电动车跷跷板.doc

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1、电动车跷跷板摘要：本设计以P89V51RD2FN单片机为电动小车的控制核心，采用MSA-LD2.0倾角传感器实时测量跷跷板的倾斜角，用ST198光电传感器检测黑色引导线监测小车运动。光电传感器和倾角传感器模块把实时测量信号馈送至单片机，利用专用细分芯片TA8435H驱动步进电机，以脉宽调制式斩波方式对步进电机步进角进行细分，控制和调节小车速度。采用增量式PID控制算法确保小车能够达到平衡；用RT128×64M液晶显示时间、角度等参数。经测试表明：小车各项性能指标达到设计要求，能够实现30秒内小车行驶到规定点，并保持跷跷板平衡；在跷跷板一端配重可调整的情况下，小车也

2、能自动找到平衡点并保持跷跷板平衡。关键字：电动车、倾角传感器、步进电机、增量式PID控制1系统方案1.1设计思路根据设计要求，系统可分为控制部分和信号检测部分。其中信号检测部分包括：路面检测模块，角度测量模块；控制部分包括：电机驱动模块，显示模块，控制器模块。小车的基本模块方框图如图1.1.1所示。1.2模块方案论证与选择1.2.1控制器模块根据设计要求，控制器主要用于各传感器信号的接收分析、判断和控制小车电机的动作，控制运行时间、平衡时间等参数显示。采用Philips公司的P89V51RD2FN作为系统控制器就可以实现控制要求。该单片机算术运算功能强，软件编程灵

3、活，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。它功耗低、体积小、成本低，而且响应时间是完全可以满足系统要求。1.2.2电机及其驱动模块选择步进电机是一个数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机轴就转动一个角度，适合于单片机控制。故采用步进电机作为小车驱动。方案一：使用L298N芯片驱动电机L298N可以驱动直流电机和步进电机，本设计中考虑到电机的带负载能力以及控制小车行驶的精度问题所以选择用步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可直接通过电源来调节输出电压，直接用单片机的I/O口提供信号。方案二：采用TA84

4、35H细分芯片驱动步进电机。使用细分方式，能很好的解决步进电机在低频工作时，振动大、噪声大的问题。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步距角的细分。跟用L298N比较：调试简单，最大1/8细分，低速运行震动噪音小；不但简化了电路而且该芯片价格更加便宜。通过综合比较为达到最佳驱动效果，选择TA8435H芯片驱动步进电机。1.2.3倾角传感器模块选择方案一：采用UZZ9001+磁阻式KMZ41角度传感器实现非接触的、精确角度测量。该方法虽然测量出的结果可以达到要求，但是不方便安装、调

5、试。方案二：采用MSA-LD2.0双轴加速度传感器。基于热交换原理的MSA-LD2.0传感器，分辨率为0.1度，其介质是气体，可以测动态、静态加速度，从而转换成物体的倾斜角度。MSA-LD2.0输出模拟信号通过P89LPC32单片机处理，最后送到主控制单片机，如图1.2.1所示。这样方便控制器读取数据，且芯片外围电路简单。以上两个方案均可以达到测量结果的精度要求，考虑到安装、调试方便，选择MSA-LD2.0角度传感器。1.2.4光电检测模块选择方案一：用发光二极管与光敏二极管组成发射－接收电路。该电路的特点是体积小、调试简单、不容易受到外界干扰并且反应速度快。但是

6、如果用直流电压对管子进行供电限于管子平均功率的要求，工作电流很小，且容易受到外界环境的干扰。方案二：用脉冲调制的反射式红外发射接收器。该方案继承了方案一的优点，同时考虑到环境光干扰主要是直流分量，若采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度的减小外界干扰；另外红外发射管的最大电流取决于平均电流，当使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大，可大大提高信噪比。基于以上分析，选择脉冲调制的反射式红外发射接收器ST198。1.2.5电池选择采用镍氢电池供电。镍氢电池是目前最环保的电池，能量密度比高，能有效地延长设备的工作时间。同时镍氢电池在电学特性方面

7、与镍镉电池亦基本相似。高效DC-DC片稳压芯片LM2575将电池提供的电压变到5V，这样就将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路完全隔离，利用光电耦合传输信号，从而提高了系统稳定性。1.2.6语音模块语音模块用ISD4004语音芯片进行声音录放。1.1系统最终方案经过方案分析和论证，选择的系统各模块为：①采用P89V51RD2FN单片机作为控制器；②采用TA8435H细分芯片驱动步进电机；③采用MSA-LD2.0倾角传感器测量实时角度，为单片机完成控制提供判据；④采用ST198反射式红外光电传感器来检测引导线；⑤采用2300mA镍氢充电电池供电；⑥采用RT128×

8、64M带字