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1、2022年福建省大学生电子设计竞赛指导教师：林惠君 吴建宁 连桂仁姓名学院专业年级联系方式陈建平数学与计算机科学学院电子信息科学与技术1018060478623黄健数学与计算机科学学院电子信息科学与技术10黄志鹏数学与计算机科学学院电子信息科学与技术10 自平衡小车系统 摘要 我们采用模块化设计的方法，设计了一款基于STC12C5A60S2单片机的自平衡小车系统，实现了题目中的根本要求和发挥局部的全部内容。本系统基于STC12C5A60S2单片机为核心处理器，用软件实现直流电机PWM调速，为了实现控制小车直立行走，我们对小车的平衡控制和速度控制进行了建模分析，设计出一套合理的控制方案。本系统设
2、计了相关的硬件电路和相关应用程序，硬件电路主要包括STC12C5A60S2单片机最小系统、循迹探测模块、速度检测模块、倾角检测模块、转向角速度检测模块、电机驱动模块等单元电路模块；系统程序主要包括循迹探测程序、直立运行程序、PWM调速程序等。关键词：STC12C5A60S2单片机 循迹 PWM调速 平衡 1. 系统方案的比拟与选择 根据设计要求，可以有多种方法来实现系统的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比拟与选择。 1.1 控制器方案的比拟与选择 方案一：采用FPGA或CPLD作为系统的控制器，可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，
3、容易实现仿真、调试和功能扩展。但本钱高，引脚多，PCB布线复杂。 方案二：采用增强型51系列STC12C5A60S2单片机，运算速度快，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，本钱低，容易实现仿真、调试和功能扩展。 方案三：采用嵌入式处理器ARM)，运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大，外围器件少，本钱适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。但PCB设计及焊接技术要求高。综合考虑系统设计的需要，我们选择了方案二。 1.2 循迹探测方案的比拟与选择 方案一：采用热探测器，电路简单，但易受外界干扰，不灵敏。方案二：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求
4、很高，且误测几率较大，易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。 方案三：采用两个五路循迹BFD-1000模块，分别应用于小车水平运行循迹和直立运行循迹。BFD-1000专门设计用作黑白线检测的传感器，特别适合复杂黑白线、交叉黑白线的检测，它有六路高灵敏度的红外传感器5 路巡线、1 路蔽障，能够对黑白线准确的识别。应用此模块方便简单，抗干扰能力强。综合考虑系统设计的需要，我们选择了方案三。 1.3 电机驱动方案的比拟与选择 方案一: 采用继电器，电路简单可靠，但不容易实现精细控制。方案二：采用分立元件构成电机驱动电路的方法，结构简单，价格低廉，
5、在实际应用中应用广泛，但是这种电路工作性能不够稳定。方案三：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 综合考虑系统设计的需要，我们选择了方案三。2. 理论分析与计算为了实现控制小车直立行走，我们假设小车直立、运行的动力均来自两个驱动轮，且由两个直流电机来驱动后轮转动。因此，小车整体作为一个控制对象，它的输入量是两个直流电机的转动速度。我们认为，小车直立行走控制任务可以分解为平衡控制和速度控制两个根本控制模块，以下分别对这
6、两个控制模块进行建模分析与计算。 2.1 小车平衡控制的建模分析与计算 小车直立平衡控制是通过负反应来实现的，系统可以类比为一个倒立的单摆模型，由于小车只有两个驱动轮着地，因此车体会在轮子滚动的方向上发生倾斜。保持车体平衡的方法就是控制轮子转动，抵消其在这个维度上倾斜的趋势。下面，我们对小车进行数学建模，建立速度的比例微分负反应控制，根据根本控制理论讨论小车通过闭环控制保持稳定的条件。我们把小车简化为高度为，质量为的简单倒立摆，它放置在可以左右移动的车轮上。假设外力干扰引起小车产生角加速度，沿着垂直于小车地盘方向进行受力分析，如下列图2-1所示。图2-1 小车运动模型受力分析图由上图2-1我们
7、推导出小车倾角与车轮运动加速度以及外力干扰加速度之间的运动方程： 2.1 - 1 在角度很小时，,，运动方程简化为： 2.1 - 2小车静止时， 2.1 - 3对应小车静止时，系统的输入输出的传递函数为： 2.1 - 4此时系统具有两个极点，一个极点位于平面的右半开面，小车不稳定。通过对系统的拉氏分析，我们可以知道当小车静止时，此时系统的一个极点位于平面的右半平面，小车不稳定。因此我们引入比例、微分反应控制在角度控制中，与角度成比例的控制量称为比例控制，与角速度成比例的控制量称为微分控制，其中角速度是角度的微分之后的系统框图如下列图2-2所示，其中。图2-2 参加比例微分反应控制后的系统框图系
8、统的传递函数为： 2.1 - 5此时，系统的两个极点位于： 2.1 - 6假设使系统稳定，那么需两个极点都位于平面的左半平面，此时要满足，由此，我们得出结论，当时，直立小车可以到达稳定。因此，我们总结出小车直立稳定的条件是：1 能够准确测得小车倾角的大小和角速度的大小；2 可以控制车轮的加速度。 2.2 小车速度控制的建模分析与计算对于小车直立运行速度的控制相对于普通小车的速度控制那么比拟复杂，由于在速度控制过程中需要始终保持小车的平衡，因此小车速度控制不能够直接通过改变电机转速来实现。经过深入思考，我们认为具体需要解决以下三个问题：1 如何测量小车速度？2 如何通过小车直立控制算法实现小车倾
9、斜角度的改变？3 如何依据速度误差控制小车倾斜角度？第一个问题可由安装在电机输出轴上的光码盘来测量，利用主控单片机的计数器来测量在固定时间间隔内速度脉冲信号的个数来反映出电机的转速，从而得到小车的运行速度。第二个问题可由倾角控制中的给定值来解决，假设给定了小车平衡控制的设定值，在直立控制调解下，车体将会自动维持在一个角度。由分析得知，车体倾角最终是跟踪重力加速度Z轴的角度，那么将小车的倾角给定值与重力加速度Z轴角度相减，就可以最终决定车体的倾斜角度。分析第三个问题时，由于在直立平衡控制下小车速度与车体倾角之间传递函数是一个非最小相位系统，反应控制下容易造成系统的不稳定，在此，作出如下假设：1
10、小车角度在直立控制下简化成一个一阶过渡过程。2 车体倾角是由车轮运动所产生，因此车轮速度是倾斜角度变量积分再乘以车体长度。3 忽略车体倾斜引起车轮加速度，因为这个假设仅对控制刚开始的短暂过渡阶段而言，此时车体倾斜还比拟小，引起的速度变化不大。4 系统只进行速度比例负反应。进行了假设之后，就可以通过程序方法实现了，具体方式是编写程序时改变控制周期、减小控制参数、进行信号平滑滤波等。为了提高速度控制的稳定性，还必须在反应控制里加上微分控制，但由于信号中存在着噪音，增加微分控制后会加大噪声对速度控制信号的影响，为解决这一点，可以加进积分控制，将微分控制和积分控制环节合并，形成一个比例控制环节。这样可
11、以保持系统控制传递函数不变，同时防止了复杂的微分计算。速度控制的原理框图如下列图2-3所示。 图2-3 速度控制的原理框图3. 系统的硬件设计 3.1 系统的总体设计本系统的硬件电路设计，首先要分析整个系统的输入信号和输出信号，其次是选择适宜的微处理器，由微处理器提供的资源，逐步设计各个电路子模块，最终形成整个的控制电路。经分析，我们知道整个控制系统的输入输出应该包括：1 AD 转换接口5路 陀螺仪：两路，分别检测车体的倾斜角速度和转动角速度； 加速度计：一路，检测Z轴方向上的输出电压； 调试辅助：两路，用于调试电路参数的接口。2 PWM接口2路或4路 控制左右两个电极双方向运行，假设采用单极
12、性PWM驱动，那么需要四路PWM接口； 假设采用双极性PWM驱动，那么可以使用两路。3 定时器接口2路 需要两个定时器脉冲输入端口来测量左右两个电机的转动速度。4 通讯接口备用 SCI(UART):一路，用于程序下载和调试接口； I2C：备用可以直接读取加速度值。5 IO接口备用 输入输出接口用于小车的倾斜角度、运行速度的显示，功能设置等。明确了整个系统的输入输出接口后，我们最终选择了STC12C5A60S2单片机作为本系统的微处理器，STC12C5A60S2单片机能够满足上述分析的所有控制要求。本系统的硬件总体框图如下列图3-1所示。 图3-1 本系统的硬件总体框图 3.2 单元电路的设计本
13、系统以STC12C5A60S2单片机为核心处理器，在其最小系统外围设计了循迹探测模块、速度检测模块、倾角检测模块、转向角速度检测模块、电机驱动模块等单元电路。 3.21 单片机最小系统设计微处理器选择STC12C5A60S2单片机，它功耗低，运算速度快，具有丰富的外设模块，非常适合控制小车运行，其主要性能指标如下：1高速：1个时钟/机器周期，增强型8051 内核，速度比普通8051 快812 倍2工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz38通道，10位高速ADC，速度可达25 万次/秒，2路PWM还可当2 路D/A 使用（4） 通道捕获/比拟单元PWM/PCA/CCP，也可用来再实现2 个定时器或2个外部中 断支持上升沿/ 下降沿中断54个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA 实现2 个定时器（6） 芯片内EEPROM 功能，擦写次数10万次以上7高速SPI串行通信端口 如下列图3-2所示为STC12C5A60S2单片机最小系统电路图，其中包括MCU、晶振电路和复位电路。图3-2 STC12C5A60S2单片机最小系统电路图 3.22 电机驱动模块设计本电机驱动模块设计采用专用集成
