电动车跷跷板设计报告

摘要：
本课题组设计制作了一款智能自动小车。

小车具有以下几个功能：寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）；计算并显示所走的路程和行走的时间，变速行驶，自动寻找平衡点使跷跷板达到平衡。

该作品基于凌阳16位单片机SPCE061A用直流电机作为驱动，通过各种传感器来采集信息，并送入主控单元SPCE061/单片机进行处理，并产生相应的动作，以达到自身控制。

电机控制电路包括方向控制单元和速度控制单元两大部分。

角度检测部分由角度传感器产生信号后送入单片机；黑带检测和速度检测部分都是利用红外线对射方式，在小车的车轮粘上一个挡光圆所料片圈，并在上面开一些透光孔，通过设定固定时间来计量车轮转过圈数进而测出速度。

控制单元接收到信号后，通过程序控制来完成相应动作，实现了无人控制即可完成设计需要动作。

系统方案论证与比较
方案一：通过搭建各种数字电路来组合成小车的控制系统， 对扩展的黑线检测，速度检测，角度测 量等信号进行处理。

本方案设计电路复杂，扩展性不好，实现起来比较困难。

方案二：采用凌阳16位单片机SPCE061A 来作为系统的控制单元。

红外线探头采用市面上通用的 发射管与及接收头，经过 LF358放大后送入单片机；角度传感器采用分辨率可以达到小于等度的 WQH36-45倾角传感器，它所产生的信号通过A/D 转换成数字信号进行处理。

此系统设计起来比较 简单，可扩展性较强，灵活性较好，各类功能也易于实现。

所以决定采用方案二，其系统的结构框 图如下图所示：
比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能够很好地达到设计题目的要 求，因此采用方案二来实现。

该系统的结构框图如下图所示：
广黑带检测
61
单
片
机
A 红外线接收
二，模块电路设计与比较
速度测量模块
方案一：利用红外线对射方式，在小车的车轮粘上一个挡光圆塑料圈，并在上面开一些透光孔，，通过计算在固定时间内计量车轮转过圈数而测出速度。

方案二：利用霍尔元件来对转过的车轮圈数来计程，在车轮子上装小磁片，霍尔元件靠近磁片一次计程为车轮周长。

此方案传感的信号强，电路简单，但精度不高。

通过计算车轮的转数间接测量车速，利用了霍尔元件感应磁块产生脉冲的原理，再对脉冲进行计数。

另可采用红外线原理提高记程精度，其方法为在小车的车轮粘上一个挡光圆所料片圈，并在上面开一些透光孔，当车轮转动时，红外光透射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来，小孔越多，测量值越精密。

检测黑线模块
方案一：采用光敏电阻进行检测。

光发射端为发光二极管，接收端为一光敏电阻。

光敏电阻根据接收光的强度会产生不同的电阻值，而输出不同的信号。

由于黑色吸收光的能力较强，所以光敏电阻遇到黑线和不遇到黑线接收到的光的强度不同，产生的电阻值也不同，输出信号也不同，单片机会对不同的输入信号给与相应的控制。

但是这种方法受外界光线强度影响比较大，所以很难把握对输出信号的控制。

方案二：采用红外线检测方式，其原理与红外对射方式基本相同，也是由一个放射管一个接收管组成。

接收管根据接收到的红外线强度输出一系列信号，并送入单片机进行控制。

这种方法受外界因素影响比较小，对输出信号的控制比较好把握。

对比两个方案，我们决定采用方案二进行检测，因为它可以设计的精确度。

平衡测量模块
方案一：采用一个无接触磁敏电位仪和一个陀螺，把他们固定在金属支架上，陀螺的垂线正对磁敏电位仪的孔，通过测量电位仪输出电压的变化测出陀螺摆角的变化，通过程序控制小车在跷跷板上的平衡。

但是它的精确度很差，由于陀螺具有惯性，在电动车快速行驶过程中，陀螺难免会因为惯性而来回摆动，这样很难检测到稳定的输出信号，所以控制起来比较困难。

方案二：采用精密角度传感器，通过对角度的测量来掌控小车的平衡。

使用该传感器可以很精确地测量出角度，而且它的重量也很轻，输出信号稳定，便于用程序来控制。

从各方面都提高了小车的可控制性，也提高了精确度。

本次设计为了小车能在跷跷板上更好更精确地掌控平衡，本课题组经研究决定采用方案二，用市面上的WQH36-45 倾角传感器作为角度测量的基本元件，通过精确地测量角度进而使小车能自动调节平衡。

4，显示模块
方案一：采用LCD 显示，用单片机可实现显示数据，但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。

方案二：采用LED七段数码管，-I/O 口上，设计电路简单，显示效果直观，明亮，调试容易故采用LED数码管显示。

数码显示如图所示：
三.系统原理及理论分析
1,单片机最小系统组成
单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的集、处理、分析及对各部分整体 调整。

主要组成是：凌阳SPCE061A1位单片机、晶振及各路的传感器件。

2，测速及控速原理
采用红外线对射方法，发射管发射红外线，接收管对发射管红外线进行接收并输出 TTL 电平。

当接收管接收到红外线时，接收管输出低电平，否则输出高电平，这样输出一系列 TTL 电平，送入 单片机对信号的处理。

而控速原理则是利用 PWM 进行控速，具体如下：PWM 法分自然采样法和 规则采样法，这里我们采用规则采样法。

其理论计算如下：
Toff = Ts/4 -a; Ton = Ts/4 +a
根据三角形相似关系，解出a 值，并带入上述两式可求得
Toff = Ts/4(1- Ms in ®⑴;Ton = Ts/4(1+Msi n ® t1)其中T1为采样点(这里为顶点采样)的时刻。

脉冲宽度为：Tpw = Ts (1+ Msir ® t1)/2= Tt (4+Wlsin ® t1)/2
3，黑带检测原理
利用光的反射原理，当红外线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑 色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带位置。

根据 遇到白纸与黑带所产生的不同 TTL 电压，单片机利用程序作出相应的动作。

4，平衡控制原理
本次设计小车在跷跷板上保持平衡主要是利用 WQH36-45倾角传感器测量角度，根据经验公式设定不同的平衡角
度值，通过程序控制小车进而使小车达到平衡。

设计要求规定平衡的定义为
|dA-dB|v=40mm,由此可计算岀平衡时角度的动态范围为正负度左右。

当角度值在(，
90)之间时，小车以微小的速度
向前进；当角度值在(90，)之间时，小车以微小的速度向后退，
直到小车达到平衡为止。

四.系统程序设计
该系统的软件设计是通过调用黑线检测子程序，速度控制子程序，显示子程序，中断服务程序，定时子程序等一系列 子程序来实现特定功能的。

系统框图如下：
£
3t
-l
t5-
“
-r
-
五，调试过程及结论
整机焊接完毕后，我们首先对硬件进行检查联线有无错误，再逐步对各模块进行调试。

首先写入电机控制小程序，控制其正反转，停机均正常。

加入寻迹子程序后，小车运转正常，调整灵敏度达最佳效果。

加入显示时间子程序，显示正常。

对速度测量子程序也进行了调试，并使其精确度得到了提高。

接着对黑带检测模块调试，发现小车会跑出黑带，经判断是因为小车由于速度太快且红外线检测的灵敏度也不是很高而导致没有监测到黑带。

我们通过改变速度并作了多次试验后，设定了一个可以检测倒速度又不会对设计要求产生很大影响的速度。

最后对角度测量惊醒测试，通过角
度测量，对小车的平衡进行测量。

该测试的难度最高，要非常精确地设计好小车在自动调整平衡过程中的速度，以使小车能能在设计要求的时间范围内尽可能快的调整好平衡。

开始上电测试时，小车基本没有什么负载，也能完成程序所设计的要求。

但是当增加小车的负载后发现小车的爬坡能力很差，不能完成在跷跷板上自动爬坡，需要一定的惯性才能爬上去。

最后我们决定更换了马力较大的电机后将此问题解决了，小车能在很大的负载下自动爬坡。

本课题组通过对各种方案进行尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，使智能小车能基本达到设计要求。