电动车跷跷板

　　　　　　　　　　　　　　　　　摘要

本系统以freescale公司提供的DG128芯片作为核心控制芯片，且通过在白色衬底上贴一条长2.5cm的黑线作为小车的引导线，让小车在跷跷板上能稳定的行驶。为实现题目所要求的功能，用角度传感器作为跷跷板角度反馈量，通过一定的算法控制小车的速度使小车能够在跷跷板上找到平衡点。小车的设计包括如下几个模块：摄像头采集，角度传感器安装与采集，驱动和转向的控制，速度检测，液晶显示模块等。

一、系统方案

（一）方案的论证与比较

根据大赛题目的设计要求，跷跷板的尺寸规格已经在题目中规定好，只需按照规定自制一个就可，所以此次设计的主要精力放在小车的设计上。

1、小车的引导

由于可以在跷跷板上加引导措施，受2003年简易智能小车启发，在跷跷板表面铺白色衬底，在中间贴2.5cm的黑线，用传感器检测中间黑线的位置即可使小车在板上能稳定的行驶。

方案一：红外管，即用红外管检测黑线，通过黑白线之间的电压值的变化识别黑线，此方案电路较为简单，处理数据也较简单，但是红外管受环境光的影响比较大，及容易出现偏离轨道等错误。

方案二：摄像头，受环境光影响比红外管小很多，但在光照很强的情况下也会有很大的影响。但是由于这是室内的比赛，所以光照很强的情况可以不用太多考虑。另一方面是摄像头照射范围宽并且广，所以采集的信息比红外管多，对黑线的识别更为精确和有效。选取方案二。

2、驱动电路的选择

采用专门的小功率电机驱动芯片MC33886，可用单片机PWM端口给直接控制，但一片发热量比较大，所以采用4片33886并联驱动，首先驱动能力加强，而且在不加散热片反压时的发热量也很低。4片也有一定的缺点：一是所占面积比较大，二是对电池电压的损耗比较大。

3、检测角度传感器的选择

由于小车需要在加重的情况下在木板上保持平衡，需要采用木板所倾斜的角度作为回馈量，理想状态下当木板的倾斜角度为0时表示木板已经平衡。

方案一：电位器电阻值法，即在电位器上挂一个重物，重物由于重力总是垂直与水平面，当角度变化时则可以带动电位器的中心抽头变化，从而通过电阻值变化计算出角度的变化。本方法比较简单，造价便宜，但当挡板从左倾最大到右倾最大时，用8位AD采集的值只有十几左右的变化，控制精确度不够。所以放弃此方案。

方案二：角度传感器，采用型号为UZZ9001的角度传感器，此传感器为24脚贴片封装，用法为在芯片正下方放一个长方形磁铁，当磁铁和芯片发生相对运动时，芯片会感应到磁铁外部磁场的相对变化，从而检测变化角度。此芯片检测的角度范围为0°~180°。输出为数字信号，且能把角度信息由SPI编程传输到单片机。0°到180°所对应输出的范围为0~213 所以每变化1°输出的变化为45。精度很高，已能满足此次大赛的要求。所以选用方案二。

四、其他

1、测速模块用红外对射管，中间放一个有孔的自制码盘。当码盘随电机转动时，由于红外随孔导通关断，从而可测得红外引脚高低电平的变化，把此信号经NE555整形后输入单片机处理，即可得到速度值。

2、转向模块，用小车自带的舵机控制转向，此舵机只需给一个一定频率的PWM波并且改变PWM波的高电平时间就可以使舵机定位在需要的角度上。

（二）系统设计与结构框图

系统的整体思路为通过调速控制小车的停止与前进，通过角度传感器反馈当前跷跷板的角度，用步进补充算法实现在中心位置及加配重时其他位置的平衡的控制。结构框图：

图F-1 总结构框图

采用摄像头图像采集的方式控制小车循迹，在这个基础上，通过舵机控制转向，通过电机控制小车的速度。在功能模块上，可将整个赛车分为六大部分：摄像头图像采集模块、电源模块、驱动模块、舵机转向模块，测速模块、角度传感器模块，液晶显示模块。下面就这六个模块分别作出简要地介绍：

摄像头图像采集模块：CMOS摄像头的PAL信号经LM1881视频分离芯片向DG128产生行中断信号和场中断信号，以控制图像AD值的实时采集；然后通过边沿提取算法提取出每行黑线的位置，通过提取连续行重新购建一帧图像的算法对整个一帧图像进行处理。

驱动模块：用MC33886直流电压驱动芯片驱动电机，以实现调速。这里采用4片并联的方式，提高驱动能力，并编写相应的保护程序，避免电机堵转电流过大，烧毁MC33886。

测速模块：以光电耦合管和自制的码盘作为测速的传感器，光耦合管的输出信号经过555定时器组成的斯密特触发器整形得到一定频率的矩形波信号，再经过DG128的输入捕捉功能提取出小车的速度值。

角度传感器模块：:用角度传感器采集角度信息通过SPI通信传输到单片机。

液晶显示模块：用RT1602C型字符型液晶显示模块显示跷跷板的角度和小车所行驶的时间。

二、理论分析与计算

（一）测量控制方法：由于角度传感器的灵敏度比较高，所以把传感器用支架固定在跷跷板上把磁铁用支架附着在地上，即基本一直保持磁铁的水平，当跷跷板倾斜时，角度传感器跟随跷跷板倾斜，从而能实时的输出当前所倾斜的角度，而且通过的测试，可以分出左倾还是右倾。左倾时范围变化为0~80的范围，右倾时范围为100~180的范围。所以可以判断小车是需要前进还是后退。从而找得跷跷板的平衡点。传输数据的方法是用长导线，一端连接小车，随小车运动，一端连接传感器，实时得传输角度值。

（二）控制方法：用码盘的孔数做路程的记忆，可以使小车到挡板末端精确停止。以实测的平衡点的角度传感器输出值得到挡板平衡时的输出值的范围。当小车走到此值时先使小车停1~2ｓ，待木板不动后在通过木板角度的反馈值对跷跷板进行进一步微调，从而使小车最终平衡。

三、硬件电路和软件程序设计

（一）硬件电路设计（电路图在附录1）

其电路主要为以下三大部分

1）角度传感器电路的设计

角度传感器是基于磁铁位置的变化引起电磁场的变化，从而测得偏移角度的变化电路知，可以用两个滑动变阻器调节芯片的平衡点，即角度为0°的点。

　　　　　　　　　　　图F-2 UZZ9001电路

2）电源模块的设计

(1)5V电源模块：本作品采用LM2576将电池电压稳压到5V ，LM2576具有外围电路简单、转换效率高，波形稳定等特点。

　　　　　　　　　图F-3 5V电源模块

(2)9V电源模块：本作品试用的摄像头的额定电压为9V,通过试验测得，当电压低于7.0V时，摄像头几乎就不能工作，并且摄像头对电压的稳定性也要求很高。在这里通过MC34063升压型稳压芯片给摄像头提供9V电压，并且用5V电压作为MC34063的输入，这样有利于提高9V电压的稳定性。MC34063同样具有外围电路简单的特点。

图F-4 9V电源模块

3）测速模块

测速模块主要用一对对射式红外输入到555定时器中，555的功能为当>(2/3)VCC 时输出为高电平，当<(1/3)VCC时输出为低电平，而码盘有9个孔，当码盘随着电机转动时，可以使555输出有高低电平的变化，单片机用输入捕捉的方法，可以　　　　　　　　图F-5 测速模块电路

知道已经走过多少个孔，从而可以计算当前速度和当前所走的路程。

（二）软件的设计和流程图

小车的控制采用freescale公司提供的单片机DG128控制芯片，并且用C语言编程。

总体的软件设计思路是：用单片机SPI接收角度传感器输出信号，用PWM控制舵机转向和MC33886驱动，AD0采集摄像头信息，PT口采集速度检测输出信号。主要算法是用最小二乘法提取黑线斜率，识别直线和弯道。速度用PI控制加BangBang控制，可以使小车速度精确随设定的速度行走，并且能快速的制动停止。舵机的算法是用摄像头信号处理后的相对位置提供给舵机，使舵机转过需要转过的角度。角度的反馈值作为当前值，对角度进行PID调节，输出为速度值，使小车前进，后退，停止。基本实现用直流电机模拟步进电机。

　　　　　　　　　　图F-6 软件流程图

四、结果分析与创新发挥

（一）结果分析

(1) 测试方案

基础部分：使小车从跷跷板的一端出发，慢慢走到中点附近，找到平衡并停止5ｓ，然后走到跷跷板的另一端，再停5ｓ，然后倒退回跷跷板的出发点。

发挥部分：让小车跷跷板一端的外面沿黑线上跷跷板，并在跷跷板上使小车保持平衡。然后在跷跷板上放一重物使小车自动保持平衡。

其他功能：

当小车在发挥部分完成平衡等待满３分钟后，继续前进到B点，并倒车回到A端停止。

(2) 测试仪器

用小车自带的液晶显示模块显示所走时间和当前跷跷板的角度。并给出平衡显示和时间显示。

(3) 测试结果

基本部分：测试10次，6次完全成功，两次在中心点C处调平衡超过一分钟，一次倒退回A端时冲出跷跷板。一次没有完全到达B端。

发挥部分：测试5次，3次成功，另外两次都没能在规定的时间内调整平衡。

（二）　创新发挥

1) 基本实现用直流电机模拟步进电机，经算法控制，小车在平衡点附近时，每前进码盘的一个孔（即每行进0.9cm），停止0.5秒钟，到达步进电机的控制效果，能对小车寻找平衡点进行相当高的精度调节。可以快速的定位。

2) 采用CMOS图像传感器识别路径，排除红外管受环境光的影响，能识别较远的路径，寻迹更准确。

3) 采用UZZ9001角度传感器，将其与跷跷板固定在一起，磁铁与地面保持平行，能精确的测量出跷跷板相对地面的角度变化，结合直流电机模拟步进电机的算法，可以快速、准确的找到跷跷板的平衡点。

4) 路径记忆和红外传感器的结合使用，使得小车能准确的停在跷跷板的左右两端。

5) 除跷跷板上有配重之外，还在B端加一个挡板，防止小车冲出跷跷板。

码盘是自己自制码盘，9个孔。

电动车跷跷板（电子设计大赛）