两轮自平衡电动车的电子锁设计(附件)
摘 要摘 要两轮自平衡电动车是一种具有自平衡能力、时尚、方便、环保的新型代步工具，已经广泛出现在生态旅游风景区、大型公园以及展会中心。随着两轮自平衡车的使用越来越广泛，平衡车的安全保护也越来越重要。大多数的平衡车的价格都在一万元以上，车失窃对持有者来说是一个很大的经济损失，因此有必要设计一种电子锁对平衡车进行有效的保护。本文设计了一种与两轮自平衡车相匹配的电子锁，该电子锁分为机械执行机构和电子控制系统。机械执行机构通过步进电机带动齿轮与齿条啮合，推动锁舌伸出和缩回，实现开关锁动作。电子控制系统是基于MSP430单片机和无线遥控技术，无线遥控采用无线遥控模块和NFR2401L两种方法。程序编写通过中断方式控制实现步进电机的正反转，通过无线遥控传输不同数据，根据所传输数据控制电机正反转。通过实验与仿真，机械执行机构能够实现锁舌的伸出和缩回，实现阻挡车轮运动的功能。无线遥控器件能够实现传输指定数据和根据传输数据控制步进电机正反转。关键词：两轮自平衡车；电子锁；MSP430单片机；无线遥控；齿轮齿条目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 两轮平衡车研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 电子锁的研究现状 4
1.4 论文的主要研究内容 4
第二章 电子锁机械结构设计 5
2.1 两轮自平衡电动车实际情况分析 5
2.2 UG软件的简介 6
2.3 电子锁机械结构设计 6
2.4 主要零部件的设计 10
2.5 本章小结 13
第三章 平衡车电子锁硬件系统设计 14
3.1电子锁控制器的选型及其功能介绍 14
3.2 平衡车电子锁元器件介绍及电路设计 16
3.2.1 电源模块 16
3.2.2 晶振电路、复位电路和JTAG下载口电路 17
3.2.3 电子锁动作执行模块电路 18
3.2.4 无线遥控电路 19
3.3 本章总结 21
第四章 平衡车电子锁软件设计 23
4.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
能介绍 14
3.2 平衡车电子锁元器件介绍及电路设计 16
3.2.1 电源模块 16
3.2.2 晶振电路、复位电路和JTAG下载口电路 17
3.2.3 电子锁动作执行模块电路 18
3.2.4 无线遥控电路 19
3.3 本章总结 21
第四章 平衡车电子锁软件设计 23
4.1 引言 23
4.2 MSP430控制器的使用及初始化 23
4.3 动作执行模块的软件设计 24
4.4 无线遥控模块软件设计 25
4.4.1 无限遥控模块软件设计 25
4.4.2 NRF2401L无线模块软件设计 27
4.5 本章总结 29
第五章 平衡车电子锁测试实验与分析 30
5.1 平衡才电子锁机械执行结构仿真模拟 30
5.2 平衡车电子锁控制系统实验与分析 32
5.2.1 步进电机的实验与分析 32
5.2.2无限遥控模块的实验与分析 32
5.2.3 NRF2401L无线模块实验与分析 33
5.3 本章总结 33
结论 34
参考文献 36
附录38 第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
近年来，国内汽车行业迅速发展，预计到2030年，中国汽车保有量将至少有一亿辆，过多的汽车数量导致了严重的交通问题和环境污染等问题。
以北京为例，汽车数量从200万增长到300万仅用了两年时间，汽车数量的暴涨造成了北京交通的严重拥堵，尽管通过新建交桥、单双号限行、建立严格的交通规章制度，但都是些治标不治本的方法[]。暴涨的汽车数量还产生了停车难的问题，停车位的短缺导致了路面停车、机动车占用人行道等不文明现象，这更加加重了交通混乱的状况。
而且汽车燃料供需之间所存在的矛盾也变得越来越严重，从1996年开始，我国的石油来源主要靠进口，2010年我国石油的进口量为25368万吨，与上一年相比提高，进口石油的依存度约为，并且仍然以每年2000万吨的速度在增长，根据所查的资料可知，大气污染中的CO，的NOx，的Pb，的SO和的悬浮颗粒物来自于汽车尾气，汽车尾气的无限制排放严重的污染了环境人们的生活环境，影响了人们的健康。
两轮自平衡电动车作为一种新兴产品，它具有结构紧凑、使用方便等优点。由于两轮自平衡电动车采用紧凑的结构设计，所以它可以多辆车并行行驶，可以行驶在巷道等狭窄的路面上。近年来，两轮自平衡电动车作为一种休闲代步的工具，以广泛的出现在生态旅游风景区、大型公园及展会中心。同时作为巡逻代步工具，也广泛应用到地铁、机场以及高档小区的治安巡逻。它从根本上解决了交通堵塞的问题。
现阶段，两轮自平衡车的价格都在一万元以上，车失窃对持有者来说是一个很大的经济损失。而且，现有的两轮自平衡电动车产品都没有机械式的实体锁，现有的锁具并不能完全适合两轮自平衡电动车，因为两轮自平衡电动车采用紧凑式结构设计，车轮和箱体之间的间距较小，且车轮并没有一个固定的停止位置，所以现有的锁具不能适用于两轮自平衡车。为了保护持有者的财产安全，有必要设计一个适合于两轮自平衡电动车的电子锁。
1.2 两轮平衡车研究现状
两轮自平衡电动车起源于国外，在国外有比较多的研究，国内的起步较晚，所以得出的研究成果较少，想赶超国外还需要一段时间的研究与发展。
1.2.1 国外研究现状
国外两轮自平衡车的研究时间较早，所得得成果较多，理论发展也比较完善。日本、瑞士、美国等都在两轮自平衡控制这方面取得了丰硕的成果，在两轮自平衡车的控制、制造和产业化方面取得了较大的进展。
图11: 双轮平行机器人 图12: 两轮自平衡电动车JOE
如图11所示，为双轮平行机器人，它是日本的山藤教授所研发的并且获得了日本政府颁发的 “平行双轮机器人[]”专利。但是，由于技术不成熟，它并没有引起人们的过多关注。
随着时间的推移和技术的发展，人们逐渐的发现了这项技术的重要性。如图12所示为瑞士联邦工业大学设计制造出了的平衡小车JOE[]，它基于倒立摆控制技术，JOE的行驶速度可达1.61m/s，而且可以通过遥控设备控制小车的运动模式和前进后退。
图13: 两轮平衡交通工具Segway
2002年，美国Segway公司研制出了两轮自平衡车产品Segway HT[]，如图13所示，使用者通过改变重心的前后位置控制车辆的加速、减速，通过转动车把上的方向传感器实现车身的转弯，Segway具有自平衡能力，即自动找准重心保持平衡的能力。它表现出了两轮自平衡电动车所具有的灵巧性和实用性，引起了人们对两轮自平衡控制技术的关注。
1.2.2 国内研究现状
国内两轮自平衡控制技术的研究时间较短，所取得的成果还比较少。华中科技大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学等也都在两轮自平衡控制技术方面投入研究和实验。
华中科技大学研究生丁凤[]研究出了一种新型的建模与控制方法，使用MATLAB、ODE仿真软件建模与仿真，所研究的小车具有体积小、结构组成简单等特点，能够多辆车并行在一个车道，所需的车位也比较小，但它固有动力学特性，使它具有不稳定性，使其控制算法的编写较为复杂。
武汉理工大学研究了一个基于STM32的
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 两轮平衡车研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 电子锁的研究现状 4
1.4 论文的主要研究内容 4
第二章 电子锁机械结构设计 5
2.1 两轮自平衡电动车实际情况分析 5
2.2 UG软件的简介 6
2.3 电子锁机械结构设计 6
2.4 主要零部件的设计 10
2.5 本章小结 13
第三章 平衡车电子锁硬件系统设计 14
3.1电子锁控制器的选型及其功能介绍 14
3.2 平衡车电子锁元器件介绍及电路设计 16
3.2.1 电源模块 16
3.2.2 晶振电路、复位电路和JTAG下载口电路 17
3.2.3 电子锁动作执行模块电路 18
3.2.4 无线遥控电路 19
3.3 本章总结 21
第四章 平衡车电子锁软件设计 23
4.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
能介绍 14
3.2 平衡车电子锁元器件介绍及电路设计 16
3.2.1 电源模块 16
3.2.2 晶振电路、复位电路和JTAG下载口电路 17
3.2.3 电子锁动作执行模块电路 18
3.2.4 无线遥控电路 19
3.3 本章总结 21
第四章 平衡车电子锁软件设计 23
4.1 引言 23
4.2 MSP430控制器的使用及初始化 23
4.3 动作执行模块的软件设计 24
4.4 无线遥控模块软件设计 25
4.4.1 无限遥控模块软件设计 25
4.4.2 NRF2401L无线模块软件设计 27
4.5 本章总结 29
第五章 平衡车电子锁测试实验与分析 30
5.1 平衡才电子锁机械执行结构仿真模拟 30
5.2 平衡车电子锁控制系统实验与分析 32
5.2.1 步进电机的实验与分析 32
5.2.2无限遥控模块的实验与分析 32
5.2.3 NRF2401L无线模块实验与分析 33
5.3 本章总结 33
结论 34
参考文献 36
附录38 第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
近年来，国内汽车行业迅速发展，预计到2030年，中国汽车保有量将至少有一亿辆，过多的汽车数量导致了严重的交通问题和环境污染等问题。
以北京为例，汽车数量从200万增长到300万仅用了两年时间，汽车数量的暴涨造成了北京交通的严重拥堵，尽管通过新建交桥、单双号限行、建立严格的交通规章制度，但都是些治标不治本的方法[]。暴涨的汽车数量还产生了停车难的问题，停车位的短缺导致了路面停车、机动车占用人行道等不文明现象，这更加加重了交通混乱的状况。
而且汽车燃料供需之间所存在的矛盾也变得越来越严重，从1996年开始，我国的石油来源主要靠进口，2010年我国石油的进口量为25368万吨，与上一年相比提高，进口石油的依存度约为，并且仍然以每年2000万吨的速度在增长，根据所查的资料可知，大气污染中的CO，的NOx，的Pb，的SO和的悬浮颗粒物来自于汽车尾气，汽车尾气的无限制排放严重的污染了环境人们的生活环境，影响了人们的健康。
两轮自平衡电动车作为一种新兴产品，它具有结构紧凑、使用方便等优点。由于两轮自平衡电动车采用紧凑的结构设计，所以它可以多辆车并行行驶，可以行驶在巷道等狭窄的路面上。近年来，两轮自平衡电动车作为一种休闲代步的工具，以广泛的出现在生态旅游风景区、大型公园及展会中心。同时作为巡逻代步工具，也广泛应用到地铁、机场以及高档小区的治安巡逻。它从根本上解决了交通堵塞的问题。
现阶段，两轮自平衡车的价格都在一万元以上，车失窃对持有者来说是一个很大的经济损失。而且，现有的两轮自平衡电动车产品都没有机械式的实体锁，现有的锁具并不能完全适合两轮自平衡电动车，因为两轮自平衡电动车采用紧凑式结构设计，车轮和箱体之间的间距较小，且车轮并没有一个固定的停止位置，所以现有的锁具不能适用于两轮自平衡车。为了保护持有者的财产安全，有必要设计一个适合于两轮自平衡电动车的电子锁。
1.2 两轮平衡车研究现状
两轮自平衡电动车起源于国外，在国外有比较多的研究，国内的起步较晚，所以得出的研究成果较少，想赶超国外还需要一段时间的研究与发展。
1.2.1 国外研究现状
国外两轮自平衡车的研究时间较早，所得得成果较多，理论发展也比较完善。日本、瑞士、美国等都在两轮自平衡控制这方面取得了丰硕的成果，在两轮自平衡车的控制、制造和产业化方面取得了较大的进展。
图11: 双轮平行机器人 图12: 两轮自平衡电动车JOE
如图11所示，为双轮平行机器人，它是日本的山藤教授所研发的并且获得了日本政府颁发的 “平行双轮机器人[]”专利。但是，由于技术不成熟，它并没有引起人们的过多关注。
随着时间的推移和技术的发展，人们逐渐的发现了这项技术的重要性。如图12所示为瑞士联邦工业大学设计制造出了的平衡小车JOE[]，它基于倒立摆控制技术，JOE的行驶速度可达1.61m/s，而且可以通过遥控设备控制小车的运动模式和前进后退。
图13: 两轮平衡交通工具Segway
2002年，美国Segway公司研制出了两轮自平衡车产品Segway HT[]，如图13所示，使用者通过改变重心的前后位置控制车辆的加速、减速，通过转动车把上的方向传感器实现车身的转弯，Segway具有自平衡能力，即自动找准重心保持平衡的能力。它表现出了两轮自平衡电动车所具有的灵巧性和实用性，引起了人们对两轮自平衡控制技术的关注。
1.2.2 国内研究现状
国内两轮自平衡控制技术的研究时间较短，所取得的成果还比较少。华中科技大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学等也都在两轮自平衡控制技术方面投入研究和实验。
华中科技大学研究生丁凤[]研究出了一种新型的建模与控制方法，使用MATLAB、ODE仿真软件建模与仿真，所研究的小车具有体积小、结构组成简单等特点，能够多辆车并行在一个车道，所需的车位也比较小，但它固有动力学特性，使它具有不稳定性，使其控制算法的编写较为复杂。
武汉理工大学研究了一个基于STM32的
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