《双轮自平衡小车项目设计报告1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双轮自平衡小车项目设计报告1（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 电子与信息工程学院项 目 设 计 报 告项目名称双轮自平衡小车设计 专 业电子信息科学与技术 目录一 自平衡小车的总体方案设计31、自平衡小车的设计方案32、自平衡小车的总体框图3二 系统的具体设计与实现41、单片机控制模块42、陀螺仪加速度计模块43、光码盘测速模块64、稳压模块75、电机驱动模块86、LCD1602显示模块11三 软件系统设计161、设计思想16（1）PID技术16（2）应用现状16（3）PID调节规律17（4）极点配置18（5）极点配置条件18（6）极点配置控制器212、程序流程图223、程序代码23摘 要随着科技进步，生活水平的提高，人们追求智能与舒适的愿望也日益强烈
2、。从而催生了许多智能化的产品。如智能电视、智能小车等。如何实现小车的小车的自动快捷驾驶，也成为人们心中的向往与疑问，基于这种趋势与需求，着眼于实际情况。本文介绍了基于STC90C51单片机的自平衡小车系统的设计。系统基于陀螺仪等传感器，利用PID平衡算法，对小车的速度倾斜角度平衡状态来进行检测，并通过单片机来控制电机来实现双轮小车自如平衡地运动。从而实现小车智能自主控制的目的。关键词： STC90C51 自平衡 PID算法一 自平衡小车的总体方案设计1、自平衡小车的设计方案该自平衡小车，采用STC90C51单片机和各种传感器的组合，构成了自平衡小车系统。其系统主要由以下几个部分组成：单片机控制
3、系统、陀螺仪加速度检测模块、光码盘测速模块、稳压模块、电机驱动模块、LCD1602显示模块组成。本设计的自平衡小车工作原理：给小车通电，平衡放在地上，当小车开始倾斜时，陀螺仪及时地采集的小车倾斜角度数据传给单片机，而加速度计将车子倾斜的瞬时加速度采集后也传给单片机，同时，光码测速仪也将车子的实时速度采集后传给单片机。单片机系统收集到以上三组数据，对数据进行量化处理后，在PID平衡算法的控制下，控制电机及时地做出前进或后退或加速或减速的反应，使车子在一个小角度范围内做平衡地来回摆动，以保持车子的不倒。2、自平衡小车的总体框图自平衡小车主要由以下模块组成：单片机控制系统、陀螺仪加速度检测模块、光码
4、盘测速模块、稳压模块、电机驱动模块、LCD1602显示模块，以下是自平衡小车系统方框图。单片机控制模块陀螺仪加速度模块电机驱动模块光码盘测速模块LCD1602显示模块稳压模块（电源） 自平衡小车系统框图二 系统的具体设计与实现1、单片机控制模块单片机最小系统原理图如下： 单片机最小系统单片机最小系统由复位电路以及晶振电路组成，它是保证单片机能正常工作的最基本条件，在此不作过多介绍。2、陀螺仪加速度计模块本设计中所采用的陀螺仪加速度设模块为MPU6050，之所以选择这个模块，是因为其有以下优点：（）集角度测量与加速度测量于一体（2）其那同时测量三轴上的角度与加速度测量（3）其输出为数字信号，便于
5、处理于存储与传输（4）测量范围大，反应快。以下是MPU6050相关资料MPU-6000为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6000整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构
6、化的API。MPU-6000的角速度全格感测范围为250、500、1000与2000/sec (dps)，可准确追緃快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为2g、4g8g与16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V 5%。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有1%变动的振荡器。 引脚图 实物图3、光码盘测速模块此模块有以下优点
7、：（1） 测速精度高，反应快，因为其一圈有高达60个栅格（2）能测正反转此模块详细资料如下：对管厂家：美国惠普HP原装供电电压：5V接线方式：红5V黑GND输出信号：5Vp-p两相信号输出（见下图）。两根信号线，一根黄色的一根蓝色的（由于生产批次不同，有时候信号线可能为绿色，不影响使用）,黄色和蓝色分别是2个TTL电平（可以直接接单片机）信号（注:测正反转就是靠这两个电平区分是正转还是反转）（设AB为信号线）A先有脉冲,证明是正转B先有脉冲,证明是反转重要说明：长时间挡住或者不挡均没有输出，作为相位检测，只有在对射的上升沿和下降沿才会有波形输出，所以转动码盘或者用不透明物体来回切换状态的时候才
8、会有方波输出，高速状态下，类似正弦波或者锯齿波，详见下面视频演示。万用表测试一直表现为0.1V左右，是无效的！测试请用示波器或者单片机的采集口。 测速原理示意图 测速原理演示图4、稳压模块之所以要设计稳压模块，是因为平衡小车不同模块所需电压值不同，比如电机的工作电压在9V，而单片机控制系统、LCD1602显示模块及测速模块工作电压在5V；但同时陀螺仪加速度模块工作电压却在3.3V，因此有必要设计一稳压模块，能够同时稳定地提供这三组电压值。稳压模块的原理图如下： 稳压模块原理图其中用到两个稳压芯片LM7805及LM1117，LM7805能够将7V到12V之间的输入电压转化为5V的输出输出电压，同
9、时LM117以LM7805V的输出电压为输入电压，将其转化为3.3V输出以供陀螺仪加速度模块使用。图中，LED为测试电路是否正常，正常时灯亮；反之，灯灭。D1为普通二极管，在LM7805的输入与输出之间起滤波作用。图中电容也均为滤波作用。使用时，两稳压芯片均要用散热片，否则会导致温度过高而烧坏。相应的PCB布线图如下： 稳压模块PCB图5、电机驱动模块由于电机工作电压与单片机的不同，且单片机本身带负载能力不强，电机工作需要较大电流等因素，无法用单片机直接驱动电机运转，因此需要电机驱动模块来驱动电机。在此设计中所选用的电机驱动为L298N模块。它具有以下优点：（1）负载能力强（2）能实现高电压强
10、电流的输出（3）控制简单方便具体资料如下：L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，
11、也可以驱动两台直流电机。简要说明：一、 尺寸：80mmX45mm二、 主要芯片：L298N、光电耦合器三、 工作电压：控制信号直流5V；电机电压直流3V46V（建议使用36伏以下）四、 最大工作电流：2.5A五、 额定功率：25W特点：1、具有信号指示。 2、转速可调 3、抗干扰能力强 4、具有过电压和过电流保护 5、可单独控制两台直流电机 6、可单独控制一台步进电机 7、PWM脉宽平滑调速 8、可实现正反转 9、采用光电隔离使用直流/步进两用驱动器可以驱动两台直流电机。分别为M1和M2。引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。（如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高
12、速状态，既将短接帽短接）实现电机正反转就更容易了，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转。（如果信号端IN1接低电平， IN2接高电平，电机M1反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。（反之则反转），PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。可参考下图表：电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高低/高/反转低高/高/停止低低/高/M2正转/高低/高反转/低高/高停止低低/高其实物图如下： L298N电机驱动模块实物图6、LCD16
13、02显示模块此模块主要用来显示自平衡小车的各种参数，如倾斜角、瞬时速度、瞬时加速度等。同时也可以观察可调参数，这些参数可以用按键输入，通过LCD1602显示出来，方便自平衡小车参数的观察与更改，达到高效调速的目的。其实物图如下： LCD1602实物图其与单片机系统组成的原理图如下： 单片机控制系统及1602显示模块相应的PCB布线图如下：其详细资料如下：1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别1602LCD 主要技术参数： 显示容量:162 个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 引脚功能说明 1602LCD 采用标准的 14脚（无背光）或 16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表 10-13所示: 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶
