資料介紹
本小車采用自制車體,四輪驅動,差動轉向,動力裝置為兩減速電機,以ATmega16為主控芯片,用兩水銀開關作為平衡檢測單元,用RPR220光電對管作為邊緣檢測傳感器,并結合合理的電路設計與編程,能夠實現使蹺蹺板平衡等功能。
方案論證與分析
本次競賽的F題要求制作一個電動車蹺蹺板,使小車可在蹺蹺板上運動并保持蹺蹺板平衡等任務。根據題目的要求,我們組設計了以下幾種方案并對各方案進行了論證與分析。
1.1 車體部分論證與分析
方案一:采用三輪小車
用兩獨立電機分別帶動兩車輪,再加一個萬向輪,機械加工簡單,成本低,但該小車不適合爬坡、倒退行駛。
方案二:采用四輪小車
采用四輪驅動,用兩獨立電機分別帶動兩前車輪,后車輪與前車輪通過皮帶連接,利用兩電機差動轉向,控制時只需要考慮兩輪的轉速比即可,不但控制簡單,而且靈活度高,適合轉向和倒車,非常符合本題的要求。
綜上所述,我們決定采用方案二。
1.2 電機的論證與分析
方案一:采用直流電機
直流電機速度快,價格便宜,通過調節電流來改變速度,驅動電路簡單,調速范圍廣,調速特性平滑。但其轉距小,帶有大負載時很容易堵轉;而且由于其速度較快,不易控制,精確度低,不適合應用在本題。
方案二:采用步進電機
步進電機是一種能將電脈沖轉化為角位移的機構,通過控制脈沖個數來控制角位移量,通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,其精確度高,但控制相對較繁瑣。
方案三:采用減速電機
減速電機也是通過控制電流來改變速度的,而且其內部有減速齒輪箱,轉距大,非常適合爬坡,而且易控制,速度較步進電機快。通過分析題目要求,減速電機可以達到題目要求的精度,而且價格適中,控制簡單。
綜上所述,我們決定采用減速電機。
1.3 微控制器模塊論證與分析
方案一:采用可編程邏輯器件CPLD
CPLD可以實現各種復雜的邏輯功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。其采用并行的輸入輸出方式,提高了系統的處理速度,適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能,對數據的處理速度的要求也不是非常高,且從使用及經濟的角度考慮,我們放棄了此方案。
方案二:采用MCS-51系列單片機
采用MCS-51系列單片機,經典的MCS-51單片機功能和速度有限;而高檔的MCS-51系列衍生產品價格昂貴、冗余資源較多、使用范圍較窄,價格較貴。
方案三:采用AVR系列單片機
AVR系列的ATMEGA16單片機是一款具有增強型內置Flash的高速8位單片機。其采用精簡指令集,低功耗,性價比高,并且具有16K字節的系統內可編程Flash,512字節的EEPROM,1K字節的SRAM,完全可以勝任本系統的控制工作。
綜上所述,我們決定采用方案三。
1.4 電機驅動模塊論證與分析
采用上述元件搭建兩個H橋,通過對各路信號放大來驅動電機,原理簡單。但由于放大電路很難做到完全一致,當電機的功率較大時運行起來會不穩定,而且電路的制作也比較復雜。
方案二:采用L298N驅動芯片
L298N芯片是較常用的電機驅動芯片。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入,具有良好的抗干擾性能;其輸出電壓最高可達50V,可用單片機的I/O口提供信號,而且一塊L298芯片可一驅動兩個減速電機,電路簡單、易用、穩定,具有較高的性價比。
綜上所述,我們決定采用方案二。
1.5 顯示模塊論證與分析
方案一:使用液晶屏顯示
液晶屏具有顯示質量高,數字式接口,體積小,質量輕,功耗功率小的特點,但是其價格較高,在遠距離顯示效果較差,不適合我們使用。
方案二:使用數碼管顯示
數碼管具備數字接口,顯示清晰,價格較低,性價比非常高,方便易行基本滿足本題目的要求。
綜上所述,我們決定采用方案二。
1.6 平衡檢測模塊分析與論證
方案一:采用角度傳感器
通過角度傳感器檢測到車體的傾角,并把數據傳給主控芯片,進而用合理的算法編程來保持車體平衡。但普通的角度傳感器性能一般,而且漂移過大,而性能好的角度傳感器價格太高,考慮到性價比等原因,我們放棄此方案。
方案二:采用水銀開關
水銀開關輸出的是一個開關量,用其檢測車體是否發生傾斜,再結合合理的編程來保持車體的平衡。市面上水銀開關單價不到一元,而且經過實驗,用兩個水銀開關自制一個平衡檢測傳感器,其反應時間能夠滿足題目的要求,性價比高。
綜上所述,我們決定采用方案二。
1.7 邊緣檢測模塊分析與論證
用光敏電阻組成光敏探測器,光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時,光線發射強烈,光線照射到黑線上面時,光線發射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時,阻值會發生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大,不能夠穩定的工作。
方案二:采用RPR220型光電對管。
RPR220是一種一體化反射型光電探測器,其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管,而接收器是一個高靈敏度,硅平面光電三極管。
綜上所述,我們采用方案二。
2. 系統硬件設計
2.1 系統總體設計
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