文档介绍：提要:本系统以STC12C2052和89C52 为核心,使用MMA7361高精度倾角传感器作为监测装置。以L298为直流电机驱动,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线引导线的跷跷板上平衡行驶。本系统通过STC12C2052对小车运动,超声波,测速光电门进行管理。89C52对红外对管,无线,平衡模块进行管理控制。两单片机通过SPI通信,实时分工控制各部份。
系统方案设计与论证
设计并制作一个电动车跷跷板起始端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下图
2系统实现方法
通过车载倾角传感器对跷跷板的高精度测量,实时地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作出前进或者后退的动作,调整跷跷板的状态作出前进或者后退动作,调整跷跷板两端的力矩,使跷跷板保持平衡实现所要求的其他功能。为了保证小车能在跷跷板平稳行驶/后退,以及在任意位置找到跷跷板起点,在小车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、路面引导、电机驱动及实时显示数据。为了使系统更加完善,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。
方案论证与选择
(1)核心控制模块是系统的大脑,控制着系统的所有输入和输出、计算、判断与决策。“电动车跷跷板”精度要求高,选合适的控制模块,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51单片机价格便宜、控制简单,但运行速度慢,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STC12系列的单片机出了8051的数字外设,片内还集成数据采集和控制系统中常用的模拟部件,如PCA、PWM、ADC、SPI,而且STC12系列单片机时钟频率最高可支持48MHZ,并且1T指令模式,即执行指令时,一个时钟周期就是一个机器周期,比通用8051内核单片机执行速度快12倍。
于是我们选择STC12C2052专门来控制电机运转和调节,通过SIP协议进行与89C52进行通信反馈。
(2)跷跷板倾角的测量
作为本系统的核心传感器装置,跷跷板倾角的精确测定是确保系统功能实现的基础。作为角度测量,有以下两种方案选择:
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、接近无限运转寿命、无电噪声、高重复性、高分辨率、高平响应特性好等特点。
方案二:采用倾角传感器。倾角传感器又称为水平仪/倾角仪,通常用来测量物体与水平面或是竖直面之间的倾角。
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、测量范围及安装。,范围都能达到要求,但磁敏式必须安装在跷跷板转轴处,不方便,倾角传感可以直接水平安装,故我们选了MMA7361三轴传感器和外接AD0832给89C52处理。
MMA7361实物如图:
(3)路面引导的选择
路面引导有三种方案:
一是AD采样实现,可以减少系统的误判,能避免可见光的干扰,缺点是引用IO口较多,操作复杂。
二是采用555构成施密特触发器,可调节探测距离与触发电平,虽然会受可见光干扰,但只虽调节电阻便可适应不同的地面与不同颜色的地面引导线,适应性强,缺点是每个对管对一个555,成本增加。
三是加功放,稳定性较差。
综上所述,本系统采用第二方案。
(4)驱动方式及驱动电路的选择
方案一:采用单片机控制步进电机,由于控制信号位数字信号,不需要进行数模转化,电机容易控制,但转速不平衡,运行笨拙。
方案二:采用单片机PWM波控制直流电机,这种方法也能对电机转速的上升和下降进行平滑调节。因此我们采用第二种方案。
(5)人机交互方式的选择
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,使调节平稳难度增加,更增加了电动车的功耗。另一方面在小车在运行过程中读取数据很不方便。为此采用采用无线数据传输模块NRF2401 ,下位机安装在显示的电动车的实时控制及将电动车状态参数传输给上位机显示系统。上位机用于显示各个阶段的行驶时间及实时显示跷跷板的水平倾角,上位机存储数据有利于系统整体调节。
二、系统总体设计
主要单元电路介绍
倾角传感器电路
倾角通过AD0832转换成数字信号。
2、STC12C2052控制L298驱动电路,为控制类小车准备比赛,可外加有光电门测速,超声波倒车避障。
STC89C52通信电路
红外寻迹模块
红外对管