电动车跷跷板设计

2014年西安邮电大学第五届TI杯

大学生电子设计竞赛

设计报告

参赛序号 97

参赛题目电动车跷跷板

参赛队员

指导教师

报告日期 2014.4.19-2014.4.20

电动车跷跷板设计报告

摘要: 本设计是一种基于ARM单片机控制的简易智能自动小车系统。我们进行了各个单元电路方案的比较论证以及确定，系统选用Mini STM32板子作为电动车的控制核心,利用红外光电传感器TCRT5000在跷跷板上进行寻迹，实现小车走直线功能，对于平衡点的寻找，选用MMA7361LC倾角传感器测量跷跷板水平方向倾角，对于关键的小车动力部分，经过充分比较、论证，最终选用了控制精确的步进电机，其最小步进角0.9度，系统显示部分选用液晶显示器TFTLCD，编程容易，美观大方。采用单片机内部时钟实现精确计时。

关键词：倾角传感器，红外对管，步进电机，Mini STM32

Abstract : This design is a kind of simple intelligent automatic car based on ARM single chip microcomputer control system.We compare each unit circuit scheme of argument and determined,System chooses the Mini STM32 board as the control core of electric cars,u sing the infrared electric sensors TCRT5000 tracing on the seesaw,The car in a straight line function,For finding a balance, choose MMA7361LC Angle sensor on the seesaw horizontal Angle.For key car drive part, been fully comparison, finally chose precise stepper motor control, the minimum step Angle of 0.9 degrees.System displays part chooses LCD TFTLCD, easy programming, the beauty is generous.MCU internal clock to achieve precise timing.

Keywords :tilt angle sensor,infrared sensor,stepper motor,Mini STM32

1.任务

设计一个基于ARM单片机控制的简易智能自动小车系统。电动车跷跷板共需完成三项任务：

1.1 使小车能够在固定水平跷跷板上沿着黑色车轨迹行驶一个来回，并能记录小车到达B端和回到A端所用时间。

1.2 在跷跷板附有配重物体（位置不受限制）的情况下，小车能够在跷跷板上行驶一个来回并能记录小车到达B端和回到A端所用的时间。

1.3 在跷跷板附有配重物体（位置由评委老师选定）的情况下，小车能够在跷跷板上找到平衡位置，停留5s并声光响应和计时。

2.系统设计方案

2.1 电动车跷跷板原理

电动车跷跷板的关键是循迹模块和平衡模块。

这里的循迹是指小车在白色地板上沿黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是按照是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限。

平衡是指小车在跷跷板上要能够找到平衡位置，即跷跷板与水平面的夹角为0。由于无法达到绝对平衡，所以只要跷跷板与水平面之间夹角不超过2.8度可以近似看做平衡。故我们用到了倾角传感器来测量跷跷板与水平面之间的夹角。

平衡模块采用MMA7361加速度角度传感器测量角度。加速度角度传感器是通过测量由于重力引起的加速度计算出器件相对于某一平面的倾斜角度。角度传感器反应灵敏、输出数据准确且价格适中。利用加速度传感器进行角度测量分为3种：单轴倾角测量、双轴倾角测量和三轴倾角测量。在实际使用中，查阅所用传感器MMA7361技术手册及利用加速度传感器测量角度的原理，可得输出电压与测量角度的关系为：

其中，VOUT表示加速度传感器的输出电压，VOFFSET表示重力加速度为0 g加速度传感器的偏移量，

表示加速度传感器的灵敏度，1 g表示地球上的重力加速度，θ表示偏转角度。2.2 控制系统总体设计

电动车跷跷板控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图2-1 所示。

图2-1 控制系统的结构框图

1.主控制电路模块：用Mini STM32单片机，复位电路，时钟电路

2.红外检测模块：光电传感器TCRT5000

3.电机及驱动模块:电机驱动芯片L298N、两个步进电机

4.电源模块：双路开关电源

3.方案论证

本设计是一种基于ARM单片机控制的简易智能自动小车系统。一是能实现在水平和倾斜跷跷板上行驶一个来回。二是能实现在跷跷板上运动且在不同位置配重的情况下保持平衡等功能。利用步进电机控制小车运行，用倾角传感器测量跷跷板水平方向倾角来确定小车何时达到平衡，利用寻迹模块实现小车沿直线行走，还有显示模块以及声光显示模块等作为人机界面，实现显示及声光提示等功能。上述各模块的方案论证如下。

3.1 控制器模块

方案一：采用STC89C51作为系统控制器。它的技术成熟，成本低，引脚较少，硬件布局较简单。STC89C51为八位单片机，数据转换速度慢，且实时性不好，复杂的控制算法难以实现，不利于高精度的控制。

方案二：采用Mini STM32板子作为控制器。该ARM单片机I/O资源丰富，芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度。

根据本题的要求，我们选择第二种方案。

3.2 寻迹模块

通过寻迹模块小车可实现沿预设轨迹行走。

方案一：通过光电开关来实现，它测量距离较远。但是其体积大、成本高、安装起来比较麻烦。

方案二：通过红外对管来实现，它测量距离近，但反应灵敏、准确。相比光电传感器而言,其体积较小,价格低,安装较容易.

考虑到性价比和简单易行的策略,我们选择方案二.

3.3电机模块

电机模块选择是整个方案设计的关键，按照设计要求，小车需在配重位置可变的情况下达到平衡状态，这需要对小车的精确控制，而且小车制动性能要好。因此普通直流电机不能满足要求。