自平衡循跡小車設(shè)計報告

1、題圖：自平衡小車系統(tǒng)摘要：本自平衡小車由單片機芯片STC80C52為主控制器。通過電機驅(qū)動和尋跡電路完成三輪（兩輪為驅(qū)動，一輪為萬向輪）尋跡來按照競賽要求來完成基本部分；在運用MMA7455數(shù)字加速度傳感器和角速度傳感器（ENC03陀螺儀）以及運用電磁線性偏差來完成兩驅(qū)動輪的直立尋跡。關(guān)鍵詞 STC80C52、小車尋跡、自平衡小車。 Abstract: The self balancing car by single-chip microcomputer chip STC80C52 primarily controller. Through the motor drive and tracin

2、g circuit complete three (two wheel for drive, round for universal wheel) tracing to according to the competition requirements to complete basic parts; Using MMA7455 digital acceleration sensor and angular velocity sensor (ENC03 gyroscope) and the use of electromagnetic linear deviation to complete

3、two driving wheel of upright tracing.Keywords STC80C52, car tracing, self balancing car1系統(tǒng)方案31.1模塊方案比較與論證31.2車體設(shè)計31.3控制器模塊31.4尋跡模塊41.5直流電機驅(qū)動模塊41.6小車直立51.7小車速度控制51.8小車方向控制61.9最終方案62 理論分析和計算62.1直流電機的轉(zhuǎn)速如何控制？(建立數(shù)學(xué)模型)62.2電磁線性偏差檢測數(shù)學(xué)模型建立83電路設(shè)計1（兩輪為驅(qū)動輪，一輪為萬向輪）93.1電路總設(shè)計框圖93.2介紹單片機最小系統(tǒng)原理圖及其功能93.3介紹驅(qū)動模塊原理圖及其功能

4、103.4介紹尋跡模塊原理圖及其功能113.5怎樣來控制車模直立？（建立數(shù)學(xué)模型）123.6車模的方向控制143.7車模傾角測量154 電路設(shè)計2（兩驅(qū)動輪直立行走）174.1整個電路的框架接結(jié)構(gòu)174.2介紹數(shù)字三軸加速度傳感器模塊與陀螺儀原理圖及其功能194.3介紹電磁線偏差檢測系統(tǒng)電路及其原理204.4 整個過程的注意事項215 測試方案與結(jié)果分析215.1尋跡測試方案（7個紅外對管用TCR5000）215.2電機驅(qū)動測試方案（主芯片L298N）226.結(jié)論23*參考文獻(xiàn)23*附錄24附錄1主要元器件芯片24附錄2儀器設(shè)備清單24附錄3主要程序清單24 1系統(tǒng)方案1.1模塊方案比較與論證

5、 根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要有控制器模塊、尋跡模塊，直流電機模塊、電壓比較器模塊等構(gòu)成。為了更好地實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了幾種方案分別進行了論證。1.2車體設(shè)計方案一：購買一輛具有電力驅(qū)動模塊、尋跡模塊和傳感器模塊、電壓比較器模塊等的完整小車進行研究設(shè)計。但是考慮到價格和本身想在設(shè)計中學(xué)到更多的知識出發(fā)，這種方案不是很合適。 方案二 ：買一個小車底盤和電力驅(qū)動模塊（本身做了兩個，但不理想），兩輪作為驅(qū)動，一輪為萬向輪。車體重心設(shè)計在驅(qū)動輪軸和萬向輪之間，當(dāng)小車前進時，左右驅(qū)動輪與前萬向輪形成三點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)。而循跡模塊和傳感器模塊等通過制作PCB板，不僅從中更充

6、分的了解其中的原理，還能夠省去一些費用。通過對這兩種方案的比較，覺得方案二可以更好地豐富合我們的學(xué)識，又比較經(jīng)濟。綜上所述，我們選擇方案二。1.3控制器模塊方案一：控制器模塊，主控芯片用單片機（STC80C52）,具有體積小、集成度高、容易擴展、可靠性高、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。STC80C52具有以下特點：5個中斷源、2個16位可編程定時計數(shù)器、2個全雙工串行通信I/O口、40個引腳（其中P3口還有第二功能定義）、看門口電路，片內(nèi)時鐘振蕩器等特點。這些特點可以達(dá)到本系統(tǒng)的要求，而且也比較經(jīng)濟，我們也比較熟悉該芯片的原理，使用起來又方便。方案二 ：通過上網(wǎng)查質(zhì)料采用可變成邏輯器

7、件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、穩(wěn)定性高、體積小、I/0資源豐富、容易進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，合適作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但基于本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是很高。且從經(jīng)濟的角度考慮，用這種方案有點大材小用的感覺。所以，綜上所述，我們選擇方案一。1.4尋跡模塊 方案一：用光敏電阻組成光明探測器。由于光敏電阻的阻值可以隨周圍環(huán)境的變化而變化。當(dāng)光線照在白線上面時，光線發(fā)射強烈，當(dāng)光線照射到黑線上時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生變化。將阻值的變化經(jīng)過比較器就可以

8、輸出高低電平。但是這種方式受光的影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。這樣就會給實驗帶來不穩(wěn)定的因素。使得實驗不穩(wěn)定。 方案二：用紅外對管（TCR5000）。TCR5000光電傳感器模塊是基于TCR5000紅外光電傳感器設(shè)計的一款紅外反射式光電開關(guān)。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。輸出信號經(jīng)過施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。而且它應(yīng)用也比較廣闊，比如：障礙檢測、黑白線檢測等。（TCR5000）傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現(xiàn)

9、在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點亮。本實驗正好可用其黑白線檢測的功能進行尋跡。綜上所述，我們采用方案二。1.5直流電機驅(qū)動模塊 方案一：自行設(shè)計一塊驅(qū)動模塊。驅(qū)動芯片用L298N。比較器用LM7805。L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。LM7805芯片里含有兩個比較器。通過脈調(diào)制（PWM）來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制?；谥谱鬟^L298N，對這塊芯片有所了解，用起該制作模

10、塊來比較順手，還可以更方便的理解其工作原理。 方案二：買一塊完整的直流電機驅(qū)動模塊。主芯片也是L298N。在對直流電動機電壓的控制和驅(qū)動中，半導(dǎo)體功率器件(L298N)在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式在線性放大驅(qū)動方式，半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)，選用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈調(diào)制（PWM）來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。由于考慮到經(jīng)濟和學(xué)習(xí)方面，我們舍棄這種方案。綜上所述，我們選擇方案一。1.6小車直立通過控制兩個電機正反向運動保持小車直立狀態(tài)。要想保持車模直立必須要滿足連個條件：（1）、能夠精確測量車模傾角的大小

11、和角速度的大小(2)、可以控制車輪的加速度。如何讓車模穩(wěn)定在垂直位置呢？方案一： 改變重力的方向；方案二：增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相反才行；方案一顯然不行。所以我們選擇方案二。1.7小車速度控制小車運行速度是通過控制車輪速度實現(xiàn)的，車輪通過車模兩個后輪電機經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動，因此通過控制電機轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對車輪的運動控制。電機的運動控制有多種方案。方案一：電機運動控制通過改變施加在其上的驅(qū)動電壓實現(xiàn)；方案二：通過電機速度控制，實現(xiàn)小車恒速運行和靜止；由于本實驗沒有要求實現(xiàn)小車恒速運行和靜止，所以我們選擇方案一。1.8小車方向控制實現(xiàn)小車方向控制是保證小車沿著比賽道路行走的關(guān)鍵。通過道

12、路電磁中心線偏差檢測與電機差動控制實現(xiàn)方向控制。下面給出兩種小車方向控制方案方案一：通過道路電磁中心線的偏差檢測；方案二：通過電機差動控制；由于在全面有用到電機，所以考慮到經(jīng)濟和難易方面，我們選擇方案二。1.9最終方案 經(jīng)過我們小組成員談?wù)撟罱K確定方案如下： (1)、買一個小車底盤和電力驅(qū)動模塊，兩輪作為驅(qū)動，一輪為萬向輪； (2）、采用STC80C52單片機作為主控制器； （3）、用紅外對管（TCR5000）進行尋跡； （4）、自行制作直流電機驅(qū)動模塊（主芯片為L298N；（5）、電源使用的是用兩個3.7V的充電電池串聯(lián)在一起組成電源模塊；（6）、小車直立通過增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移

13、方向相反才行；（7）、小車速度控制通過電機運動控制通過改變施加在其上的驅(qū)動電壓實現(xiàn)；（8）、小車方向控制通過電機差動控制。2 理論分析和計算 2.1直流電機的轉(zhuǎn)速如何控制？(建立數(shù)學(xué)模型) 電機通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈調(diào)制（PWM）來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動信號為高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓U。t1秒后，驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。 t2秒后，驅(qū)動信號重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程 PWM輸出波形和計算如下：電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U為

14、：U =（t1×U）/（t1t2）=( t1×U)/T=D*U 式中D為占空比，D= t/T占空比D表示了在一個周期T里開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。D的變化范圍為0D1。當(dāng)電源電壓U不變的情況下，輸出電壓的平均值U取決于占空比D的大小，改變D值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM調(diào)速。但是在用PWM調(diào)速時，也有分單極性PWM和雙極性PWM。為了提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動電機的PWM 波形采用了單極性的驅(qū)動方式。也就是在一個PWM 周期內(nèi)，施加在電機上的電壓為一種電壓。如下圖所示：在PWM調(diào)速時，占空比D是一個重要參數(shù)。改變占空比的方法有定寬

15、調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法等。常用的定頻調(diào)寬法，同時改變t1和t2，但周期T（或頻率）保持不變。2.2電磁線性偏差檢測數(shù)學(xué)模型建立 通過雙水平檢測方案：在車模前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線為水平，高度為，如下圖所示：雙水平線圈檢測為了討論方便，我們在跑道上建立如下的坐標(biāo)系，假設(shè)沿著跑道前進的方向為z軸，垂直跑道往上為y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑到中心線為x軸。xyz軸滿足右手方向。假設(shè)在車模前方安裝兩個水平的線圈。這兩個線圈的間隔為L，線圈的高度為h，參見上圖所示。左邊的線圈的坐標(biāo)為（x,h,z），右邊的線圈的位置(x-L,h,z)。由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所

16、以在計算磁場強度的時候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動勢反映了磁場的水平分量?？梢灾栏袘?yīng)電動勢大小與成正比。假設(shè)，計算感應(yīng)電動勢 隨著線圈水平位置x的變化取值。怎樣來控制三輪（兩輪驅(qū)動、一輪為萬向輪）車按照路線要求尋跡？可通過這些模塊現(xiàn)實：（1）最小系統(tǒng)：用于連接各個子模塊的輸入輸出和控制等功能；電機驅(qū)動：用來驅(qū)動和控制兩輪的行走；尋跡模塊：用于控制整個路線過程中的行走方式和按要求尋跡。一下進行各個模塊進行分析。3電路設(shè)計1（兩輪為驅(qū)動輪，一輪為萬向輪）3.1電路總設(shè)計框圖 兩輪為驅(qū)動，一輪為萬向輪的三輪尋跡總體框圖3.2介紹單片機最小系統(tǒng)原理圖及其功能最小系

17、統(tǒng)主芯片用STC80S52: 5個中斷源、2個16位可編程定時計數(shù)器、2個全雙工串行通信I/O口、40個引腳（其中P3口還有第二功能定義）、看門口電路，片內(nèi)時鐘振蕩器等特點。以下是設(shè)計好的小系統(tǒng)子模塊電路電路圖：器件作用：12M晶振和普通電容（470UF）用于下載時所用；電阻(10K) 與電解電容（1UF）接在VCC組成上電復(fù)位電路；使能端E/A接高電平為了使STC80C52處于工作狀態(tài)。 所使用的單片機資源包括：1、電機轉(zhuǎn)速脈沖接口：左右電機脈沖接口；2、電機PWM接口：電機驅(qū)動；3、模擬檢測接口：左側(cè)電感檢波電壓；4、串口監(jiān)控接口：RXD,TXD;5程序下載調(diào)試接口；其它沒有使用的I/O和

18、模擬量口可以用作狀態(tài)顯示、運行設(shè)置以及輔助調(diào)試作。3.3介紹驅(qū)動模塊原理圖及其功能驅(qū)動模塊主芯片為L298N：L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器。以下是設(shè)計好的電機驅(qū)動模塊電塊如下： L298N驅(qū)動原理圖器件主用：L298N芯片作為驅(qū)動有四個輸入端分別接在單片機P?上；四個輸出端口分別接在小車的兩個電機的電極上用來驅(qū)動小車。LM7805里面含有兩個比較器芯片，它有一系列的固定電壓輸出，且應(yīng)用廣泛，每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護期和安全區(qū)工作期的保護，其他基本上不會損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它就能輸出大于1.5A的電流。在這當(dāng)比較器用。3.4介

19、紹尋跡模塊原理圖及其功能 尋跡模塊主要用到TCRT5000（紅外對管）如下尋跡模塊原理圖：上圖中只是其中一個紅外對管的電路原理圖，本方案中，為了更精確的進行實驗設(shè)置，我們打算用7個紅外對管進行尋跡控制。在圖中TCR5000是光電傳感器，其工作原理為：傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點亮。3.5怎樣來控制車模直立？（建立數(shù)學(xué)模型）通過控制兩

20、個電機正反向運動保持車模直立狀態(tài)。由于車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜，所以控制輪子轉(zhuǎn)動，抵消傾斜的趨勢就可以保持車體直立了。但是怎樣控制輪子的轉(zhuǎn)動才能使車模直立呢？這就要運用力學(xué)的知識：通過對比單擺模型來說明保持車模穩(wěn)定的控制規(guī)律。重力場中使用細(xì)線懸掛著重物經(jīng)過簡化便形成理想化的單擺模型而直立著的車?？梢钥闯煞胖迷诳梢宰笥乙苿悠脚_上的倒立著的單擺如下圖：當(dāng)物體離開平衡位置后，便會受到重力和懸線的作用合力，驅(qū)動重物回到平衡位置，這個力稱為回復(fù)力其大小為: 在此回復(fù)力作用下，單擺便進行周期運動。而在空氣中運動的單擺，由于受到空氣阻尼力，單擺最終會停止在垂直平衡位置?？諝?/p>

21、阻尼力與單擺運行速度成正比，而方向相反。阻尼力越大，單擺越會盡快在垂直位置穩(wěn)定下來。通過單擺中的回復(fù)力和阻尼力影響，所以要想單擺在平衡位置，就要使物體受到與位移（角度）相反的回復(fù)力和受到與運動速度相反的阻尼力。但是對于倒立擺在垂直的位置時，在受到外部干擾的情況下，是無法保持穩(wěn)定的，我們分析倒立擺的受力分析如上圖。倒立擺之所以不能象單擺一樣可以穩(wěn)定在垂直位置，就是因為在它偏離平衡位置的時候，所受到的回復(fù)力與位移方向相同，而不是相反！因此，倒立擺便會加速偏離垂直位置，直到倒下。要讓控制使得倒立擺能夠像單擺一樣，穩(wěn)定在垂直位置必須：一個是改變重力的方向；另一個是增加額外的受力，使得恢復(fù)力與位移方向相

22、反才行。顯然只能用第二種方式?？刂频沽[底部車輪，使得它作加速運動。這樣站在小車上（非慣性系）看倒立擺，它就會受到額外的力(慣性力)，該力與車輪的加速度方向相反，大小成正比。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為（2-1）式中，假設(shè)控制輪加速度與偏角成正比，比例為 。顯然，如果，（g是重力加速度）那么回復(fù)力的方向便于位移方向相反了。此外，為了使得倒立擺能夠盡快地在垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力，與偏角的速度成正比，方向相反。因此式（2-1）可變?yōu)椋?-2）按照上面的控制方法，可把倒立擺模型變?yōu)閱螖[模型，能夠穩(wěn)定在垂直位置。因此，可得控制車輪加速度的控制算法（2-3）式中,為車模傾角；q 為角速度；均為

23、比例系數(shù)；兩項相加后作為車輪加速度的控制量。只要保證在條件下，可以維持車模直立狀態(tài)。其中，決定了車模是否能夠穩(wěn)定到垂直位置，它必須大于重力加速度； 決定了車?；氐酱怪蔽恢玫淖枘嵯禂?shù)，選取合適的阻尼系數(shù)可以保證車模盡快穩(wěn)定在垂直位置。因此控制車模穩(wěn)定，需要下列兩個條件：（1）能夠精確測量車模傾角的大小和角速度q 的大??；（2）可以控制車輪的加速度。3.6車模的方向控制 要想實現(xiàn)車模方向的控制必須要靠電動機差動控制。所謂電機差動控制就是利用電磁線偏差檢測信號分別與車模速度控制信號進行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右輪運行角速度不一致進而控制車模方向。通過左右電機速度差驅(qū)動車模轉(zhuǎn)向消除車

24、模偏差，這個過程是一個積分過程。因此車模差動控制一般只需要進行簡單的比例控制就可以完成車模方向控制。電機差動控制：利用電磁線偏差檢測信號分別與車模速度控制信號進行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右輪運行角速度不一致進而控制車模方向。如下圖： 通過差動控制左右電機驅(qū)動電壓控制車模方向3.7車模傾角測量（1）、數(shù)字加速度傳感器 要想使車模在直立而保持動態(tài)平衡，還必須要用到數(shù)字加速度傳感器模塊。因為一旦動態(tài)中的直立狀態(tài)是不可能保持平衡的，車模會與地面產(chǎn)生傾角，稱為車模傾角，通過測量車模的傾角和傾角加速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。其主芯片用MMA7455。MMA7455 是一款數(shù)

25、字輸出I2C/SPI）、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度計，具有信號調(diào)理、低通濾波器、溫度補償、自測、可配置通過中斷引腳(INT1或INT2）檢測0g、以及脈沖檢測（用于快速運動檢測）等功能0g 偏置和靈敏度是出廠配置，無需外部器件。客戶可使用指定的0g 寄存器和g_select量程選擇對0g 偏置進行校準(zhǔn)， 量程可通過命令選擇 3 個加速度范圍(2g/4g/8g)。通過設(shè)置可以使得 MMA7260 最大輸出靈敏度為800mV/g。只需要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車模傾角，比如使用Z 軸方向上的加速度信號。車模直立時，固定加速度器在Z 軸水平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。當(dāng)

26、車模發(fā)生傾斜時，重力加速度g 便會在Z 軸方向形成加速度分量，從而引起該軸輸出電壓變化。變化的規(guī)律為式中，g為重力加速度；為車模傾角；k為比例系數(shù)。當(dāng)傾角比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比。似乎只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對此信號進行微分便可以獲得傾角加速度。但在實際車模運行過程中，由于車模本身的運動所產(chǎn)生的加速度會產(chǎn)生很大的干擾信號疊加在上述測量信號上，使得輸出信號無法準(zhǔn)確反映車模的傾角。車模運動產(chǎn)生的振動加速度使得輸出電壓在實際傾角電壓附近波動，可以通過數(shù)據(jù)平滑濾波將其濾除。但是平滑濾波也會使得信號無法實時反映車模傾角的變化，從而減緩對于車模車輪控制，使得車模無法保持

27、平衡。因此對于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過另外一種器件獲得，那就是角速度傳感器-陀螺儀。 （2）、角速度傳感器陀螺儀 陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。陀螺儀所使用的主芯片為ENC03角速度傳感器，它輸出一個和角速度成正比的模擬電壓信號。在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜的角速度，將角速度信號進行積分便可以得到車模的傾角。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體振動影響。因此該信號中噪聲很小。車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車?？刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到

28、的信號。又因為從陀螺儀的角速度獲得角度信息，需要經(jīng)過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差，經(jīng)過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導(dǎo)致電路飽和，無法形成正確的角度信號，這就要通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正。如下圖利用加速度計所獲得的角度信息與陀螺儀積分后的角度q 進行比較，將比較的誤差信號經(jīng)過比例放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號疊加之后再進行積分。從上圖中的框圖可以看出，對于加速度計給定的角度，經(jīng)過比例、積分環(huán)節(jié)之后產(chǎn)生的角度必然最終等于。由于加速度計獲得的角度信息不會存在積累誤差，所以最終將輸出角度中的積累誤差消除了。加速度計所產(chǎn)生的角度信

29、息中會疊加很強的有車模運動加速度噪聲信號。為了避免該信號對于角度的影響，因此比例系數(shù) 應(yīng)該非常小。這樣，加速度的噪聲信號經(jīng)過比例、積分后，在輸出角度信息中就會非常小了。由于存在積分環(huán)節(jié)，所以無論比例g T 多么小，最終輸出角度必然與加速度計測量的角度相等，只是這個調(diào)節(jié)過程會隨著的減小而延長。為了避免輸出角度跟著過長，可以通過在控制電路和程序運行的開始，盡量保持車模處于直立狀態(tài)，這樣一開始就使得輸出角度與相等。此后，加速度計的輸出只是消除積分的偏移，輸出角度不會出現(xiàn)很大的偏差。綜上所述，要使小車在直立狀態(tài)行走必須采集如下信號：a、車模電機轉(zhuǎn)速脈沖信號； b、車模加速度計信號（z 軸信號）；c、車

30、模陀螺儀信號；d、車模電磁偏差信號；4 電路設(shè)計2（兩驅(qū)動輪直立行走）4.1整個電路的框架接結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計小車控制系統(tǒng)的電路時，首先需要分析并明白整個系統(tǒng)的輸入、輸出信號，然后在選擇合適的主控芯片（單片機），逐步設(shè)計各個電路子模塊，最后形成完整的控制電路。其中系統(tǒng)的輸入輸出有：（1）、定時器接口（定時器0方式1）：用來測量兩個電機轉(zhuǎn)速。(2)、PWM接口（4端輸入4端輸出）：用來控制左右兩個電極雙方向運行，需要四路PWM 接口。（3）、通訊接口：SCI用于程序下載和調(diào)試接口。（4）I/O接口：用于小車運行狀態(tài)顯示，功能設(shè)置等。整個電路的框架結(jié)構(gòu)如下： 直立車模控制整體框圖根據(jù)上圖，可將控制電路

31、劃分為以下幾個子模塊：1、 單片機最小系統(tǒng)（主控器）：程序下載和調(diào)試等功能；2、 電機驅(qū)動：驅(qū)動雙向電極運行電路；3、 速度檢測：電機差動控制；4、 電源：兩節(jié)3.7V充電電池；5、 陀螺儀與加速度計：包括兩個姿態(tài)傳感器信號放大濾波電路；6、 設(shè)置與調(diào)試：顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、速度設(shè)定、程序下載與監(jiān)控；以下將分別對以上電路給出控制設(shè)計參考方案：最小系統(tǒng)：由于在三輪尋跡已介紹過，在直立行走是大致一樣運用，不同的是：在直立行走時，多運用幾個功能接口（如CS、SDA、SCL等）多了一些比如加速度傳感器、角速度傳感器等的連接。驅(qū)動模塊：在直立行走時與三輪行走基本類似，還是以兩輪作為驅(qū)動，但是沒有了萬向輪。

32、而且由于車模具有兩個后輪驅(qū)動電機，因此需要兩組電機驅(qū)動橋電路, 通過利用電機驅(qū)動芯片33886 組成了電機驅(qū)動電路。如下圖所示： 4.2介紹數(shù)字三軸加速度傳感器模塊與陀螺儀原理圖及其功能數(shù)字加速度器模塊主要用到的芯片是MMA7455：3軸小量程加速傳感器是檢測物件運動和方向的傳感器，它根據(jù)物件運動和方向改變輸出信號的電壓值。下圖為該模塊的原理圖及其各個引腳的功能。其中NC為懸空管角；CS為接高電平為IIC工作模式；INT1/INT2為中斷；SDA為IIC數(shù)據(jù)線，外界上拉電阻；SCL為IIC時鐘線，外界上拉電阻；注意：不同的接線定義模式有的引腳功能有所差別。MMA7455具有以下特點：1、具有Z

33、軸自測功能；2、低壓操作在2.4V3.6V；3、可用于偏置校準(zhǔn)的用戶指定寄存器；4、可編程閥值中斷輸出；5、具有電平檢測模式運動識別（沖擊、震動、自由下落）；7、 脈沖檢測模式單脈沖或雙脈沖識別等功能。 角速度傳感器-陀螺儀：角速度傳感器，也稱為“陀螺儀”，用于檢測目標(biāo)相對于某一軸轉(zhuǎn)動的角速度。利用陀螺儀可以測量運動物體的姿態(tài)和轉(zhuǎn)動角速度，以提供運動物體的方位或者水平基準(zhǔn)。與加速度計組合可以構(gòu)成慣性測量單元。從而在小車直立行走時，可以通過這一特性就行消除慣性帶來的影響。如下圖為陀螺儀和加速度電路原理圖：MMA7455模塊實物圖 陀螺儀電壓輸出原理圖加速度電壓信號輸出電路圖根據(jù)上圖得將陀螺儀的輸

34、出信號放大了10 倍左右，并將零點偏置電壓調(diào)整到工作電源的一半（1.65V）左右。放大倍數(shù)需要根據(jù)選取的傳感器輸出靈敏度設(shè)計。4.3介紹電磁線偏差檢測系統(tǒng)電路及其原理 電磁線偏差檢測是通過對不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場分量來進行檢測的。如下系統(tǒng)檢測框圖：系統(tǒng)檢測框圖系統(tǒng)檢測框圖中的信號放大原理圖如下： 系統(tǒng)檢測框圖中的檢波電路原理圖如下： 4.4 整個過程的注意事項由于車模直立運行，在制作電路板的時候盡可能減少電路板的尺寸，一方面便于固定，另一方面可以減少車模的慣量。固定電路板應(yīng)盡可能貼近車模的底盤，使其能夠穩(wěn)固。為了避免車模運行過程中傾倒，摔壞車模及其上的電路板，在車模機械設(shè)計

35、的時候，需要考慮在車模前后安裝有防撞支架或者緩沖物，一旦車模傾倒或者失控，防撞支架可以保護車模機械的安全性。此外，也可以在防撞支架上安裝車模跌倒檢測開關(guān)，一旦車模傾倒，控制電路便立即停止運行。5 測試方案與結(jié)果分析 5.1尋跡測試方案（7個紅外對管用TCR5000）注釋：flag為標(biāo)志位，1表示高電平有效，0表示低電平，X表示任意（0或1），a1到a7表示七個紅外對管。a1a2a3a4a5a6a7尋跡方式XX010XX直走X01X10X直走一小段時間（大約5ms判斷過程）再右轉(zhuǎn)XX110XX直走一小段時間（大約3ms判斷過程）再右轉(zhuǎn)1XXXXX0直走一小段時間（大約8ms判斷過程）再右轉(zhuǎn)X1X

36、XXX0直走一小段時間（大約8ms判斷過程）再右轉(zhuǎn)XX011XX直走一小段時間（大約6ms判斷過程）再左轉(zhuǎn)0XXXX1X直走一小段時間（大約6ms判斷過程）再左轉(zhuǎn)0XXXXX1直走一小段時間（大約6ms判斷過程）再左轉(zhuǎn)X11XXXXXXX1XX1延時判斷（大約5ms），若檢測到（flag=0并加1）加速,若（flag=1并加1）減速，若（flag=2清零）恢復(fù)原來速度結(jié)果分析：將小車放在測試時運行起點為F、A或C、D之間任意點隨機放置（三輪尋跡：兩個驅(qū)動輪，一個萬向輪）：（1）小車基本會按照引導(dǎo)線的A、B點之間在加速，B、C區(qū)在減速，車速有明顯的變化（時間比約1:2）；（2）在D、E兩點引導(dǎo)線

37、斷開區(qū)域，小車經(jīng)過D點時能正常運行，并能尋跡至E點后繼續(xù)行駛。（3）小車在經(jīng)過E點到F點區(qū)域按照S形路線行駛。5.2電機驅(qū)動測試方案（主芯片L298N）注釋：通過控制D=t/T(占空比)從而控制電機的加減速。IN1IN2ENA電機狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針ENIN1IN2IN3IN4電機狀態(tài)10001左轉(zhuǎn)11000右轉(zhuǎn)11010全進10101后退（該實驗未用到）0XXXX停止結(jié)果分析：根據(jù)小車在尋跡時的運行，小車會在加減速之間通過程序的控制電機可以進行加減速。而且在直線和斷點之中運行時，電機也會直走，最后在插口和S型路段，也會相應(yīng)的左右轉(zhuǎn)運行。注意一點是：只要通過控制好D= t/T

38、（電機的占空比）那么就能夠在加減速區(qū)域進行加減速。6.結(jié)論 由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，所以在京賽的基本要求都很好的完成。但是發(fā)揮部分由于時間和知識的有限，再加上經(jīng)驗的缺乏，所以并沒能將發(fā)揮部分完成。*參考文獻(xiàn)電子技術(shù)基礎(chǔ)康華光等著，高等教育出版社，2005年；C語言程序設(shè)計教程葉東毅等著，廈門大學(xué)出版社，2009年；模擬電子線路基礎(chǔ)，吳運昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年；單片機原理及應(yīng)用，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)，2002年；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，張曉麗等著，北京：機械工業(yè)出版社，2002年；*附錄 附錄1主要元器件芯片STC80C52、L298N

39、、LM7805、TCRT5000、MMA7455。ENC03、1602液晶顯示器。 附錄2儀器設(shè)備清單1、 數(shù)字萬用表；2、數(shù)字示波器 附錄3程序清單 三輪尋跡程序清單（兩輪為驅(qū)動輪，一輪為萬向輪）#include<reg52.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit IN1=P20;/以下是點擊驅(qū)動芯片L298 管腳位聲明sbit IN2=P21;sbit IN3=P22;sbit IN4=P23;sbit a1=P10;/此處是傳感器RPR220 管腳位聲明sbit a2=P11;sbit a3=P

40、12;sbit a4=P13;sbit a5=P14;sbit a6=P15;sbit a7=P16;sbit ENA=P24;sbit ENB=P25;uint a,pwm,flag,bl;/一些標(biāo)志位的聲明void delay_us(uint aa) while(aa-); /延時us函數(shù)void delay_ms(uint bb) for(bb;bb>0;bb-)delay_us(500); /延時ms函數(shù)void forward_turn1()IN1=0;IN2=1; /電機1 前進void reverse_return1()IN1=1;IN2=0; /電機1 后退void fo

41、rward_turn2()IN3=0;IN4=1; /電機2 前進void reverse_return2()/電機2 后退IN3=1;IN4=0;void advance()pwm=bl;forward_turn1();forward_turn2();/小車直線前進void left() pwm=bl;reverse_return1(); forward_turn2();/小車左轉(zhuǎn)void right()pwm=bl;reverse_return2(); forward_turn1();/小車右轉(zhuǎn)void main() flag=0;P1=0xff; TMOD=0X11; ET0=1; TR0=1;EA=1; bl=130; TH0=(65536-5000)/256; TL0=(65536-5000)%256;whi