基于单片机自平衡小车设计及实现-本科毕业论文

《基于单片机自平衡小车设计及实现-本科毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机自平衡小车设计及实现-本科毕业论文（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） （2 0 1 5）届）届 论文 （设计） 题目： 基于单片机的自平衡小车的设计与实现论文 （设计） 题目： 基于单片机的自平衡小车的设计与实现 学院：电子工程学院学院：电子工程学院 专业：电子信息工程专业：电子信息工程 学号：学号：201113007619 姓名：何建安姓名：何建安 指导老师姓名及职称：丘森辉助教指导老师姓名及职称：丘森辉助教 第 1 页 目录目录 第一章 绪论2 1.1 研究背景3 1.2 研究现状3 1.3 研究意义3 1.4 论文的组织结构3 第二章 系统的方案设计与论证4 2.1 系统设计要求4 2.2 系统的总体设计5 2

2、.3 方案论证5 2.3.1 车体的比较与选择5 2.3.2 控制系统的比较与选择6 2.3.3 电机驱动的比较与选择7 2.3.4 电源及稳压模块的比较与选择7 2.3.5 调速模块的比较与选择7 2.3.6 显示与提示音的选择8 2.3.7 平衡槽的制作.8 2.3.8 系统框图.9 2.3.9 最终方案.10 第三章 系统硬件设计11 3.1 STC12C5A60S2 单片机硬件结构11 3.2 供电电源模块12 3.3 电机驱动的设计.12 3.4 路面检测模块设计14 3.5 测速模块15 3.6 显示电路设计15 3.7 寻迹原理16 3.8 金属探测仪17 第四章 软件设计18

3、4.1 循迹功能软件设计18 4.2 金属探测功能软件设计.18 4.3 LCD1602 液晶显示软件设计18 4.4 主程序流程图.19 第五章 测试数据、测试结果分析及结论20 5.1 测试数据20 5.2 测试结果分析21 第六章 设计总结21 6.1 对设计的小结.21 6.2 设计收获体会.21 6.3 对设计的进一步完善提出意见或建.22 致谢22 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 2 页 基于单片机的自平衡小车的设计与实现 专业：电子信息工程学号：201113007619 学生姓名：何建安指导老师姓名：丘森辉 内容摘要内容摘要 本次设计的硬系统主要由供

4、电电源模块、 主控系统模块、 直流电机驱动模块、 路面检测模块和液晶显示模块几个部分组成。供电电源是整个系统的支持者，它 给整个设计系统提供能量， 使系统能够运转起来； 主控系统是整个系统的控制者， 它指挥整个系统的运行，是整个系统的大脑；整个系统运行的动力是直流电机驱 动模块；路面检测模块则相当于整个系统的眼睛，它能够准确地检测的路面的情 况， 并将路面的情况反馈给主控系统；液晶显示模块是将整个系统的运行情况显 示出来。 关键字： 80C51 单片机光电外红反射循迹金属探测器电动小 车 PID 算法PWM 调速 第一章 绪论第一章 绪论 智能可以按照预先设定的模式在自动的运作，可应用于科学勘

5、探等等用途， 智能电动车就是其中的一个体现。本设计的简易智能电动车，采用 AT89C51 单片 机作为小车的检测和控制核心；利用金属探测器探测路面上的硬币，以及用陀螺 仪控制平衡槽的角度，采用光电传感器来检测路上感应到的黑线，从而把反馈到 的信号送单片机， 使单片机按照预定的工作模式控制小车在各区域按预定的速度 行驶，并且单片机选择的工作模式不同也可控制小车顺着 S 形黑线行驶；采用 1602LCD 实时显示小车行驶的时间，小车停止行驶后，轮流显示小车行驶时间。 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 3 页 1.1 研究背景 在科技不断发展进步的今天，对平衡小车的研究具

6、有很重要的意义，现如今 各高校在对小车平衡小车的研究上也在不断的投入资源， 更是每一年的电子设计 竞赛都会选择这类控制类的设计来刺激同学们对其相关控制策略的研究。 这不仅 提高了学生的学习积极性，更是提高了同学们对科学的认识。为此本设计主要是 设计一个由 AT89C51 单片机控制器控制的智能小车平衡控制系统。 系统为了直观 的看出电动车的运行状态，用 LCD1602 液晶将电动车的所有参数显示出来。 1.2 研究现状 平衡小车是一项机器人技术，它是一种前沿技术，领域更新速度很快，他涉 及了很多科学技术，比如计算机技术，通信技术，人工智能技术，材料科学，物 理方法，仿生学等各种高新技术。自从控

7、制小车出现，就迅速成为了人们研究学 习控制理论的一个很好的选择平台，其具有很大的理论学习意义。 近年以来，平衡小车引起了国内外很多研究机构和机器人爱好者，以及各高 校的极大关注，各种基于不同目的，不同的设计方法以及不同的控制策略的平衡 系统孕育而生，呈现出一种积极的研究姿态。 1.3 研究意义 自平衡小车是机器人科学研究中一个很重要的领域， 它随着相关的科技领域 的进步不断的进步与发展。自平衡小车属于移动机器人领域，与航天技术一样， 机器人领域的水平同样可以体现出一个国家科技技术的能力。 平衡小车是可以看做一个复杂的小系统， 它由多样模块来对他进行各种控制 以及实现很多功能，同样在它身上，我们

8、对它的各种控制方法进行比较，有助于 我们更好的学习控制类方面以及其它知识。 1.4 论文的组织结构 第一章 本设计的设计任务； 第二章 系统总体设计：主要阐述系统的功能和总体方案的选择； 第三章 系统的硬件设计：主要阐述系统硬件电路的分析及实现； 第四章 系统的软件设计：主要阐述系统软件设计及具体实现； 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 4 页 第五章 系统测试：主要阐述系统功能、性能测试和结果分析； 第六章 结论：主要阐述系统设计的原理、功能、实现方式。 第二章系统的方案设计与论证第二章系统的方案设计与论证 2.1 系统设计要求 设计并制作一辆带有自动平衡系统的电

9、动寻线智能小车，其结构如图 1 、 图 2 所示。在电动小车上通过支架固定安装一台电机，钢珠导槽固定在电机转轴 上；驱动电机可以控制导槽摆动; 小车能通过寻线自动从场地（图 3）A 点走到 车库 F 点。 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 5 页 要求 （1）当电动车从中心点 A 发车时，会沿着黑色是引导线驶向终点 F，且电 动车在此过程中要一直在黑色引导线上。 （2）在 AB 段引导线当电动车遇到硬币时，电动车会发出声光指示信号并同 时会停车五秒。 （3）小车能在 DE 的上坡段中停车 5 秒(四个车轮都应在斜坡上)，并且发出 声光指示。 （4）当电动车行驶到 F

10、 点（车体中心点在 F 点）后立即停车，整个行驶过 程的时间差不能超过 120S。 （5）电动车在全程运行过程中能自动调整导槽角度使钢珠尽量接近 O 点 （6）实时显示电动车行驶时间和路程。 2.2 系统的总体设计 按照题目的具体要求，总结出以下方案：我先是确定小车的基本模形以及它 传动方案，同时在小车上安装红外对管检测器，用红外对管来检测小车的行驶的 速度、和具体的行驶位置、以及它的行驶运行状况，在本设计用选用 MPU6050 陀螺仪来对平衡槽进行控制，用金属探测器来探测硬币，而后将测量的数据传达 到主控板进行处理转换， 然后由单片机主控板根据所测量的每一种数据来实行对 小车以及智能控制。

11、2.3 方案论证 2.3.1 车体的比较与选择 方案一：用现有的玩具小车改装。玩具电动车车身上有着完善的驱动、传动 单元，而只有传动装置是我所需要的。它的缺陷在于，玩具类电动车用的是一般 的直流电机，其负载的能力差，在速度控制上对程序编写要求相对高，且玩具电 动车的行驶转向是用前轮马达来带动前轮转动的方向完成， 它的误差率是比较高 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 6 页 的。 方案二：采用自己设计安装的车架。自己安装主动轮四个直流减速电机的小 车底盘， 实现它的直走或者左转右转以及倒车等相关动作采用的是两个电机之间 转速差的方法。减速电机的扭矩比较大，其转速也相对

12、慢，比较容易对其速度进 行控制和调试，符合避障小车的要求。所以综上我们选择方案二。 如图 3-1 图 3-1 2.3.2 控制系统的比较与选择 方案一：主控制器采用 MP430。MSP430 控制器的处理速度快，并且功耗低、 成本低。但是它主要是用于电源控制类的系统中，且电路比较复杂，所以该方案 最终舍弃。 方案二：主控制采用 stm32。stm32f103VE 的晶振是 72MHZ，在程序的执行速 度上可谓是一流的选择，并且 stm32f103VE 的可开发性很广，便于系统的二次开 发。 但是该主控芯片的成本较高， 综合考虑到成本的问题， 所以该方案最终舍弃。 方案三： 主控制器采用 STC

13、89C52RC。 STC89C52RC 芯片是一款基于 STC89C51RC 之后更完善更稳定的芯片，它自身带有 8K 的 flash 存储空间，可实现软件的擦 除、烧写等功能。该芯片能读取 C 语音，所以在编写程序上较为简单。它设计出 的最小系统，电路简单，元器件材料便宜。并且它的 I/O 资源足以满足该系统设 计的需求，所以根据比较，最终选取该方案。 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 7 页 2.3.3 电机驱动的比较与选择 方案一：采用 L298N 直流电机驱动芯片。现在很多人都是用 L298N 芯片来给 电机驱动。L298N 偶两个 TTL/COMS 的兼容

14、电平输入，拥有很好的抗外干扰性能， 利用单片机的 I/O 口给其发送的信号，电路框架简单易懂，用起来也比较容易， 同时相对稳定，具有性价比相对高。 方案二：采用大功率的二极管，三极管，电容电阻等元件来搭两个 H 桥，通 过对各路的放大信号来驱动小车的电机，原理相对简单。但放大后的信号一定要 一至，这是很难做到的。当小车电机运行功率较大时信号会很不稳定，其精确度 更是难以控制。 综合上以上二种方案，选择方案一。 2.3.4 电源及稳压模块的比较与选择 方案一：采用蓄电池供电 蓄电池体积比较大，重量也过大，会对小车的运行带去不必要的状况。 方案二：采用 18650 干电池组进行供电 干电池我是用电

15、池盒来组装，它的体积和重量都很小。由于单片机上的单元 供电用的是 5V，所以我用的 L298N 模块上 5V 降压模块来供单片机及其他单元器 件供电，另取干电池为电机及光电开关供电。这样电机以及单片机个单元在工作 中就不会受到同一电压干扰了。的综上所述，采用方案二。 2.3.5 调速模块的比较与选择 方案一：选择单片机内 PCA 模块来进行 PWM 调节速度，速度调节准确且容易对 其编程，控制方便。 广西师范大学漓江学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 第 8 页 方案二：用 L9110 马达控制驱动芯片搭建硬件电路进行调速。 考虑到控制的灵活性，采用方案一。 2.3.6 显示与提示音的选

16、择 方案一：显示模块用 lcd12864。lcd12864 这款液晶显示屏的分辨率是 128*64，它能够显示数字、汉字、字母、符号等且显示效果直观、清晰。可以 用来做系统的显示界面，但是它功耗大，价格相对于一般的显示屏较贵，考虑到 成本的问题，所以该方案最终舍弃。 方案二：显示模块用数码管。选择数码管来作为该系统的显示界面，虽然显 示亮度高，但是数码管只能显示数字和一些简单的字母，这个在显示方面上就起 到了很大的局限性，让显示效果很单调不能很清晰的看出显示的内容。并且数码 管在电路设计上需要制作自己的驱动板，所以该方案最终舍弃。 方案三：显示模块选用 LCD1602。它能够显示字母、数字、符号等简单的字 符且体积小、外围电路简单、显示界面稳定、功耗低。占用 I/O 口少。综合上述 介绍，lcd1602 能满足该系统的设计要求，所以根据比较，最终选取该方案。 在提示音方面，所以我直接采用的是蜂鸣器。蜂鸣器的电路设计比较简单， 整个模块电路是由 1 个三极管 8550、1 个 100 欧电阻、还有一个有源的蜂鸣器组 成。 有源蜂鸣器内部本身就具有振荡源，我们只需要给定一个低电平