制輸入端16使能端A置驅(qū)動(dòng)器A的使能端7輸入引腳2置驅(qū)動(dòng)器A的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端10輸入引腳3置驅(qū)動(dòng)器B的邏輯控制輸入端111使能端B置驅(qū)動(dòng)器B的使能端12輸入引腳4置驅(qū)動(dòng)器B的邏輯控制輸入端213輸出引腳3置驅(qū)動(dòng)器B的輸出端1，接至電機(jī)B14輸出引腳4置驅(qū)動(dòng)器B的輸出端2，接至電機(jī)B15電流傳感器B在該引腳和地之間接小阻值可用來檢測電流由L298N構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示：圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.5角度檢測電路設(shè)計(jì)在角度檢測電路設(shè)計(jì)中

11、我根據(jù)設(shè)計(jì)需要選用了普通電位器自制角度傳感器。在普通電位器的軸上懸掛一個(gè)重物，由于重物始終處于垂直狀態(tài)，小車上下坡會(huì)改變電位器的阻值，電位器阻值的變化將轉(zhuǎn)換成電壓的變化送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在小車調(diào)試之前先將水平狀態(tài)下的AD轉(zhuǎn)換值先測量出，并寫入到程序中，這樣根據(jù)AD值就可以判斷出小車的傾角了，該方案成本比較低，而且也能滿足實(shí)際的控制需求。自制角度檢測模塊如圖9，在普通電位器的軸上懸掛一個(gè)重物，利用重物始終處于垂直狀態(tài)從而改變電位器的阻值，將電位器阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，將變化的電壓送入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在小車調(diào)試之前先將水平狀態(tài)下的AD轉(zhuǎn)換值先測量出，并寫入到程序中，這樣根據(jù)AD值

12、就可以判斷出小車的傾角了。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們測出小車在水平位置時(shí)和放在蹺蹺板上最大傾角時(shí)AD轉(zhuǎn)換值相差45左右，該差值在系統(tǒng)檢測角度變化的過程中已經(jīng)能夠滿足題目的要求，并且在實(shí)驗(yàn)過程中電位器軸的旋轉(zhuǎn)能夠與時(shí)反映出傾角的變化，因此，利用電位器自制角度傳感器在該系統(tǒng)中是完全可行的。圖8灰度測量模塊圖9 角度檢測模塊36 聲光提示電路設(shè)計(jì)我們采用發(fā)光二極管和蜂鳴器，發(fā)光二極管安裝在小車的前端和后端，并用導(dǎo)線將兩個(gè)器件連接到我們選用的開發(fā)板上相應(yīng)端口，由小車的程序控制二極管發(fā)光與蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)小車到達(dá)終點(diǎn)停止時(shí)，讓蜂鳴器發(fā)出聲音1s，并讓發(fā)光二極管按2Hz的頻率發(fā)光2s。圖10 復(fù)位電路與聲光提示

13、電路第四章開發(fā)環(huán)境“機(jī)器人快車”介紹4.1機(jī)器人快車概述 在編寫單片機(jī)程序時(shí)，我們選用了與開發(fā)板配套的編譯軟件，即“機(jī)器人快車”（RoboExp 3.3）。機(jī)器人快車?yán)锩娴暮芏嗄K都是封裝好的，我們需要哪個(gè)都可以隨時(shí)調(diào)用，而且小車是完全開放的，我們可以自己定義自己需要的功能模塊。對(duì)于小車強(qiáng)大的模塊封裝和管理功能，我們?cè)谑褂脵C(jī)器人快車編程時(shí)，文本源代碼同步生成，并且保留了傳統(tǒng)的文本編程功能，這樣更加方便我們對(duì)程序的檢查、調(diào)試。4.2 硬件信息由于很多模塊都是封裝好的，在編程時(shí)編輯各種接口時(shí)，就可以直接點(diǎn)擊菜單欄中“項(xiàng)目”主菜單下的“硬件信息”子菜單，在彈出硬件信息對(duì)話框中對(duì)系統(tǒng)所需要使用的硬件接

14、口進(jìn)行編輯，硬件信息對(duì)話框如圖11所示：圖11 硬件信息顯示窗口選項(xiàng)卡上第一項(xiàng)為系統(tǒng)默認(rèn)硬件信息，其余的為當(dāng)前被編輯文件的硬件信息。每個(gè)文件都有一份獨(dú)立的硬件信息。上圖界面的硬件表中，父節(jié)點(diǎn)是所有已經(jīng)定義的硬件類型，子節(jié)點(diǎn)是已經(jīng)定義的硬件端口。如上圖中，_MOTOR_為硬件類型，_MOTOR_motor1_為硬件端口。在硬件信息對(duì)話框左邊的樹狀表中，只要選中某個(gè)節(jié)點(diǎn)，就能看到該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的說明。如果選中的是硬件類型的節(jié)點(diǎn)，就能看到該硬件類型的定義和各個(gè)針腳的說明。如果選中的是硬件實(shí)例的節(jié)點(diǎn)，就能看到該硬件實(shí)例的定義。4.3編譯C語言程序必須通過編譯生成一個(gè)機(jī)器指令程序，即目標(biāo)程序，然后才能執(zhí)行。

15、編譯的時(shí)候會(huì)檢查程序是否有語法錯(cuò)誤，沒有錯(cuò)誤的程序才能生成目標(biāo)程序。為小車指定一個(gè)編譯器。點(diǎn)擊“工具”主菜單下的“編譯”子菜單，或者直接點(diǎn)擊工具欄上相應(yīng)的按鈕，就可以對(duì)程序進(jìn)行編譯了。4.4下載程序編譯成功后，就可以下載到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試了。程序下載的步驟如下：第一步，關(guān)閉小車的電源，并確定您電腦的串口未被其它軟件或硬件占用。 第二步，拿出小車套件中的下載線，將一端接在電腦的串口上，另外一端接在小車的下載口上。連接方式如圖12：圖12 連接方式 第三步，點(diǎn)擊 “工具”主菜單下的“下載”子菜單，或者直接點(diǎn)擊工具欄的按鈕，彈出的下載窗體界面如圖13：圖13 下載顯示界面第四步，打開小車的電源，小車

16、就開始下載程序。第五步、當(dāng)程序下載完成后，上圖窗體將自動(dòng)關(guān)閉。接著，拔出小車上的通訊線。 第六步、關(guān)閉小車的電源，然后重新打開小車的電源就可以了。 第五章 軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖我們所設(shè)計(jì)的軟件的主程序流程圖如圖14所示：圖14主程序流程圖灰度檢測處理子程序流程圖如圖15，我把小車直線行進(jìn)時(shí)分成三種狀態(tài)，當(dāng)兩邊傳感器都檢測不到黑線時(shí)，小車行駛在跑道的中央，這時(shí)控制兩電機(jī)同速度全速運(yùn)行。當(dāng)有一個(gè)灰度傳感器檢測到黑線時(shí)，小車處于偏離軌道狀態(tài)，這時(shí)將一個(gè)電機(jī)速度調(diào)快，完成方向調(diào)整。當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測到黑線時(shí)，說明小車到達(dá)終點(diǎn)，從而停止。小車前進(jìn)和后退的控制方式一樣。圖15 灰度檢測處理子程序流程圖平

17、衡控制子程序流程圖如圖16，在小車尋找平衡點(diǎn)時(shí)，考慮到自制角度傳感器具有的一定慣性，為了消除慣性的影響，在小車啟動(dòng)時(shí)，采用不斷減速的方法，使小車行使至蹺蹺板中點(diǎn)時(shí)速度降至很低的速度，當(dāng)找到平衡時(shí)，根據(jù)我們調(diào)試的情況，在找到平衡點(diǎn)后迅速使小車向后倒退一點(diǎn)距離，這種實(shí)際執(zhí)行結(jié)果較好。圖16 平衡控制子程序流程圖第六章 系統(tǒng)集成與測試基本部分的調(diào)試蹺蹺板在水平狀態(tài)下，我們將基本部分的程序下載到芯片中進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，我們確定了小車的理想行駛速度。以至于小車在此速度下行駛不會(huì)受慣性影響而沖出蹺蹺板，也不使小車的行駛速度過于緩慢。在此速度下，小車會(huì)在短時(shí)間完成指定要求，較好的達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于

18、蹺蹺板在固定配重的狀態(tài)下，比水平狀態(tài)下對(duì)小車的要求更高，所以，我們?cè)诖藸顟B(tài)下的程序就用水平狀態(tài)下的。找平衡調(diào)試小車在進(jìn)行水平調(diào)試前，應(yīng)進(jìn)行水平檢測，給芯片下載水平檢測程序，通過水平檢測可以知道小車處于平衡狀態(tài)下的自制角度傳感器的AD轉(zhuǎn)換值（即電位器的電壓的AD轉(zhuǎn)換值）。測出水平值后，將找平衡程序的值改為測出的值，并下載到芯片中進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證明，小車在找到平衡點(diǎn)時(shí)，由于自制角度傳感器具有一定的慣性，從而是找到的平衡點(diǎn)不準(zhǔn)確，所以我們對(duì)小車的找平衡程序做了處理，使小車到達(dá)平衡前的一段距離里做減速后做勻速行駛，避免慣性對(duì)自制角度傳感器的影響，而且當(dāng)小車的自制角度傳感器檢測到平衡點(diǎn)時(shí)，小車迅速后退一點(diǎn)距離，達(dá)到的平衡效果會(huì)更好。在任意放置配重物體的情況下，由于蹺蹺板本身已經(jīng)放置了配重物體，而且由于小車的自制角度傳感器的達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，所以程序無須調(diào)整。第七章 總結(jié)