电动车跷跷板论文电子设计大赛
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摘 要
为了实现电动小车在跷跷板上的平衡运动，设计以无线单片机 CC2430 CPU为核心的小车运动控制系统。CPU综合判别和处理各种传感器的信号，然后发出指令给电机驱动器，控制小车，使小车能够维持跷跷板平衡并在规定时间内完成往返运动，同时给出了明显的平衡指示以及分阶段实时显示行驶所用的时间。本设计分别使用红外传感器和加速度计传感器检测导引线和跷跷板平衡状态，实现了设计的基本要求；完成了小车的曲线寻迹控制，可使小车在跷跷板外自动驶入跷跷板并取得两次平衡，按照发挥内容的要求，实现了全部功能设计。
1 方案论证与比较
1.1 控制系统
方案一：控制部分的核心采用89S52单片机控制。该单片机使用广泛，编程简单，便于实现和查阅资料。但设计中考虑到需要ADC以及较高的处理速度，故用该单片机难于实现。
图1-1 利用单片机控制方框图
方案二：采用单片机 CC2430，该芯片为高性能和低功耗的8051微控制器核，编程通用性强，且集成RF无线电收发机，可实现无线通信。有大容量的FLASH和RAM，集成了14位模数转换的ADC，1个16位计时器和2个8位计时器。可满足处理速度和A/D转换的功能，故采用方案二。
1.2 传感器的选择
在跷跷板的水平位置与大地水平处于同一水平面的前提下，要维持跷跷板的平衡，就要对小车所在板的不同位置的水平度进行测量，此部分可借助传感器来完成，有两种选择方案。
方案一：采用角度传感器，无触点磁敏电位器采用集成磁敏感元件,利用磁敏元件非接触地感应磁场强度的变化,实现对角度的测量。在判定是否平衡时，由其输出电压值与小车水平放置时的电压值相比较，确定其与水平面间的夹角，配合微处理器进行处理及相应的控制，但由于其频响特性差，截至频率小，精度差，不宜机械安装，而且小车运动中的振动更影响其准确性。
方案二：采用加速度计，加速度计传感器是单轴加速度测量系统。如图，将传感器水平放在地表面上，可设定输出值为平衡点g。加速度计旋转，输出值g’与平衡点值比较，便可换算成水平倾角。单片机通过分析综合后来控制小车运动方向。由于采用该传感器能满足较高的精度要求，同时可以很方便地安装于车体上并进行跷跷板水平倾角的测量，故我们采用方案二。图2为加速度计的测量图。
图1-2 加速度计的测量图
2 系统设计
2.1 总体设计
根据对题目要求的把握，经过分析讨论，我们制定了整体的设计方案：以CC2430单片机电路板为核心，通过其与电机驱动电路、红外传感器、加速度计传感器、显示数码管等外接电路的连接通信来指导小车完成运动。
图2-1 系统总体框图
2.2 各部分具体实现
（1）传感器加速度计在维持小车平衡中的使用
采用的ADXL105为一个加速度计，它产生的一个模拟输出电压既可以用来测量静态加速度(如重力加速度，或斜坡加速度等)，又可用来测量动态加速度(如振动等)，且分辨率高，功耗低。
设传感器的输出灵敏度SCALE，有公式（1）：
（1）
电阻R3用以改变传感器的零点偏置电平，设缓冲放大器的输出为UCAout，有公式（2）：
（2）
我们采用R1=50K，R2=200K，故灵敏度SCALE计算得1V/g，经电位器的调节可使输出电压经后级放大器AMP04FS放大后在0.5V-1.5V之内变化。在小车达到平衡时，调节“平衡电压零点”为0.95V -1.05V，即当传感器输出电压值大于1.05V小车向前走，若小于0.95V则向后走，中间范围被小车判定为平衡状态。
图2-2 加速度计的工作电路
（2）红外寻迹
小车寻迹过程采用两个红外传感器组成检测电路。在电动小车的底部有两个红外传感器TCRT5000用来检测地面的导引线。其原理是: 光线照射到路面并反射, 由于导引线和路面的反射系数不同, 根据接收到的反射光强弱判断是否沿导引线前进。当小车正常行驶时，比较器LM324的输出是高电平；发生偏向时，对着导引线的比较器输出为低电平。通过两个比较器的输出信号便可由单片机处理并确定偏转方向，并由单片机发出对主动轮电机的控制信号来可完成小车的寻迹。628