1、第六章 应用设计举例6-1 设计题目设计题目2007年全国大学生电子设计竞赛：年全国大学生电子设计竞赛：电动车跷跷板（电动车跷跷板（F题）题）【本科组本科组】一、任务一、任务 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。配重的位置可以在从始端开始的200mm600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；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。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图6-1和图6-2所示。二、要求二、要求1.基本要求在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；（2）60秒钟之内，电
2、动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；（3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。2.发挥部分将配重固定在可调整范围内任一指定位置电动车完成以下运动：（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图6-3所示：（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指
3、示，保持平衡5秒钟以上；（3）将另一块质量为电动车质量1020的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；（4）电动车在3分钟之内完成（1）（3）全过程。（5）其他其他。三、说明三、说明（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式。（2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支撑在支架上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。（3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板面和地面平整。（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长300
4、mm，宽200mm。（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=dA-dB不大于40mm。（7）整个行程约为1600mm减去车长。（8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥部分（1）不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项不得分。四、评分标准四、评分标准设计报告项 目目主要内容主要内容分数分数系统方案实现方法方案论证系统设计结构框图12理论分析与计算测量与控制方法理论计算13电路与程序设计检测与驱动电路设计总体电路图软件设计与工作流程图12结果分析创新发挥结果分析8设计报告结构及规范性摘要设计报告结构图表的规范性5总分分50基
5、本基本要求要求实际制作完成情况50发挥部分部分完成第（1）项10完成第（2）项15完成第（3）项10完成第（4）项5其他10总分分506-2 题目分析（关键方案论证）题目分析（关键方案论证）一、整体系统设计思想：一、整体系统设计思想：行走部分：行走部分：使用四轮或者两轮使用四轮或者两轮+1随动轮驱动，后者系统随动轮驱动，后者系统简单。简单。行走轨迹控制：行走轨迹控制：按题目条件，自行设置跟踪轨迹（白纸按题目条件，自行设置跟踪轨迹（白纸黑线）。黑线）。平衡检测：平衡检测：倾角传感器。倾角传感器。显示器：显示器：LED或者或者LCD，后者可以直接使用模块，简单。，后者可以直接使用模块，简单。核心：
6、核心：51单片机。单片机。电源：电源：蓄电池组，电压取决于行走电机。蓄电池组，电压取决于行走电机。二、系统框图单片机左 右 电 机 控 制角度检测引导线检测LCD显示图6-4 系统整体框图三、系统主要部分方案论证1 电动车车体的选择 方案一：可以在车模店自己选购配件组装或自己加工制作，优点是这种方法能够制作出完全符合自己设计意图的车体，缺点是需要较多时间和高水平的加工工艺。 方案二：购置成品玩具电动小汽车，缺点是不可能完全符合使用要求，需要做大量修改。 根据实际情况，采用方案一，自制小车自制小车。2电动车的动力方案选择 方案一： 采用普通直流电机驱动。优点是价格便宜、动力大，缺点是转速大、难于
7、控制，同时需要另配速度检测装置。 方案二： 采用直流减速电机驱动。优点是转速低，动力大，缺点同方案一，也需要额外安装速度检测装置。 方案三： 采用双步进电机差速驱动。特点是控制精度高、灵活，在驱动力矩范围内，支持无反馈开环控制。 根据分析，本题要求车子必须具备高度灵活性和精确控制，故设计采用方案三，采用双步进电机差速驱动采用双步进电机差速驱动。图6-5 一种现成的底盘（履带） 一款机器人履带式底盘，可以购买。但是它采用普通直流电机，配置了简易的减速齿轮，具有力量和速度的优势。但稳定性和精细动作则难于掌控。图6-6 直流、直流减速、步进电机3. 电动车的倾角测量方案选择 方案一：采用光电编码器。
8、需在其轴上安装重锤才能进行倾角检测，且进行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力，灵敏度低。同时电机振荡会使测量结果不稳定。 方案二：采用倾角传感器。芬兰VTI公司生产的SCA61T是一款利用重力加速度测量倾角的集成芯片，使用方便，分辨率高（0.1度），低噪声，并且可采用数字SPI或模拟输出。 方案一安装复杂且测量精度不高，方案二则刚好相反，故采用了方案二，选择集成倾角传感器。4电动车平衡控制方案选择 方案一：模糊判断，根据不同倾角检测情况进行处理和多条件复杂判断。优点是容易直观判断，缺点是容易遗漏一些情况，造成判断失误。 方案二：数字PID控制。PID控制具有算法简单、适应性强、稳定性好、可靠性
9、高等优点。 通过分析比较，选择了方案二的数字PID控制。图6-7 倾角传感器与光电编码器图6-8 二维线性CCD传感器图6-9 各种光电传感器5轨迹检测方案选择 方案一：线性CCD（电荷偶合器件）摄像头寻迹。优点是检测精度高、反应速度快，缺点是信号处理比较复杂，对摄像头记录的图象进行分割和识别困难。 方案二：光电传感器寻迹。优点是原理简单、操作方便、信号处理速度快，缺点是分辨率低。 通过分析，方案一实现困难，方案二能够满足测量需要，选择了方案二，使用反射式光电传感器组循迹。四、任务实施过程描述 采用多路光电传感器ST178（红外反射式）对轨迹黑线进行采样，保证采集足够的信息，供电机的实时调节，
10、以达到能在板上精确沿着轨迹行进的目的。采用倾斜传感器SCA61T对跷跷板进行实时倾角采样，保证有充足的新倾角数据供单片机处理，达到快速平衡硗硗板的效果。 单片机将收集的数据进行处理后，以精确控制步进电机按照指定的任务运行。在整个行程中，单片机时刻记录步进电机前进的步数，并在要求的位置显示所处的位置。本系统需在跷跷板中心线上放置引导线，整个过程可分为以下几个阶段（以下包含发挥部分）：1）查找黑线上板阶段）查找黑线上板阶段。在板下300mm以外、90扇形区域内任一位置查找黑线，驶上跷跷板。2）行驶阶段）行驶阶段：在板上巡线行驶，保持车体时钟处于板子之间位置。为快速准确进入平衡区，在平衡区前认为加设
11、一条横向黑色轨迹（符合规则要求）。小车发现后即准备减速平衡。3）平衡阶段）平衡阶段：小车驶上跷跷板后，发现板有明显的角度变化时，认定已进入平衡中心线区域，开始平衡调节。4）跷跷板加重物重新平衡阶段）跷跷板加重物重新平衡阶段。当小车第一次平衡后，给跷跷板加一重物，让小车重新查找平衡点，再次平衡。5）终点倒车阶段。）终点倒车阶段。在小车到达跷跷板的另一端时，小车按照原来的轨迹倒车回到出发点。 图6-10 系统实体图1图6-11 系统实体图2五、车体整体设计注意事项1.车体尺寸 必须符合题目要求，电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长300mm，宽200mm。尽量控制高度，降低中心，提高
12、稳定性。2.驱动电机选择 估算跷跷板最大倾角、估算车体质量。保证电机有足够的扭矩，保证正常爬坡和行走。同时保证电机具有较小的步进角，较高的驱动频率，保证稳定性和速度。3.车体结构 合理设计电路板、传感器位置、电池位置。保证车体重心尽量与中心重合，保证传感器位置振动最小，以准确自测姿势。6-3 硬件工作原理分析与说明硬件工作原理分析与说明一电机控制电路（一）原理 本设计中需要对电机的控制达到灵活、精确，从而达到非常理想的稳定平衡效果。经过考虑，采用了2只四相步进电机四相步进电机，型号为42BYGH404。电机电源部分采用十节AA型1.2V电池组直接供电，电机驱动部分采用8只N沟道MOS管IRF5
13、40驱动两只电机，使用一片ULN2803（八达林顿阵列）做电平转换控制驱动。图6-12 步进电机电气控制原理图（二）辅助知识：步进电机原理 一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。步进电动机的种类很多，按结构
14、可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。图6-13 步进电机电气工作原理图（1）.单三拍通电方式的基本原理单三拍通电方式的基本原理设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置（图6-14）；接着B相通电（A、C两相不通电），转了便顺时针方向转过30，它的齿和C、C极对齐（图2c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按ACBA的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图6-14
15、 步进电机单3拍电气工作原理图（2）.六拍通电方式的基本原理六拍通电方式的基本原理设A相首先通电，转子齿与定子A、A对齐（图6-15a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15。其位置如图3d所示。这样，如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。电流换
16、接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。 图6-15 步进电机单6拍电气工作原理图（3）.真实步进电机结构真实步进电机结构一般步进电动机最常见的步距角是一般步进电动机最常见的步距角是3或或15。由上式可知，。由上式可知，转子上不只转子上不只4个齿（齿距角个齿（齿距角90），而有），而有40个齿（齿距角为个齿（齿距角为9）。）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图样的小齿。步进电动机的结构图如图6-16所示。所示。 图6-16 真实3相步进电机结构图 实际的小型步进电机实际的小型步进电机为提高控制精度，多为为提高控制精度，多为4相，相，步距角为步距角为18。当工作于。当工作于4相相8拍时，步距角为拍时，步距角为09。甚至为提高分辨率，有市甚至为提高分辨率，有市售的细分控制器，可以将
