1、2014年西安郵電大學第五屆TI杯大學生電子設計競賽設計報告 參賽序號 97參賽題目 電動車蹺蹺板參賽隊員 指導教師 報告日期 電動車蹺蹺板設計報告摘要: 本設計是一種基于ARM單片機控制的簡易智能自動小車系統。我們進行了各個單元電路方案的比較論證以及確定，系統選用Mini STM32板子作為電動車的控制核心,利用紅外光電傳感器TCRT5000在蹺蹺板上進行尋跡，實現小車走直線功能，對于平衡點的尋找，選用MMA7361LC傾角傳感器測量蹺蹺板水平方向傾角，對于關鍵的小車動力部分，經過充分比較、論證，最終選用了控制精確的步進電機，其最小步進角0.9度，系統顯示部分選用液晶顯示器TFTLCD，編程

2、容易，美觀大方。采用單片機內部時鐘實現精確計時。關鍵詞：傾角傳感器，紅外對管，步進電機，Mini STM32Abstract : This design is a kind of simple intelligent automatic car based on ARM single chip microcomputer control system.We compare each unit circuit scheme of argument and determined,System chooses the Mini STM32 board as the control core of e

3、lectric cars,using the infrared electric sensors TCRT5000 tracing on the seesaw,The car in a straight line function,For finding a balance, choose MMA7361LC Angle sensor on the seesaw horizontal Angle.For key car drive part, been fully comparison, finally chose precise stepper motor control, the mini

4、mum step Angle of 0.9 degrees.System displays part chooses LCD TFTLCD, easy programming, the beauty is generous.MCU internal clock to achieve precise timing.Keywords :tilt angle sensor,infrared sensor,stepper motor,Mini STM321.任務設計一個基于ARM單片機控制的簡易智能自動小車系統。電動車蹺蹺板共需完成三項任務：1.1 使小車能夠在固定水平蹺蹺板上沿著黑色車軌跡行駛一個來

5、回，并能記錄小車到達B端和回到A端所用時間。1.2 在蹺蹺板附有配重物體（位置不受限制）的情況下，小車能夠在蹺蹺板上行駛一個來回并能記錄小車到達B端和回到A端所用的時間。1.3 在蹺蹺板附有配重物體（位置由評委老師選定）的情況下，小車能夠在蹺蹺板上找到平衡位置，停留5s并聲光響應和計時。2.系統設計方案2.1 電動車蹺蹺板原理電動車蹺蹺板的關鍵是循跡模塊和平衡模塊。 這里的循跡是指小車在白色地板上沿黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數不同，可以根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車

6、行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是按照是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限。 平衡是指小車在蹺蹺板上要能夠找到平衡位置，即蹺蹺板與水平面的夾角為0。由于無法達到絕對平衡，所以只要蹺蹺板與水平面之間夾角不超過2.8度可以近似看做平衡。故我們用到了傾角傳感器來測量蹺蹺板與水平面之間的夾角。平衡模塊采用MMA7361加速度角度傳感器測量角度。加速度角度傳感器是通過測量由于重力引起的加速度計算出器件相對于某一平面的傾

7、斜角度。角度傳感器反應靈敏、輸出數據準確且價格適中。利用加速度傳感器進行角度測量分為3種：單軸傾角測量、雙軸傾角測量和三軸傾角測量。在實際使用中，查閱所用傳感器MMA7361技術手冊及利用加速度傳感器測量角度的原理，可得輸出電壓與測量角度的關系為：其中，VOUT表示加速度傳感器的輸出電壓，VOFFSET表示重力加速度為0 g加速度傳感器的偏移量，表示加速度傳感器的靈敏度，1 g表示地球上的重力加速度，表示偏轉角度。2.2 控制系統總體設計 電動車蹺蹺板控制系統由主控制電路模塊、穩壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機及驅動模塊等部分組成,控制系統的結構框圖如圖2-1 所示。 圖2-1 控制系統的結構框

8、圖1.主控制電路模塊：用Mini STM32單片機，復位電路，時鐘電路2.紅外檢測模塊：光電傳感器TCRT50003.電機及驅動模塊:電機驅動芯片L298N、兩個步進電機4.電源模塊：雙路開關電源3.方案論證 本設計是一種基于ARM單片機控制的簡易智能自動小車系統。一是能實現在水平和傾斜蹺蹺板上行駛一個來回。二是能實現在蹺蹺板上運動且在不同位置配重的情況下保持平衡等功能。利用步進電機控制小車運行，用傾角傳感器測量蹺蹺板水平方向傾角來確定小車何時達到平衡，利用尋跡模塊實現小車沿直線行走，還有顯示模塊以及聲光顯示模塊等作為人機界面，實現顯示及聲光提示等功能。上述各模塊的方案論證如下。3.1 控制器

9、模塊 方案一：采用STC89C51作為系統控制器。它的技術成熟，成本低，引腳較少，硬件布局較簡單。STC89C51為八位單片機，數據轉換速度慢，且實時性不好，復雜的控制算法難以實現，不利于高精度的控制。 方案二：采用Mini STM32板子作為控制器。該ARM單片機I/O資源豐富，芯片內置JTAG電路，可在線仿真調試，大大簡化了系統開發調試的復雜度。根據本題的要求，我們選擇第二種方案。3.2 尋跡模塊通過尋跡模塊小車可實現沿預設軌跡行走。 方案一：通過光電開關來實現，它測量距離較遠。但是其體積大、成本高、安裝起來比較麻煩。方案二：通過紅外對管來實現，它測量距離近，但反應靈敏、準確。相比光電傳感

10、器而言,其體積較小,價格低,安裝較容易.考慮到性價比和簡單易行的策略,我們選擇方案二.3.3電機模塊電機模塊選擇是整個方案設計的關鍵，按照設計要求，小車需在配重位置可變的情況下達到平衡狀態，這需要對小車的精確控制，而且小車制動性能要好。因此普通直流電機不能滿足要求。方案一：采用直流減速電機控制小車的運動，直流減速電機力矩大，轉動速度快，但其制動能力差,無法達到小車及時停車的要求。方案二：采用型號4B2YG的步進電機控制小車的運動，最小步進角為0.9度，因此能實現小車的精確控制，而且當不給步進電機發送脈沖的時候，能實現自鎖，從而能較好的實現小車及時停車的目的。經過反復的比較、論證，我們最終選用了

11、方案二。該型號步進電機加驅動器后與單片機接口簡單，控制方便。3.4角度檢測模塊 角度檢測模塊也是系統的重要組成部分，我們需要利用傾角傳感器來測量蹺蹺板水平方向傾角，當傾角小于或等于2.8度時即可認為蹺蹺板達到平衡狀態。由于蹺蹺板最大傾角為5度左右，角度變化范圍較小，因此要求角度傳感器精度高，頻率快。目前市場上適合的傳感器主要有以下兩種。方案一：采用AS5040檢測。AS5040是由AMSCO公司生產的一種非接觸、高分辨力編碼、在0º360º范圍內進行角度測量的傳感器芯片。但為了測量角度，需要使用兩極磁鐵，在芯片的中心旋轉。這樣使得系統更加復雜，且加大了電機負載。 方案二：采

12、用MMA7361LC檢測。MMA7361LC是一款低功耗、低成本、低姿態微型電容式三軸加速度傳感器，具有信號調理，溫度補償，自我測試，MMA7361L包括一個休眠模式，可使用電池供電。 在滿足設計要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素,我們選擇了方案二。3.5 顯示模塊方案一：使用數碼管顯示。數碼管電壓低、壽命長、對外界環境要求低，易于維護，同時它是采用BCD編碼顯示數字，亮度高。但是其耗能大，電路復雜，占用資源較多，且顯示信息少，精度低。 方案二：使用液晶屏顯示。LCD具有輕薄短小、低耗電量、影像穩定不閃爍等優勢，可視面積大，畫面效果好，顯示信息量大，分辨率高且抗干擾性強；外圍電路少，使用

13、方便。 綜合考慮以上兩種方案，選擇采用方案二。3.6 電源模塊 方案一：鉛酸電池供電，優點電流大，缺點重量太沉。方案二：開關電源供電，可提供較大電流，方便好用。經比較，我們選擇方案二，用開關電源給步進電機供電。 根據上述方案論證，我們最終確定了以Mini STM32單片機為控制核心，采用型號為4B2YG的步進電機控制小車運動，用MMA7361傾角傳感器來測量蹺蹺板的水平傾角，利用紅外對管尋跡實現走直線等功能，還選用了LCD液晶屛來實時顯示傾角、小車運行時間等，最終還利用蜂鳴器來實現小車平衡時語音播報4.硬件設計4.1 小車框架4.2 L298N電路圖 L298N電路圖5. 軟件設計5.1 電動車蹺蹺板的主函數框架圖如圖1所示； 圖1 主函數框架5.2