电子设计创新训练(提高)第七章_控制类应用设计举例
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电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
二、系统框图
角度检测
LCD显示
单Fra Baidu bibliotek机
左右电 机 控制
引导线检测
图7-4 系统整体框图
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
三、系统主要部分方案论证
1 ．电动车车体的选择 方案一：可以在车模店自己选购配件组装或自己加工制作，
优点是这种方法能够制作出完全符合自己设计意图的车体，缺点 是需要较多时间和高水平的加工工艺。
A
300mm
B
图3 自动驶上跷跷板示意图
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持 平衡5秒钟以上； （3）将另一块质量为电动车质量10％～20％的块状配重放置在 A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平 衡指示，保持平衡5秒钟以上； （4）电动车在3分钟之内完成（1）～（3）全过程。 （5）其他。
第七章 控制类应用设计举例
§7-1 设计题目
电动车跷跷板（F题） 【本科组】
一、任务 电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配 重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整， 调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发， 可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状 态示意图分别如图7-1和图7-2所示。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
2.发挥部分 将配重固定在可调整范围内任一指定位置电动车完成以下运动： （1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、 90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够 自动驶上跷跷板，如图7-3所示：
300mm
电动车
90°
面和地面平整。
（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长
≤300mm，宽≤200mm。
（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=∣dA-dB∣不大于
40mm。
（7）整个行程约为1600mm减去车长。
（8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。
（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥
部分（1）不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项
不得分。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
四、评分标准
设计 报告
基本 要求 发挥 部分
项目 系统方案
理论分析与计算 电路与程序设计 结果分析 设计报告结构 及规范性 总分
主要内容
实现方法 方案论证 系统设计 结构框图
测量与控制方法 理论计算
方案二：采用倾角传感器。芬兰VTI公司生产的SCA61T是一 款利用重力加速度测量倾角的集成芯片，使用方便，分辨率高 （0.1度），低噪声，并且可采用数字SPI或模拟输出。
方案三： 采用双步进电机差速驱动。特点是控制精度高、 灵活，在驱动力矩范围内，支持无反馈开环控制。
根据分析，本题要求车子必须具备高度灵活性和精确控制， 故设计采用方案三，采电子用设计双制创类步新应训用进练设(提电计高举机)例第七差章速_控驱动。
一款机器 人履带式底盘， 可以购买。但 是它采用普通 直流电机，配 置了简易的减 速齿轮，具有 力量和速度的 优势。但稳定 性和精细动作 则难于掌控。
§7-2 题目分析（关键方案论证）
一、整体系统设计思想：
行走部分：使用四轮或者两轮+1随动轮驱动，后者系统 简单。
行走轨迹控制：按题目条件，自行设置跟踪轨迹（白纸 黑线）。
平衡检测：倾角传感器。
显示器：LED或者LCD，后者可以直接使用模块，简单。
核心：51单片机。
电源：蓄电池组，电压取决于行走电机。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
dA dB
200mm
A
400mm
配重物体
800mm A
1600mm C90
图1 起始状态示意图 C 90 70mm
图2 平衡状态示意图
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
B B
二、要求
1.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。
图7-5 一种现成的电底子设盘计创（新履训练带(提高）)第七章_控
制类应用设计举例
图7-6 直流电子、设计直创新流训减练(提速高、)第七步章_进控 电机 制类应用设计举例
3. 电动车的倾角测量方案选择 方案一：采用光电编码器。需在其轴上安装重锤才能进行倾
角检测，且进行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力，灵敏度 低。同时电机振荡会使测量结果不稳定。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
三、说明
（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板
制成折叠形式。
（2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支
撑在支架上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。
（3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。
（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板
方案二：购置成品玩具电动小汽车，缺点是不可能完全符合 使用要求，需要做大量修改。
根据实际情况，采用方案一，自制小车。 2．电动车的动力方案选择
方案一： 采用普通直流电机驱动。优点是价格便宜、动力 大，缺点是转速大、难于控制，同时需要另配速度检测装置。
方案二： 采用直流减速电机驱动。优点是转速低，动力大， 缺点同方案一，也需要额外安装速度检测装置。
检测与驱动电路设计 总体电路图 软件设计与工作流程图
创新发挥 结果分析
摘要 设计报告结构 图表的规范性
实际制作完成情况
完成第（1）项 完成第（2）项 完成第（3）项 完成第（4）项 其他 总分
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
分数
12
13
12
8
5 50
50
10 15 10 5 10 50
二、系统框图
角度检测
LCD显示
单Fra Baidu bibliotek机
左右电 机 控制
引导线检测
图7-4 系统整体框图
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
三、系统主要部分方案论证
1 ．电动车车体的选择 方案一：可以在车模店自己选购配件组装或自己加工制作，
优点是这种方法能够制作出完全符合自己设计意图的车体，缺点 是需要较多时间和高水平的加工工艺。
A
300mm
B
图3 自动驶上跷跷板示意图
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持 平衡5秒钟以上； （3）将另一块质量为电动车质量10％～20％的块状配重放置在 A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平 衡指示，保持平衡5秒钟以上； （4）电动车在3分钟之内完成（1）～（3）全过程。 （5）其他。
第七章 控制类应用设计举例
§7-1 设计题目
电动车跷跷板（F题） 【本科组】
一、任务 电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配 重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整， 调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发， 可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状 态示意图分别如图7-1和图7-2所示。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
2.发挥部分 将配重固定在可调整范围内任一指定位置电动车完成以下运动： （1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、 90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够 自动驶上跷跷板，如图7-3所示：
300mm
电动车
90°
面和地面平整。
（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长
≤300mm，宽≤200mm。
（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=∣dA-dB∣不大于
40mm。
（7）整个行程约为1600mm减去车长。
（8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。
（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥
部分（1）不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项
不得分。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
四、评分标准
设计 报告
基本 要求 发挥 部分
项目 系统方案
理论分析与计算 电路与程序设计 结果分析 设计报告结构 及规范性 总分
主要内容
实现方法 方案论证 系统设计 结构框图
测量与控制方法 理论计算
方案二：采用倾角传感器。芬兰VTI公司生产的SCA61T是一 款利用重力加速度测量倾角的集成芯片，使用方便，分辨率高 （0.1度），低噪声，并且可采用数字SPI或模拟输出。
方案三： 采用双步进电机差速驱动。特点是控制精度高、 灵活，在驱动力矩范围内，支持无反馈开环控制。
根据分析，本题要求车子必须具备高度灵活性和精确控制， 故设计采用方案三，采电子用设计双制创类步新应训用进练设(提电计高举机)例第七差章速_控驱动。
一款机器 人履带式底盘， 可以购买。但 是它采用普通 直流电机，配 置了简易的减 速齿轮，具有 力量和速度的 优势。但稳定 性和精细动作 则难于掌控。
§7-2 题目分析（关键方案论证）
一、整体系统设计思想：
行走部分：使用四轮或者两轮+1随动轮驱动，后者系统 简单。
行走轨迹控制：按题目条件，自行设置跟踪轨迹（白纸 黑线）。
平衡检测：倾角传感器。
显示器：LED或者LCD，后者可以直接使用模块，简单。
核心：51单片机。
电源：蓄电池组，电压取决于行走电机。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
dA dB
200mm
A
400mm
配重物体
800mm A
1600mm C90
图1 起始状态示意图 C 90 70mm
图2 平衡状态示意图
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
B B
二、要求
1.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。
图7-5 一种现成的电底子设盘计创（新履训练带(提高）)第七章_控
制类应用设计举例
图7-6 直流电子、设计直创新流训减练(提速高、)第七步章_进控 电机 制类应用设计举例
3. 电动车的倾角测量方案选择 方案一：采用光电编码器。需在其轴上安装重锤才能进行倾
角检测，且进行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力，灵敏度 低。同时电机振荡会使测量结果不稳定。
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
三、说明
（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板
制成折叠形式。
（2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支
撑在支架上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。
（3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。
（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板
方案二：购置成品玩具电动小汽车，缺点是不可能完全符合 使用要求，需要做大量修改。
根据实际情况，采用方案一，自制小车。 2．电动车的动力方案选择
方案一： 采用普通直流电机驱动。优点是价格便宜、动力 大，缺点是转速大、难于控制，同时需要另配速度检测装置。
方案二： 采用直流减速电机驱动。优点是转速低，动力大， 缺点同方案一，也需要额外安装速度检测装置。
检测与驱动电路设计 总体电路图 软件设计与工作流程图
创新发挥 结果分析
摘要 设计报告结构 图表的规范性
实际制作完成情况
完成第（1）项 完成第（2）项 完成第（3）项 完成第（4）项 其他 总分
电子设计创新训练(提高)第七章_控 制类应用设计举例
分数
12
13
12
8
5 50
50
10 15 10 5 10 50