角度传感器做跷跷板小车

/* 增量式 PID计算
*/ int IncPID_Calc(float NextPoint) {
floatIError;//偏差 floatIIncpid;//增量 int Ret_IIncpid=0; IError=SPID->SetPoint-NextPoint;//E[k] SPID->SumError+=IError;//误差累计
uchar i=0; BCSCTL1&=~XT2OFF;//开启 XT2 do {
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IFG1 &= ~OFIFG; for (i = 0xFF; i > 0; i--); } while((IFG1&OFIFG));//XT2异常 BCSCTL2=SELM_2+SELS; //MCLK=SMCLK=XT2 }
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3.1.4倾角传感器选择 方案一：采用SCA60C倾角传感器，此芯片只有模拟输出，所以结合MSP430
内部AD模块或者采用专用AD芯片采样如ADS7813来采集传感器信号，并转换为 倾斜角度送给单片机处理。价格低廉，易于连线。
方案二：采用SCA100T高精度双轴倾角传感器，此传感器为数字SPI输出模 式，测量分辨力可达0.003度，具有灵敏度极高，抗冲击，抗震动等诸多优点。 但采用该传感器所需要的硬件电路相对复杂。
ST188采用高反射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。检测距离： 4--13mm。
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（1）其极限参数如表 3—1示：（Ta=25℃） 表 3—1
（2）其光电特性如表 3—2示：（Ta=25℃） 表 3—2
红外传感电路如图 3—3所示。
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图 3—3红外传感电路 当 st188的发射管发出的红外线照射到跷跷板平面后反射，若红外接收管能接收 到反射回的光线则检测出跷跷板面继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则 检测出黑线继而输出高电平。 3.2.3角度传感器 角度检测模块采用单轴倾角传感器 SCA60C，SCA60C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，其输出电压与角度变化成一定的线性关系。通过 AD 采样判断角度的大小。小车处于平衡状态时，SCA60C的输出电压是 2.44V。小车在上 坡过程中，输出电压逐渐增大至 2.44V。小车通过平衡点，下坡时，输出电压由 2.44V 增大至限幅电压 3V。 角度传感电路如图 3—4所示。
《自动化专业》 课程设计报告
系 别： 专业班级： 学生姓名： 指导教师：
目录
1．课程设计目的………………………………………………………………… 1 2．课程设计题目描述和要求…………………………………………………… 1 3．课程设计报告内容…………………………………………………………… 1 3.1方案设计与确定……………………………………………………………… 1 3.2系统硬件设计………………………………………………………………… 4 3.3系统软件设计………………………………………………………………… 8 3.4系统调试………………………………………………………………………17 4．总结……………………………………………………………………………18 参考文献 …………………………………………………………………………19
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图 3—4角度传感电路
3.2.4驱动电路 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，
步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原
理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。 (2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机 就反转。 (3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可 以对步进电机进行调速。
方案二：使用红外发光二极管和一体化接收器自制反射式或对射型的传感 器。
小车到板边沿需要距离为100mm左右的探测，且为了避免环境光以及杂讯干 扰故用方案二。 3.1.7电源模块
方案一：单电源供电，由于小车体积和重量的限制，只使用单电池组。 方案二：采用控制、驱动两部分分离供电，中间采用光耦隔离，最大限度降 低信号干扰。 通过体积、重量、系统功耗、电压稳定性等多方面研究，一组电池供电已经
.课程设计目的 通过本次试验，我们能够加深对单片机的认识，以及加强硬件电路的设计能力。
为日后从事本专业工作打下坚实基础。 2.课程设计题目描述和要求
设计制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端 A一侧装有可移动的配重。电动车 从起始端 A出发，可以自动在跷跷板上行驶。
基本要求：在不加配重的情况下，电动车完成以下运动： （1）电动车从起始端 A出发，在 30秒钟内行驶到中心点 C附近； （2）60秒钟之内，电动车在中心点 C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡 5秒钟， 并给出明显的平衡指示； （3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端 B处（车头距跷 跷板末端 B不大于 50mm）； （4）电动车在 B点停止 5秒后，1分钟内倒退回起始端 A，完成整个行程； （5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所 用的时间。 3.课程设计报告内容 3.1方案设计与确定
从成本控制和硬件复杂度上综合考虑，采用方案一。 3.1.5小车引导方式选择 为了使小车不至于掉下跷跷板且能平稳的走直线，有两种引导方式。
方案一：在跷跷板上采取不影响板面平整的引导措施，设计拟在板面上贴黑 色引导胶带，在电动车上安装一系列ST188红外反射光电传感器，采用循迹的方 式引导电动车在板上行驶。
方案二：在小车边缘设置数个光电探测传感器对木板边沿定位，使小车沿中 线前进保证不跌落板面。
考虑到题目要求中方案一技术成熟可靠，稳定性高。 3.1.6光电探测模块
方案一：使用电探测器光成品，如微型红外传感器TCRT或ST系列，体积小 且开关量输出，但有效距离一般不超过10mm；而工业上使用的光电开关距离较长 但体积过大
/* 端口: LCD12864 :P4、P5 MOTOR :P3 ST168 :P1 */ void Init_Port(void) {
P4DIR=0XFF; P5DIR=0XFF; P3DIR=0xFF; } （2）平衡检测
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此函数是整个设计的核心。 程序首先通过对平衡传感器 SCA60C的返回值的采样来判断小车是否处于平 衡状态，如果返回值为 2.44±0.03V，则小车处于平衡的状态，如果传感器返 回值小于 2.41，则小车处于向上爬行阶段，否则，小车处于下坡阶段。当小车 越过平衡点出现超调时，PID调节起作用。 /*小车平衡控制*/ unsigned char Level_Ctrl(float Deviation_ADC12_Level)// 参 数:Deviation_ADC_12() { float Deviation_Angle_Deviation=Deviation_ADC12_Level;
/* 1us-1600t/s=>1000/1.6=625即赋值 625可以得到 1600次/秒 的中断*/ voidInit_T0(uintVAL )//初始化 T0中断时间 {
TACTL=TASSEL_2+MC_1+ID_3;//SMCLK+Up mode+ 8 Input divider.8*1/8=1us. TACCR0=VAL-1;//定时值-1 TACCTL0|=CCIE;//允许中断 _EINT();//开启中断 }
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开发语言：C/C++ 开发环境：IAR4.20 3.3.2系统主程序流程图 系统主程序流程图如图 3—6所示。
图 3—6系统主流程图 3.3.3主要函数设计说明 （1）系统初始化
在系统初始化中主要完成以下任务：端口初始化，系统时钟初始化和定时器 初始化。 初始化程序 ： /*8M外部晶振，时钟周期 1/8us*/ voidInit_Clk(void)//初始化时钟 {
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可以满足设计需要，故采用方案一。 3.1.8最终方案确定 控制芯片采用 MSP430F169 ST188红外反射光电传感器作为循迹引导电动车 采用 SCA60C作倾角传感器 电机模块采用两相步进电机
3.2系统硬件设计 3.2.1系统总框图 系统总框图如图 3—2所示。
图 3—2系统总框图 3.2.2红外传感器
if(Mode_Flag==2) {
if( (Deviation_Angle_Deviation<0.03)&&(Deviation_Angle_Deviation>-0.0 3))//平衡
{ if(Level_Flag==0) { Level_Flag=1; Delay_ms(100); } else if(Level_Flag==1) { ADC12CTL0 &= ~ENC; Mode_Flag=3; //进入模式 3 Motor_Stop(); return 1; }
方案二：采用 MSP430F169低功耗单片机主控芯片，该单片机 IO接口数量多， 内部资源丰富，如包涵 12位 AD转换、16位定时器、PWM控制、USART接口等，处理 能力强大，能够轻松胜任此任务。 3.1.2驱动电机选择
方案一：使用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力， 如果负荷过大超过步进电机所提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或 反转。另一个显著特点是转换精度高，正反转控制灵活。
通过车载倾角传感器对跷跷板倾角的高精度测量，实时的向控制系统反馈倾 斜状态，系统根据跷跷板状态做出前进或后退动作，使跷跷板保持平衡及实现所 要求的其他功能。为保证小车在板上平稳行使，以及从地面任意位置找到跷跷板 起点，在小车的前后四角各安装了一对红外发射接收传感器，通过设定合适的光 强和角度，可以探测板边界的位置，配合上软件分析引导小车行驶。