【正文】 1 電動(dòng)車蹺蹺板 摘要 本 方案以 msp430（ MSP430F22X4）單片機(jī) 、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傾角傳感器、反射式紅外傳感器、 LED、蜂鳴器等電路構(gòu)成。小車采用前后兩對(duì)反射式紅外傳感器，能沿著黑線在蹺蹺板上往返行駛，并始終保持在蹺蹺板上；同時(shí)，利用傾角傳感器對(duì)小車當(dāng)前所在位置的傾斜角進(jìn)行測(cè)量。小車控制程序主要 對(duì)采集信號(hào)分析轉(zhuǎn)換 ，結(jié)合 PWM調(diào)速控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而使小車快速在蹺蹺板上取得平衡；小車通過 LED和蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)平衡指示 以及實(shí)時(shí)顯示，從而完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程。 關(guān)鍵詞 ： MSP430F22X4 閉環(huán) 控制 傾角傳感器 PWM 調(diào)速 Abstract The programme to msp430 (MSP430F22X4) microcontroller, motor drive circuit, angle sensor, reflecting infrared sensors, LED, buzzer, and other circuit. Vehicles used before and after the two pairs of reflecting infrared sensors, along the black line in the can on the seesaw from travelling, and always maintain the seesaw on the same time, using angle sensor on the current location of the car tilt angle measurement. Trolley control procedures for collecting the main signal of conversion, with PWM speed control motor speed and steering, thus making the car fast to strike a balance on the seesaw。 car through the LED and buzzer to achieve balanced instruction and realtime display, thus pleting the entire design process . Key word： MSP430F22X4 Closedloop control Angle sensor PWM Speed 一、 方案 比較 與 論證 整個(gè)系統(tǒng)可劃分為控制模塊、 AD 轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、顯示模塊，測(cè)量模塊，驅(qū)動(dòng)模塊 。 系統(tǒng) 框圖如 圖 1 所示 ： 2 控 制 器M S P 4 3 0 F 2 2 X 4電 源 模 塊測(cè) 量 模 塊顯 示 模 塊驅(qū) 動(dòng) 模 塊 圖 1 系統(tǒng) 框圖 為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，設(shè)計(jì)了幾種不同的方案進(jìn)行論證。 采用 msp430單片機(jī) 作為系統(tǒng)控制的方案。 該單片機(jī)具有 高速 的運(yùn)算能力以及含有豐富的功能模塊，例如：多通道 10~14位 AD轉(zhuǎn)換器，雙路 12位 DA轉(zhuǎn)換器，比較器，看門狗定時(shí)器和多個(gè) 16位， 8位定時(shí)器 (可進(jìn)行捕獲，比較， PWM輸出 )以及FALASH存儲(chǔ)器，他可以在運(yùn)行過程中由程序控制寫操作和段擦除 (In system programmable)，不需要額外的高電壓等， 軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。 采用 兩個(gè)干電池 供電。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及其他電路完全隔離開，利用光 電 耦合器傳輸信號(hào) ， 這樣可將電機(jī)的干擾消除，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。 方案一：采用由大功率達(dá)林頓管組成的 H型驅(qū)動(dòng)電路。該電路承載電流大，但電路復(fù)雜，體積大。 方案二：采用 L298N組成的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)芯片 L298N是驅(qū)動(dòng)二相或四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，電路實(shí)現(xiàn)容易，與單片機(jī)接口方便，控制比較簡(jiǎn)單。 考慮到我們選用的是直流電機(jī)， 工作穩(wěn)定， 且小車不宜過重，故選擇方案二。 尋跡 系統(tǒng) 方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到蹺蹺板上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻 在蹺蹺板和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)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，并且不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。 方案二：用紅外 光電對(duì)管尋跡傳感器。現(xiàn)有的封裝好的紅外對(duì)管 應(yīng)用 電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，再加上控制芯片的電壓比 器 功能 模塊 處理 采集信號(hào) ， 容易實(shí)現(xiàn)題目要求 。 經(jīng)比較，本系統(tǒng)選擇方案二。 在 平衡系統(tǒng)中， 根據(jù)要求，只要蹺蹺板兩端與地面的距離差小于 40mm 即可認(rèn)為平衡，本設(shè)計(jì)通過傾角傳感器檢測(cè)蹺蹺板水平傾角，所以只要水平傾角保持在 0176。 附近的某個(gè)角度范圍之內(nèi) 即認(rèn)為蹺蹺板達(dá)到平衡狀態(tài)。 3 其閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如 圖 2所示。 控 制 器 直 流 電 機(jī) 小 車 蹺 蹺 板傾 角 傳 感 器給 定 蹺 蹺 板 傾 角實(shí) 際 傾 角 圖 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)的工作原理是 :小車駛上蹺蹺板后，通過傾角傳感器不斷測(cè)量蹺蹺板的傾角 (即實(shí)際傾角 )，該實(shí)際傾角與給定傾角作比較，形成傾角偏差，通過 直流電機(jī)控制小車前后微移，不斷修正該傾角偏差，最終使傾角保持在給定范圍之內(nèi)，此時(shí)蹺蹺板便達(dá)到平衡狀態(tài)。 二、 主要電路設(shè)計(jì) 分別在小車的四個(gè)角位置上安裝反射紅外光電傳感器，在蹺蹺板的四周距離板邊貼上 3~4 厘米的黑膠線，一旦車底遇到黑線便 開始尋跡，使小車保持在蹺蹺板上運(yùn)動(dòng)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 L298N,其內(nèi)部集成兩個(gè)橋式電路驅(qū)動(dòng)器， OUTl、 OUT2和OUT OUT4之間分別接 2個(gè)電動(dòng)機(jī)。 12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， ENA， ENB接控制使能端，控制電機(jī)的啟停。如 下 圖所示，單片機(jī) 、 、 。信號(hào)包括二組 PWM波，每一組 PWM波用來控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此結(jié)合 PWM波就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向了。 為了防止由于電機(jī)部分大電流對(duì)單片機(jī)的影 響，我們改善了電路，在單片機(jī)和 L298N之間加上了光電耦合器，將控制部分電路和電動(dòng)機(jī)電路隔離，使電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)制過程中穩(wěn)定正常。 小車上 蹺蹺板 尋找平衡點(diǎn)，測(cè)得平衡時(shí)傾角傳感器輸出的模擬量，以此來作 4 為一個(gè)平衡校驗(yàn)的基準(zhǔn)。當(dāng)小車被放置于蹺蹺板一端時(shí)，傾角傳感器與地面產(chǎn)生了一個(gè)角度，且隨著小車的行駛不斷地變化。小車內(nèi)部單片機(jī)對(duì)傳感器輸出的模擬量進(jìn)行采樣，然后與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。接著單片機(jī)采用預(yù)先設(shè)定好的算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，使其小車在平衡點(diǎn)徘徊，維持平衡。 三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件流程 圖 ： 通過對(duì)單片機(jī) 的編程，利用它的中斷﹑定時(shí)功能，由外部采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)小車行駛時(shí)間的計(jì)算，以及對(duì)電機(jī)一系列動(dòng)作的控制等。主要是軟件編程達(dá)到對(duì)硬件控制的目的。主要程序流程圖 4 所示： 開 始延 時(shí) 5 S調(diào) 電 機(jī) 前 進(jìn) 子 程 序是 否 到 達(dá)A 點(diǎn)調(diào) 電 機(jī) 前 進(jìn)子 程 序啟 動(dòng) 數(shù) 碼 管顯 示是 否 到 達(dá)C 點(diǎn)調(diào) 平 衡 子 程 序是 否 平 衡調(diào) 提 示 子 程 序電 機(jī) 子 程 序是 否 到 達(dá)B 點(diǎn)延 時(shí) 5 S返 回 A 點(diǎn)YNYNNNYY 圖 4 程序流程圖 軟件所實(shí)現(xiàn)的功能 : 檢測(cè)小車的行駛狀態(tài)并及時(shí)糾正行駛路徑； 控制小車的行駛速度（ PWM 調(diào)速）； 顯示小車的行駛時(shí)間并儲(chǔ)存； 5 控制小車尋找平衡點(diǎn)； 在平衡狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警； 四 、 數(shù)據(jù)測(cè)試 自制蹺蹺板：長 1600mm、寬 300mm，秒表，卷尺。 結(jié)果 表 1： 從 A點(diǎn)到 C 點(diǎn)的時(shí)間測(cè)試 測(cè)試 項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 A→ C所用時(shí)間 /s 6 6 6 6 表 2： 平衡點(diǎn)測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 尋找平衡點(diǎn)時(shí)間 /s 34`75 37`56 34`75 35`67 d=∣ dAdB∣ /mm 表 3： 平衡點(diǎn)到 B 的時(shí)間測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 平衡點(diǎn) → B所用時(shí)間 /s 9 8 8 8 車頭到 B 點(diǎn)的距離 /mm 15 20 19 31 表 4： 平衡點(diǎn)倒退回 A 點(diǎn)的時(shí)間測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 B點(diǎn)停止時(shí)間 /s 5 5 5 5 B→ A 所用時(shí)間 /s 15 15 15 15 表 5： 從地面指定位置駛上蹺蹺板測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 時(shí)間 /s 19 20 19 20 表 6： 加重后尋找平衡點(diǎn)時(shí)間測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 平衡時(shí)間 /s 29 34 45 18 d=∣ dAdB∣ /mm 表 7： 加另一重物后 平衡點(diǎn)測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目 第 1 次 第 2 次 第 3次 第 4次 平衡時(shí)間 /s 11 32 9 16 d=∣ dAdB∣ /mm 根據(jù)測(cè)量，完成全過程的總時(shí)間均小于 180 秒 。 五 、總結(jié) 在本次課題訓(xùn)練中，我們基本完成了題目各項(xiàng)要求。從本次設(shè)計(jì)中我們體會(huì)到，對(duì)小車實(shí)施控制不僅是電子控制問題，其中也涉及到了力學(xué)和光學(xué)等方面的 6 知識(shí)。在有限的時(shí)間里未能完美的解決小車尋找平衡點(diǎn)的的問題。 在對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速和精確控制上還不是很靈活， 在以后的訓(xùn)練中 應(yīng)該多加學(xué)習(xí)和鍛煉。 參考文獻(xiàn) ［ 1 ］ 魏小龍 .MSP430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 .北京航空航天大學(xué)出版社 . ［ 2 ］ 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) .全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（ 2021） .北京理工大學(xué)出版社 . ［ 3 ］ 康華光 .電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分） .高等教育出版社 . ［ 4 ］謝自美 .電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（第三版） .華中科技大學(xué)出版社 . 附錄 ： 總電路圖 7 源程序 /************************