“电动车跷跷板”设计报告.docx

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1、大学生电子设计竞赛设计报告摘要2Abstract2t.余1俶氏A技制原理今折31.1 系统组成31.2 系统控制原理分析31.2.1 系统的控制模型分析31.2.2 PID控制器的原理分析31.2.3 系统性能分析52总体方橐卷证易比钱5品覆映得极与易比较63.1 倾角传感器的设计与比较63.2 声光提示73.3 寻迹线的检测方案选择73.4 小车驱动电路73.5 调试及性能分析84、敬件残针85、出据恻钦累今新105.1 跷跷板固定为水平时的电动车的往返时间105.2 跷跷板自然状态时的电动车的往返时间105.3 重物在固定位置时电动车在跷跷板上到达平衡位置的时间115.4 重物任意放置时电

2、动电动车在跷跷板上到达平衡位置的时间126、强针小傕13附录1系统电路原理图14附录2模糊增量式PID控制子程序流程图15附录3模糊P1D子程序16“电动车跷跷板”设计报告摘要：本电动车跷跷板系统通过红外发射管和红外线接收二极管对寻迹线的检测而顺利地在跷跷板上往返行驶，通过对小车在跷跷板不同时刻的倾角进行实时检测，将自制倾角传感器输出的角度信号传送到控制器AT89S52单片机，控制器通过PID算法转换成PWM信号对电机控制而达到平衡状态。本系统具有数据处理、实时采样、模糊P1D控制、系统分析及对各部分检测环节进行整体调整等功能，实际测试结果表明，系统工作稳定，控制精度能够达到控制要求。关键词：

3、自动平衡模糊P1D算法PWM控制AE1ectromobi1eMode1ontheSeesawAbstract:Forthee1ectromobi1eontheseesaw,navigationtestbyinfraredtransistorandinc1inationofseesawbyse1f-madeang1esensorcanberea1ized,thenang1esigna1issenttocontro11er,inwhichthePWMsigna1fromPIDmethodisoutputtocontro1motorsunti1theseesawhasbeenkeepingba1an

4、cestatus.Thefunctionsuchasdataprocess,rea1timesamp1ing,fuzzyPIDcontro1,systemana1yseandnavigationdetectionarecomposedinthee1ectromobi1esystem,sothetestnesu1tshowsthatitscontro1precisioncanbeattainedstab1ytothedesignedtarget.Keywords:autocontro11edba1ance;fuzzyPIDmethod;PWMoperation1系统组成及控制原理分析1.1 系统

5、组成单片机系统是整个电动车跷跷板系统的核心部分，它主要用于数据处理、实时采样、分析系统参数及对各部分检测环节进行调整。系统组成主要包括AT89S52单片机、发光二极管，红外线接收管、电动机四通道驱动集成芯片1293D、自制倾角传感器等。1.2 系统控制原理分析1.2.1 系统的控制模型分析控制系统是由控制器、执行机构、被控对象及传感与检测装置构成的，如图1所示。由系统框图可见，本控制系统是典型的闭环控制，但控制精度要求很高，采用常规控制方法很难满足精度要求，因而考虑采用PID控制来实现。图1系统方块图1.2.2 PID控制器的原理分析P1D控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点，可使系

6、统的稳态性能以及系统的稳定性都得到改善。所以灵活控制。P1D控制器的控制规律如下&)=勺e(r)+：a，)+Q等(1)式中：c(f)为控制器输出的控制量；为系统给定量与反馈的偏差；KP为控制器增益；/、为Q控制器的积分和微分时间常数。对公式取拉氏变换并整理，得PID控制器的拉氏传递函数为D(Z)=纲=k1+1qz(2)E(Z)Iiz)调节式(2)中的K,、1、和Q任意参数可改变相应调节器对系统的性能。在连续控制系统中，采用模拟式调节器(又称为校正装置)作为控制器，而现在计算机高度发达，数字信号的抗干扰能力又远远比模拟信号，采用计算机控制算法的数字控制器来实现对整个系统的控制功能。因此，必须通过

7、双线性变换法对连续控制系统中PID控制器的拉氏传递函数式(2)进行离散化，得到P1D数字控制器的Z传递函数(如式3)。T为采样周期。在式(3)等号两端同乘以(1-z-2),然后利用滞后定理进行Z反变换得：c(n)-c(nT-2T)=a0e(nT)+a,e(nT-T)+a2e(nT-2T)(4)为书写方便，将nT简写成5=1,2,3),则有c(n)=c(n-2)+0(n)+a1e(n-1)a2e(n-2)(5)式(3)是PID数字控制器的结构表达式，按照该式可设计计算机控制程序。按式(5)求出的)是控制量的绝对大小，故式就称为PID位置控制算式，采用该式设计控制程序，在系统出现故障时，会使被控对

8、象的位置作大幅度变化，这在生产实际中往往是不允许的，因而，实际的P1D数字控制器常采用增量式PID算法。在式的等号两边分别乘以(1-z-2得(z1-z3)c(z)=(0z,+aiz2+a2z3)(z)(6)对该式取Z反变换并整理得c(n-1)=c(n-3)+6f0(?-)+ae(n-2)+a2e(n-3)将式(5)与上式相减得c,()=c,(w-2)+oe(w)+a1Ae(n-)+a2e(n-2)(8)这就是增量式PID算法表达式，采用这种算法，计算机每次只输出控制增量()，因而可减少系统故障所造成的影响，提高系统可靠性。但是要很快调整电动车达到平衡状态，用模糊增量式PID算法，这样系统更加稳

9、定,模糊自整定PID控制器主要包括模糊参数整定器和变参数PID控制器两部分。模糊参数整定器有2个输入量：偏差e和偏差的变化Ae；有3个输出量：参数%，、K,和AKg设在偏差论域e和偏差的变化ae上级参数&、K1s心分别定义了7个(根据模糊子集个数，这里暂定为7个)模糊子集：PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)ZE(零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大)。其目的是把传感器输入转换成控制器内知识库。1.2.3 系统性能分析本系统通过单片机检测倾角传感器的输出信号得到电动车水平面的偏移绝对角度，及时对电动车调整以达到平衡，但是要及时和正确地响应外部信息，控制算法对系统的性能指标会有直接影

10、响，所以本系统用增量式P1D算法得到偏移绝对角度，经运算后输出PWM信号对电机控制，使电动车稳定、准确、快速地到达平衡位置，在电动车失去平衡的情况，单片机会及时检测到和准确的做出补偿，从而使电动车重新达到平衡。电动车在行驶过程中，通过寻迹线导航而实现直线往返。2总体方案论证与比较方案一：采用各类数字电路来组成电动车的控制系统，对终点的检测信号和寻迹线的检测信号进行处理。从而对电动车的角度控制，本方案电路复杂，灵活性差，效率低，不利于电动车智能化的扩展，各路信号处理比较困难，使电动车在跷跷板上不能急时检测到寻迹线的信号而掉下来，从而影响电动车在跷跷板上的平衡。方案二：采用ATM89S51单片机来

11、作为整机的控制单元。用倾角传感器进行角度的检测而为单片机提供控制信息，导航寻迹线采用红外二极管对反射光的采集来判断是否偏离寻迹线，以达到控制电动车能顺利的在跷跷板上来回行走。克服了超声波受干扰大的缺点，此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路功能，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，受外界干扰很少，能够准确判别寻迹线而发出相应动作，能很好地满足题目的要求。本方案的基本原理，如图2所示。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。图2系统原理框图3模块电路设计与比较3.1 倾角传感器的设计与比较方案一：采用光电编码器测量电动车的倾角

12、，虽然光电编码器在不同的角度输出不同的格雷码，外围电路简单，直接用单片机读其码值经过转换，就可以对跷跷板倾角变化作出响应,从而达到自动控制的目的，但是光电编码器体积比较大，容易造成电动车重心失稳,所以此方案不合适用来搞电动车跷跷板系统。方案二：采用角度传感器来测量角度，角度传感器输出模拟量经过A/D转换为单片机提供角度信息，从而达到对电动车的平衡控制。角度传感器体积也很大，所以本方案不适合装在本统当中。方案三：自己设计制作一个倾角传感器。利用高精度电位器，经过差分放大电路放大而提高3.2 灵敏度，通过串口DACO832进行模数转换以后传递电动车现在所在的位置和水平的角度（原理图如图3所示）。此

13、方案可行性很好，而且元器件容易获取、性格比也很高。并且有调零功能，能够根据环境参数不同而调整自身的参数，例如：首先调整R3（也就是转轴的电位器），使运放的输出电压近似为零，然后固定在转轴上，把跷跷板放平衡再调RI使运放的输出为零为止，最后调整R3来改变电路的放大倍数，使转轴的电位器有很微小的变化，输出变化就很大，这样提高了角度测量的灵敏度，从而使角度测量更加准确、迅速、稳定。经过对三种方案比较论证，决定采用本方案。3.3 声光提示方案一.采用单片机在电动车走到终点或者是退到开始端时发出控制蜂鸣器信号和发光二极管来完成声光提示，此方案能完成声音提示功能，在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本

14、也不高，我们出自经费方面考虑，采用方案一。方案二：采用DS1420可分段录放音模块和彩灯，能够给人以直观和漂亮的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，而彩灯用电量比较大而装在车上占太大空间，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一。3.4 寻迹线的检测方案选择方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差。方案二：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小。本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。3.5 小车驱动电路方案一：图4不同宽度方波实现PwM控制采用分立元件组成的平衡式驱动电

15、路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作,但由于分立元件占用的空间比较大,还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。方案二：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。因为小车电机装有减速齿轮组，用不同宽度的方波实现PWM控制，其控制逻辑如图4所示。对电机的操作，通过改变芯片控制端的输入电平宽度，即可以对电机进行正反转控制，很方便单片机接口，亦能满足直流减速电机的要求。3.6 调试及性能分析整机焊接完毕，首先对硬件进行检查联线有无错误，再逐步对各模块进行调试。首先写入电机控制小程序，控制其正反转、停机均正常。加入检测子程序，电动车运转正常，再用热缩管把红外发射管罩起来，免得对其它发射管产生影响，然后调整灵敏度达最佳效果，无异常状况，接着对寻迹线检测模块调试，经判断是因为红外线收发对管灵敏度不高，调整灵敏度后仍然达不到满意效果，疑是受环境光的影响，又利用塑料套包围红外线收发后问题解决，达到最佳效果。整机综合调试，上电后对系统进行初始化，接着控制电机使电动车向前行驶，突然发现系统即刻进入外部中断1.重复多次