电动车跷跷板设计报告
摘 满足电动车跷跷板设计求进行单元电路方案较证确定系统凌阳16位单片机SPCE061A作电动车控制核心选海直川科技限公司生产ZCT245ALTTL型倾角传感器测量跷跷板水方倾角该传感器灵敏度高重复性输出485信号便单片机接口关键车动力部分充分较证终选控制精确步电机步进角09度易衡点寻找通红外TCRT5000寻迹实现车走直线等功系统显示部分选图形点阵式液晶显示器OCJM4*8C串行接口编程容易美观方采单片机部时钟实现精确计时实验表明系统完全达设计求完成基发挥部分求增加路程显示全程时间显示语音播报三创新功
关键词：倾角传感器红外步进电机SPCE061A
1系统方案
11 实现方法
题求设计制作辆电动车实现跷跷板运动配重情况保持衡等功想利电机控制车运行角度传感器测量跷跷板水方倾角确定车时达衡利寻迹模块实现车直线行走A点外某处动驶跷跷板显示模块语音模块等做机界面实现显示语音提示等功述模块方案证
12 方案证
121 控制器模块
方案：采ATMEL 公司AT89C5151单片机价格便宜应广泛功单果系统需增加语音播报功需外接语音芯片实现较复杂外51 单片机需仿真器实现软硬件调试较烦琐
方案二：采凌阳公司SPCE061A 单片机作控制器方案该单片机IO资源丰富集成语音功芯片置JTAG电路线仿真调试简化系统开发调试复杂度
根题求选择第二种方案
122 电机模块
电机模块选择整方案设计关键设计求车需C点配重情况分达衡状态需车精确控制车制动性普通直流电机满足求
方案：采直流减速电机控制车运动直流减速电机力矩转动速度快制动力差法达车时停车求
方案二：采型号4B2YG步进电机控制车运动步进角09度实现车精确控制步进电机发送脉时候实现锁较实现车时停车目
反复较证终选方案二该型号步进电机加驱动器
单片机接口简单控制方便
123 角度检测模块
角度检测模块系统重组成部分需利角度传感器测量跷跷板水方倾角倾角某范围时候认跷跷板达衡状态跷跷板倾角5度左右角度变化范围较求角度传感器精度高频率快目前市场适合传感器两种
方案：采深圳市华夏磁电子技术开发限公司AMEB001角度传感器0－360度测量范围安装非常方便电压输出信号采集便
方案二：采海直川科技限公司生产ZCT245ALTTL倾角传感器测量范围－45－＋45度精度01度输出频率10次s485信号输出
满足设计求前提考虑接口安装方便等素选择方案二
124 寻迹模块
通寻迹模块车实现预设轨迹行走距离跷跷板起始端A点 300mm外90°扇形区域某指定位置（车头跷跷板）动驶跷跷板
方案：通光电开关实现测量距离较远体积成高安装起较麻烦
方案二：通红外实现测量距离反应灵敏准确相光电传感器言体积较价格低安装较容易
考虑性价简单易行策略选择方案二
125 显示模块
方案：LED显示优点亮度高成低显示汉字显示容较少
方案二：采金鹏电子图形点阵式液晶OCJM4*8C串行接口显示简单
考虑题求需片LCD实现选择方案二
126 语音播报模块
方案：通单片机控制语音芯片实现提示信息播报语音芯片成较高扩展起较复杂增加焊接难度设计成
方案二：采SPCE061A带语言模块简单方便成低
较选择方案二
127 电源模块
方案：铅酸电池供电优点电流缺点重量太沉
方案二：电池组供电提供800mAh电流重量轻
较选择方案二两组9V电池组串联步进电机供电中组LM7805转换控制器传感器等模块
13 系统设计
根述方案证终确定凌阳单片机SPCE061A控制核心采型号4B2YG步进电机控制车运动海直川科技限公司生产ZCT245ALTTL倾角传感器测量跷跷板水倾角利红外寻迹实现走直线等功选金鹏电子图形点阵式液晶OCJM4*8C实时显示倾角车运行时间路程等终利凌阳单片机SPCE061A 带语音功实现车衡时语音播报
14 结构框图
根面分析证设计系统总体结构框图图1示
2理分析计算
根题目说明跷跷板两端面距离差40mm认衡设计通倾角传感器检测跷跷板水倾角水倾角保持0度附某角度范围认跷跷板达衡状态闭环结构框图图2示
该系统工作原理：车驶跷跷板通倾角传感器断测量跷跷板倾角（实际倾角）该实际倾角定倾角作较形成倾角偏差通步进电机控制车前微移断修正该倾角偏差终倾角保持定范围时跷跷板便达衡状态
设计中车车轮周长240mm电机步进角09度电机步进步车移动距离x
x240*0936006mm
见车位移量实现车前微位移控制跷跷板较易达衡状态
车走段需脉数计算（AC段例）：
(1)起点A中点C距离AC800mm
(2)测量车车长L270mm车重心约车身约45处
(3)面计算电机步进步车移动距离x06mm
AC段需脉
n(ACL*15)0612433
计算出AB段需脉数 m2n2*1243324867
3电路程序设计
31 检测驱动电路设计
倾角传感器ZCT245ALTTL控制器接口电路图3示驱动电路图4示：
图3 倾角传感器接口电路图
图4 步进电机驱动器接口电路图
32 总体电路图见附录
33 软件设计工作流程图
331 软件设计
软件实现功：①读倾角传感器角度②步进电机步进脉③寻迹 ④语音播报⑤倾角时间路程显示⑥汇总
332 工作流程图
系统程序流程图图5图6示：
4结果分析
41 创新发挥
1）通计算步进电机发送脉数确定车运行路程实时显示
2）利语音播报功实现车衡时播报工作
3）通单片机部定时器精确定时实现总运行时间实时显示
42 结果分析
421 测试仪表
4位半数字万表(MASTECH MY65)双踪示波器(YB4325)游标卡尺秒表电子称计算器直尺
422 跷跷板衡状态倾角范围确定
闭环控制系统中果定角度恒定0度外界干扰实际控制系统中难实现系统设计中定角度设某角度范围实际角度该范围认跷跷板衡通实验观察跷跷板衡状态减扩角度范围数表1示
根表1实验数终确定定角度范围22度+22度
表1 倾角范围确定
角度设定范围
衡效果
35度+35度
差
27度+27度
良
22度+22度
优
18度+18度
良
10度+10度
差
423 车运行固定距离需脉数目确定（AC段例）
车需运行固定距离通公式计算步进电机应走步数实际采时结果令满意车轮跷跷板间会出现滑现象导致步进电机发脉车前进定达06mm通次实验测试理值左右寻找优值终确定脉数目AC段例AC段距离800mm理计算需发脉1243步次实验测试表数：
表2 AC段需脉数目确定
脉数目
C附衡点相差距离
1243
+122mm
1260
+54mm
1269
30mm
1264
+14mm
根述实验数终确定AC段实际发送脉数目1264
424 车运行程种状态需时间测试
表3 基功时间表
状态
时间(S)
AC
寻衡时间
保持衡5秒
CB
停止5秒
BA
控制器显示
152
338
50
148
50
311
秒表实测
155
346
51
149
51
319
表4 扩展功时间表
状态
时间(S)
坡
时间
寻衡1
时间
保持衡
5秒
寻衡2时间
保持衡
5秒
总计
控制器显示
210
452
50
521
50
1283
秒表实测
214
463
51
520
51
1299
步进电机精确控制车前微移寻找衡时间较短通程序电机运行速度适设置状态时间完全满足系统求控制器显示时间通部定时器定时实现精度高显示时间准秒表实测值间微误差测量误差引起
5结语
通测试系统完全达设计求完成基求发挥部分求增加路程显示全程时间显示语音播报三创新功时锻炼
参考文献
[1]罗亚非 凌阳16位单片机应基础 北京：北京航空航天学出版社200312
[2]童诗白 模拟电子技术基础 第三版 北京：高等教育出版社20011
[3]孙肖子 实电子电路手册（模拟分册）北京：高等教育出版社1992
[4]谭浩强 C语言程序设计(第二版) 北京：清华学出版社2000
[5]黄智伟 全国学生电子设计竞赛训练教程 北京：电子工业出版社2005
附录
附图1 凌阳板
附图2 电源模块
附图3 液晶接口电路图
附图4 红外传感器处理电路图
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摘 满足电动车跷跷板设计求进行单元电路方案较证确定系统凌阳16位单片机SPCE061A作电动车控制核心选海直川科技限公司生产ZCT245ALTTL型倾角传感器测量跷跷板水方倾角该传感器灵敏度高重复性输出485信号便单片机接口关键车动力部分充分较证终选控制精确步电机步进角09度易衡点寻找通红外TCRT5000寻迹实现车走直线等功系统显示部分选图形点阵式液晶显示器OCJM4*8C串行接口编程容易美观方采单片机部时钟实现精确计时实验表明系统完全达设计求完成基发挥部分求增加路程显示全程时间显示语音播报三创新功
关键词：倾角传感器红外步进电机SPCE061A
1系统方案
11 实现方法
题求设计制作辆电动车实现跷跷板运动配重情况保持衡等功想利电机控制车运行角度传感器测量跷跷板水方倾角确定车时达衡利寻迹模块实现车直线行走A点外某处动驶跷跷板显示模块语音模块等做机界面实现显示语音提示等功述模块方案证
12 方案证
121 控制器模块
方案：采ATMEL 公司AT89C5151单片机价格便宜应广泛功单果系统需增加语音播报功需外接语音芯片实现较复杂外51 单片机需仿真器实现软硬件调试较烦琐
方案二：采凌阳公司SPCE061A 单片机作控制器方案该单片机IO资源丰富集成语音功芯片置JTAG电路线仿真调试简化系统开发调试复杂度
根题求选择第二种方案
122 电机模块
电机模块选择整方案设计关键设计求车需C点配重情况分达衡状态需车精确控制车制动性普通直流电机满足求
方案：采直流减速电机控制车运动直流减速电机力矩转动速度快制动力差法达车时停车求
方案二：采型号4B2YG步进电机控制车运动步进角09度实现车精确控制步进电机发送脉时候实现锁较实现车时停车目
反复较证终选方案二该型号步进电机加驱动器
单片机接口简单控制方便
123 角度检测模块
角度检测模块系统重组成部分需利角度传感器测量跷跷板水方倾角倾角某范围时候认跷跷板达衡状态跷跷板倾角5度左右角度变化范围较求角度传感器精度高频率快目前市场适合传感器两种
方案：采深圳市华夏磁电子技术开发限公司AMEB001角度传感器0－360度测量范围安装非常方便电压输出信号采集便
方案二：采海直川科技限公司生产ZCT245ALTTL倾角传感器测量范围－45－＋45度精度01度输出频率10次s485信号输出
满足设计求前提考虑接口安装方便等素选择方案二
124 寻迹模块
通寻迹模块车实现预设轨迹行走距离跷跷板起始端A点 300mm外90°扇形区域某指定位置（车头跷跷板）动驶跷跷板
方案：通光电开关实现测量距离较远体积成高安装起较麻烦
方案二：通红外实现测量距离反应灵敏准确相光电传感器言体积较价格低安装较容易
考虑性价简单易行策略选择方案二
125 显示模块
方案：LED显示优点亮度高成低显示汉字显示容较少
方案二：采金鹏电子图形点阵式液晶OCJM4*8C串行接口显示简单
考虑题求需片LCD实现选择方案二
126 语音播报模块
方案：通单片机控制语音芯片实现提示信息播报语音芯片成较高扩展起较复杂增加焊接难度设计成
方案二：采SPCE061A带语言模块简单方便成低
较选择方案二
127 电源模块
方案：铅酸电池供电优点电流缺点重量太沉
方案二：电池组供电提供800mAh电流重量轻
较选择方案二两组9V电池组串联步进电机供电中组LM7805转换控制器传感器等模块
13 系统设计
根述方案证终确定凌阳单片机SPCE061A控制核心采型号4B2YG步进电机控制车运动海直川科技限公司生产ZCT245ALTTL倾角传感器测量跷跷板水倾角利红外寻迹实现走直线等功选金鹏电子图形点阵式液晶OCJM4*8C实时显示倾角车运行时间路程等终利凌阳单片机SPCE061A 带语音功实现车衡时语音播报
14 结构框图
根面分析证设计系统总体结构框图图1示
2理分析计算
根题目说明跷跷板两端面距离差40mm认衡设计通倾角传感器检测跷跷板水倾角水倾角保持0度附某角度范围认跷跷板达衡状态闭环结构框图图2示
该系统工作原理：车驶跷跷板通倾角传感器断测量跷跷板倾角（实际倾角）该实际倾角定倾角作较形成倾角偏差通步进电机控制车前微移断修正该倾角偏差终倾角保持定范围时跷跷板便达衡状态
设计中车车轮周长240mm电机步进角09度电机步进步车移动距离x
x240*0936006mm
见车位移量实现车前微位移控制跷跷板较易达衡状态
车走段需脉数计算（AC段例）：
(1)起点A中点C距离AC800mm
(2)测量车车长L270mm车重心约车身约45处
(3)面计算电机步进步车移动距离x06mm
AC段需脉
n(ACL*15)0612433
计算出AB段需脉数 m2n2*1243324867
3电路程序设计
31 检测驱动电路设计
倾角传感器ZCT245ALTTL控制器接口电路图3示驱动电路图4示：
图3 倾角传感器接口电路图
图4 步进电机驱动器接口电路图
32 总体电路图见附录
33 软件设计工作流程图
331 软件设计
软件实现功：①读倾角传感器角度②步进电机步进脉③寻迹 ④语音播报⑤倾角时间路程显示⑥汇总
332 工作流程图
系统程序流程图图5图6示：
4结果分析
41 创新发挥
1）通计算步进电机发送脉数确定车运行路程实时显示
2）利语音播报功实现车衡时播报工作
3）通单片机部定时器精确定时实现总运行时间实时显示
42 结果分析
421 测试仪表
4位半数字万表(MASTECH MY65)双踪示波器(YB4325)游标卡尺秒表电子称计算器直尺
422 跷跷板衡状态倾角范围确定
闭环控制系统中果定角度恒定0度外界干扰实际控制系统中难实现系统设计中定角度设某角度范围实际角度该范围认跷跷板衡通实验观察跷跷板衡状态减扩角度范围数表1示
根表1实验数终确定定角度范围22度+22度
表1 倾角范围确定
角度设定范围
衡效果
35度+35度
差
27度+27度
良
22度+22度
优
18度+18度
良
10度+10度
差
423 车运行固定距离需脉数目确定（AC段例）
车需运行固定距离通公式计算步进电机应走步数实际采时结果令满意车轮跷跷板间会出现滑现象导致步进电机发脉车前进定达06mm通次实验测试理值左右寻找优值终确定脉数目AC段例AC段距离800mm理计算需发脉1243步次实验测试表数：
表2 AC段需脉数目确定
脉数目
C附衡点相差距离
1243
+122mm
1260
+54mm
1269
30mm
1264
+14mm
根述实验数终确定AC段实际发送脉数目1264
424 车运行程种状态需时间测试
表3 基功时间表
状态
时间(S)
AC
寻衡时间
保持衡5秒
CB
停止5秒
BA
控制器显示
152
338
50
148
50
311
秒表实测
155
346
51
149
51
319
表4 扩展功时间表
状态
时间(S)
坡
时间
寻衡1
时间
保持衡
5秒
寻衡2时间
保持衡
5秒
总计
控制器显示
210
452
50
521
50
1283
秒表实测
214
463
51
520
51
1299
步进电机精确控制车前微移寻找衡时间较短通程序电机运行速度适设置状态时间完全满足系统求控制器显示时间通部定时器定时实现精度高显示时间准秒表实测值间微误差测量误差引起
5结语
通测试系统完全达设计求完成基求发挥部分求增加路程显示全程时间显示语音播报三创新功时锻炼
参考文献
[1]罗亚非 凌阳16位单片机应基础 北京：北京航空航天学出版社200312
[2]童诗白 模拟电子技术基础 第三版 北京：高等教育出版社20011
[3]孙肖子 实电子电路手册（模拟分册）北京：高等教育出版社1992
[4]谭浩强 C语言程序设计(第二版) 北京：清华学出版社2000
[5]黄智伟 全国学生电子设计竞赛训练教程 北京：电子工业出版社2005
附录
附图1 凌阳板
附图2 电源模块
附图3 液晶接口电路图
附图4 红外传感器处理电路图
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