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跷跷板轮式机器人设计报告 学 院： 电气工程学院 专业班级: 自动化1106 学 号: 201123910920 学生姓名： 楚梦帅 指导教师： 郑 维 一.课程设计目的 通过本次试验，我们能够加深对单片机的认识，以及加强硬件电路的设计能力。为日后从事本专业工作打下坚实基础。 二.课程设计题目描述和要求 设计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。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。 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。 三.课程设计报告内容 1.1 实现方法 通过车载倾角传感器对跷跷板倾角的高精度测量，实时的向控制系统反馈倾斜状态，系统根据跷跷板状态做出前进或后退动作，使跷跷板保持平衡及实现所要求的其他功能。为保证小车在板上平稳行使，以及从地面任意位置找到跷跷板起点，在小车的前后四角各安装了一对红外发射接收传感器，通过设定合适的光强和角度，可以探测板边界的位置，配合软件分析引导小车行驶。 1.2 方案论证与选择 (1)核心控制模块选择 方案一：采用传统51单片机作为主控制器。该单片机价格低廉，程序资源丰富，技术比较成熟。但是运算速度较慢，很难担任复杂算法的计算工作；程序储存空间小，不能储存大规模程序代码。 方案二：采用MSP430F169 低功耗单片机主控芯片，该单片机IO 接口数量多，内部资源丰富，如包涵12位AD转换、16位定时器、PWM控制、USART接口等，处理能力强大，能够轻松胜任此任务。 (2)驱动电机选择 方案一：使用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷过大超过步进电机所提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正反转控制灵活。 方案二：使用减速电机。 基于以上分析，小车在运行过程中需要进行实时检测位置并进行调整，所以采用方案一。 (3)平衡检测方案 方案一：使用自制的传感器，如平衡杆、悬挂重锤、检测气泡位置等方案。 方案二：使用成品的倾角传感器，由单片机处理传感器输出的数据。 考虑自制传感器基本只能得出开关量结果，但倾角传感器能精确的反映出角度，便于应用算法使小车最快最稳的找到平衡点，故使用方案二。 (4)倾角传感器选择 方案一：采用SCA60C倾角传感器，此芯片只有模拟输出，所以结合MSP430内部AD模块或者采用专用AD 芯片采样如ADS7813 来采集传感器信号，并转换为倾斜角度送给单片机处理。价格低廉，易于连线。 方案二：采用SCA100T 高精度双轴倾角传感器，此传感器为数字SPI 输出模式，测量分辨力可达0.003 度，具有灵敏度极高，抗冲击，抗震动等诸多优点。但采用该传感器所需要的硬件电路相对复杂。 从成本控制和硬件复杂度上综合考虑，采用方案一。 (5)小车引导方式选择 为了使小车不至于掉下跷跷板且能平稳的走直线，有两种引导方式。 方案一：在跷跷板上采取不影响板面平整的引导措施，设计拟在板面上贴黑色引导胶带，在电动车上安装一系列ST188红外反射光电传感器，采用循迹的方式引导电动车在板上行驶。 方案二：在小车边缘设置数个光电探测传感器对木板边沿定位，使小车沿中线前进保证不跌落板面。 考虑到题目要求中方案一技术成熟可靠，稳定性高。 (6)光电探测模块 方案一：使用电探测器光成品，如微型红外传感器TCRT 或ST 系列，体积小且开关量输出，但有效距离一般不超过10mm；而工业上使用的光电开关距离较长但体积过大 方案二：使用红外发光二极管和一体化接收器自制反射式或对射型的传感器。 小车到板边沿需要距离为100mm 左右的探测，且为了避免环境光以及杂讯干扰故用方案二。 (7)电源模块 方案一：单电源供电，由于小车体积和重量的限制，只使用单电池组。 方案二：采用控制、驱动两部分分离供电，中间采用光耦隔离，最大限度降低信号干扰。 通过体积、重量、系统功耗、电压稳定性等多方面研究，一组电池供电已经可以满足设计需要，故采用方案一。 1.3最终方案确定 控制芯片采用MSP430F169 ST188红外反射光电传感器作为循迹引导电动车 采用S