1、电动车跷跷板自动控制系统2007 年全国大学生电子设计竞赛 F 题作品竞赛园地2Oo7 全国电子大赛一等奖电动车跷跷板自动控制系统007 年全国大学生电子设计竞赛 F 题作品提要:本系统以高性能单片机 C8051F020 为核心.使用SCAIOOT_D02 高精度倾角传感器作为检测装置.小车以混合式两相步进电机驱动,车身前后各加装了一排红外传感器,以保证其能够在贴有黑色引导线的跷跷板上乎稳行驶.系统采用离散化PID 控制算法,能够控制电动车在跷跷板上任意位置准确定位,平衡.电动车在特殊点处具有声光提示信号.该系统构建了基于无线射频的双机通信结构,能够本地实时显示系统参数,并可查询历史数据.系统
2、特色如下:基于无线通讯的主从机系统,可查看实时及历史数据;改进 PID 算法,控制电动车在跷跷板上快速定位平衡一,系统方案设计与论证1.题目简介设计并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.配重可拆卸.电动车从起始端 A 出发,可以自动在中南大学张杰黄凯刘炳尧指导教师:李飞跷跷板上行驶并达到平衡状态.电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图如图 1,图 2 所示.2.系统实现方法通过车载倾传感器对跷跷板倾角的高精度测量,实时地向控制系统反馈当前跷跷板的倾斜状态,系统根据跷跷板的状态做出前进或者后退动作,调整跷跷板两端力矩.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
3、跷跷板上平稳行驶.后退,以及从地面任意位置找到跷跷板起点,在小车的前后各安装了一排红外光电传感器,与跷跷板上的黑色引导线配合,完成对小车行驶的引导.根据题目要求,系统分为角度检测,路面弓 f 导,电机驱动及实时数据显示等四部分.为使系统功能更完善,我们还加入了红外遥控功能,并构建了基于射频无线通讯的主从机监控系统.3.方案论证与选择(1)核心控制模块的选择核心控制模块是系统的大脑,控制着系统的所有输入输出,计算,判断与决策“ 电动车跷跷板“ 精度要求高 (平衡时允许偏差约1.43 度),选择合适的控制模块,能确保其快速实现稳定及达到系统要求的其他功能.方案一:使用传统 51 系列单片机.传统
4、51 单片机价格便宜 ,控制简单,但运算速度慢,片内资源少,存储器容量小,难以存储大体积程序和实现复杂的算法.方案二:使用 Silabs 公司 C8051F 系列单片机.C8051F 单片机使用 Silabs公司的专利 CIP-51 微控制器内核,是标准的混合信号片上系统 (soC),除具有标准 8051 的数字外设外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件,其他数字外设及功能部件,如电压比较器 PAC,ADC,DAC,SPI,SMBus(I2C),UART 等,特别方便进行数据的实时采集与控制.在 C8051F 系列中单片机中 ,通过性能及成本比较,我们选择了图 1 起始状态示意图图
5、 2 平衡状态示意图42?毫予鼻作 108 年第 1 期C;8051F020.(2)跷跷板倾角的测量作为本系统的核心传感装置,跷跷板倾角的精确测定是确像系统功能实现的基础.作为角度测量,有以下两种方案可供选择:方案一:采用磁敏式或无刷电阻作为跷跷板倾角的测量工具.这类角度传感器具有无触点,无磨损,高灵敏度,接近无限转动寿命,无电噪声,高重复性,高分辨率,高频响应特性好等特点.方案二:采用倾角传感器.倾角传感器又称水平仪,倾角仪,通常用来测量物体与水平面或是竖直面之间的夹角.对于电动车跷跷板控制系统而言,角度传感器的选择主要考虑精度,测量范围,安装.一般磁敏式角度传感器和倾角传感器都能达到 12
6、 位,即 0.001 度的精度,磁敏式角度传感器测量范围可以达到 0 度360 度,而倾角传感器在精度范围内也能达到20度30 度,均能满足精度及测量范围的要求,但磁敏式角度传感器必须安装在跷跷板转轴处,安装不便.此外,考虑传感器信号必须传输到小车上处理,无论是从简化硬件还是从控制的便利与精度考虑,都不适合用磁敏式角度传感器.而倾角传感器可以直接水平安装在车模底盘上,故确定选倾角传感器.通过比较选择,我们最终选择了 12 脚贴片封装的芬兰 VTITechnologies 公司生产的双轴(X/Y 轴) 高精度倾角传感器 SCA100TD02,其实物见图 3.(3)路面引导方式选择为使电动车能够在
7、跷跷板上I1J 前进而不至于掉落,在木板上加装适当的引导措施是必须的.路面引导一般可以采用光源或是黑色引导线,考虑到灯光引导安装不便,而使用黑色引导线方便,准确,简单易行,因此采用黑色引导线.在安装实施时,我们先在跷跷板表面卜贴卜一层白图 3 倾角传感器 SCA100T-D02 实物图竞赛园地纸,再在木板中线上贴上一条黑线.因为相对于木板的颜色,白纸能够更好地反射红外光线,使红外接收头的反应更加灵敏,有利于电动小车的循迹行驶.(4)驱动方式及驱动电机的选择要在跷跷板上平衡,电动机必须具有很好的机动性能,不但有足够的响应速度,还能够平稳地在行驶过程中进行精确定位.方案一:采用单片机 PWM 波控
8、制直流减速电机.这种方法的优点在于,能对电动机转速的上升与下降进行平滑调节,保证调节过程本身对跷跷板的影响最低.但直流电机控制要求高,特别是在低速时,很容易出现超调,引起整个系统振荡.方案二:用单片机控制步进电机.由于控制信号为数字信号 ,不需要进行数/模转换;具有快速启/停性能,由于步进电机是采用脉冲驱动,每输入一个脉冲电机转子转动一定角度,脉冲输入频率的高低对应于电机转子的转速,而且通过驱动电路,电动车行驶速度很容易控制,单位时间内前进的距离也很容易测算.因此我们采用了第二种方案.(5)人机交互方式的选择按照题目要求,在系统运行过程中,需要并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间.如果在电动车
9、安装显示设备,如 LCD 或 LED 显示,不仅增加了电动车的重量,使调节平稳的难度增加,更重要的是增加了电动车的总体功耗.因为,具有背光灯的液晶显示器和 LED 数码管的耗电量很大,给使用有限容量的电池供电的小车增加了负担.另一方面,由于电动车一直处于行进过程中,读取显示数据十分不方便.为此,我们采用了基于无线数据传输模块nR.F905 的主从机系统.下位机安装在电动车上 ,负责电动车的实时控制及将电动车的状态参数传输给上位机显示系统.上位机用于显示电动车各个阶段的行驶时间及实时显示跷跷板的水平倾角.此外,上位机系统还可以将数据存储起来,可以通过键盘选择查看历史数据,比较两次运行的数据,这样
10、,就可以查看软件修改对整个系统带来的性能影响,有利于系统参数的调试.同样,上位机系统的控制核心我们也采用了 C8051F020 单片机.二,系统总体设计图 4 为系统总体设计框图.系统工作过程为:红外遥控器输入电动车启动指令, 电动车控制系统的下位机按控制指令开始运行,同时通过无线方式向上位机发出启动命令,上位机从待命状态进入运行状态,开始接收并显示从站(电动车)的实时参数.下位机则控制电动车运动,寻线模块引导电动车顺着黑色引导线前进,同时不断检测当前跷跷板的倾角.当第一次出现水平状态时,小车由前进状态进矍早幽态,并在跷跷板上磊匾 z 魈动机出声光信匝-I 红 W号,并按要求完成 L 二l!壁
11、苎里 I其他功能.图 4 系统总体设计框图2008 年簟 1 期电子作?43I.器=,2I 上!.!誉!=C11lU2L298NIVSSIN2VSIII3IH4OuTOUT2ENA0UT3EBOUT4ISENAGNDIsENBD3D40UToUT3OUT4图 6 步进电机驱动电路D 警 D 望 0.DR;3D6D7D6果不使用 SPI 输出方式,脚必须悬空.由于 C8051F020 内部有一三,主要单元电路介绍个串行总线接口 SPI,提供四个信号端,MOSI(主出从入),MISO(主人从出),1.倾角传感器电路 SCK(串行时钟),NSS(从选择),通过 C8051F 的交叉开关可以将这四个信
12、号使用芬兰 vTITechnologies 配置到 p0 到 p3 口的任意四个口上 ,因此我们选择使用数字 SPI 输出接口方公司的 SCA100TD02 二维倾角式读取角度信号.传感器,其应用电路如图 5 所示.2.步进电路驱动SCA100TD02 的角度数据选用集成步进电机控制芯片 L297 和双全桥驱动芯片 L298N 组成两相有两种输出方式,数字 SPI 输出步进电机驱动电路,如图 6 所示.方式(SCK,MISO,MOSI 及 CSBL297 可以产生四相驱动信号,有半步模式和全步模式两种工作方式,产脚)和模拟量输出输出方式生两种电压波形,经过驱动放大器放大后可以驱动两相双极或四相
13、单极性步(OUT1,OUT2 脚分别为 x 轴和进电机运动.西输入一定频率的脉冲信号,其频率的大小对应于步进电机Y 轴方向倾角的模拟电压输出转速的快慢;HALF/而控制选择电机的两种工作模式;CW/丽用高,脚).脚和 脚是空脚.脚和低电平控制步进电机的旋转方向;A,B,C,D 是电压时序的输出端,送至下级脚是自测用的,不使用自测功能驱动电路放大;HOME 是芯片时序状态指示信号,OC 输出,当 ABCD=0101时,脚必须悬空或接地.为了时 HOME 输出高电平.确保数据输出准确,稳定,在电源在驱动步进电机的应用电路中,经常将 L297 和L298N 配合起来使用.VCC 和地之间要接一只 l
14、OOnFL298N 是专门用来驱动感性负载的双全桥驱动芯片,所提供的负载电流达的去耦电容,以消除数字噪音引 4A,而我们选用的 42BYGH 混合式两相步进电机在驱动小车行驶时的最大起的电源波动.同样,在使用模拟电流为 2A 左右,故可满足实际需要 .OUT1 OUT4 为两相步进电机的接线量输出方式时,需要接一个低通端.其中,OUT1 和 OUT2 接一相,OUT3 和 OUT4接一相.R.7 R10 和RC 滤波电路 ,以消除噪音,如图 RllR14 两组电阻是负载电流检测反馈电阻 .当负载电流过大时,通过这5 中的 R.2,C2.需要注意的是,如两组电阻反馈的电压与 L297 设定的参考
15、电压VREF 相比较 ,从而禁止芯片,.DDD2V.CCc,工作,起到保护芯片的作用.上述电阻要选用大功率,fJ, 阻值的,这里蓥 HI,SO 要静规.匡=44.?电予舅伟 20o8 年第 1 期用 4 只 1W/2f电阻并联.需要注意的是,如果直接将 C8051F020 的管脚与 L297 的控制输入端相连,由于步进电机是感性负载,在正,反转和电机启,停时会产生较大的冲击电压,对单片机造成损害.因此,要在单片机和电机驱动电路之间加一级光电隔离电路,如图 7 所示.光耦选择 TOSHIBA 公B.一一一蝌 m 湖砉|矾博一一“一伯一 一幅一 一协一加竞赛园地 IfC0 嗡受司的 TLP521-
16、4.由于 C8051F 系列单片机是 3.3V 电源系统(其P0 一 P78 个 I/0 口都是耐 5v 输入电压的),因此在选择电阻时要注意,如果发光二极管和光敏二级管上的电阻阻值选择不当,则输出控制信号波形会变差,甚至失去控制作用.3.通讯模块通讯模块采用 nordic 公司的无线收发芯片 nRF905,其数据传输速率可达 78.5kbps,可以实现高速半双工通信,电路见图 8.其中,MISO,MDSI 为 SPI 接口的数据线,SCK 为时钟输入,CSN 为SPI 接口的片选端.TRX_CE,PWR._LIp 和 TXEN 是 nRF905图 1O 键盘接口电路的工作模式控制线,CD,A
17、M 和 DR.分别为载波输出,地址匹配输出和数据就绪输出,用以通知 MCU 数据收发状态.由于单片机的 SPI 口已经配置给了角度传感器,所以我们使用 4 个通用Io 口,用软件模拟 SPI 口,实现单片机与无线模块之间的数据交换.4.红外遥控接收电路Ii2I8k.器 u0-c图 9HS0038 红外线接收电路我们采用 HS0038体化红外接收头.该器件兼容 TTL 和 CMOS 电平,内部集成了输入增益放大,带通滤波和解调器等,通频带中心频率为 38kHz,与电视机使用的遥控器发出的红外频率相同,使用十分方便.电路接好后,从DOUT 端可以读出高低电平脉冲序列,该信号被送入单片机内进行解码,
18、以控制系统工作.电路如图 9 所示.5.上位机系统键盘与 LCD 显示电路2008 年第 1 期电子翻作?45咿鞲嚣卅州图 11 电动车供电系统框图我们用另一块 C8051F020 最小系统板,一块液晶显示器,一个44 的软键盘组成了上位机数据显示及查询系统.键盘的输入控制采用 MM74C922 集成 16 键编码器,如图 10 所示.其内部集成了按键扫描,硬件去抖动,按键编码,数据三态输出.16 个按键对应于ABCD 的 00001111 十六种数字输出状态,并有和 DA 两个控制信号.我们使用作为中断信号,每次按键产生一次中断,从读出的 A,B,C,D 的状态能够立刻知道按下的是哪个键,省去了软件扫描,软件去抖动,编程,使用十分方便.
