電子設(shè)計大賽設(shè)計報告

1、PAGE PAGE 212022年福建省大學(xué)生電子設(shè)計競賽指導(dǎo)教師：林惠君 吳建寧 連桂仁姓名學(xué)院專業(yè)年級聯(lián)系方式陳建平數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)1018060478623黃健數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)10黃志鵬數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)10 自平衡小車系統(tǒng) 摘要 我們采用模塊化設(shè)計的方法，設(shè)計了一款基于STC12C5A60S2單片機的自平衡小車系統(tǒng)，實現(xiàn)了題目中的根本要求和發(fā)揮局部的全部內(nèi)容。本系統(tǒng)基于STC12C5A60S2單片機為核心處理器，用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速，為了實現(xiàn)控制小車直立行走，我們對小車的平衡控制和速度控制進(jìn)行了建模分析，設(shè)計出一套

2、合理的控制方案。本系統(tǒng)設(shè)計了相關(guān)的硬件電路和相關(guān)應(yīng)用程序，硬件電路主要包括STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)、循跡探測模塊、速度檢測模塊、傾角檢測模塊、轉(zhuǎn)向角速度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊等單元電路模塊；系統(tǒng)程序主要包括循跡探測程序、直立運行程序、PWM調(diào)速程序等。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機 循跡 PWM調(diào)速 平衡 系統(tǒng)方案的比擬與選擇 根據(jù)設(shè)計要求，可以有多種方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。我們采用模塊化思想，從各個單元電路選擇入手進(jìn)行整體方案的論證、比擬與選擇。 1.1 控制器方案的比擬與選擇 方案一：采用FPGA或CPLD作為系統(tǒng)的控制器，可以實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能，規(guī)模大，速度快，密度高，

3、體積小，穩(wěn)定性高，容易實現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴展。但本錢高，引腳多，PCB布線復(fù)雜。 方案二：采用增強型51系列STC12C5A60S2單片機，運算速度快，軟件編程靈活，自由度大，技術(shù)成熟，體積小，本錢低，容易實現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴展。 方案三：采用嵌入式處理器ARM)，運算功能強大，速度較快，編程靈活，自由度大，外圍器件少，本錢適中，容易實現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴展。但PCB設(shè)計及焊接技術(shù)要求高。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計的需要，我們選擇了方案二。 1.2 循跡探測方案的比擬與選擇 方案一：采用熱探測器，電路簡單，但易受外界干擾，不靈敏。方案二：采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛

4、過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大，易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 方案三：采用兩個五路循跡BFD-1000模塊，分別應(yīng)用于小車水平運行循跡和直立運行循跡。BFD-1000專門設(shè)計用作黑白線檢測的傳感器，特別適合復(fù)雜黑白線、交叉黑白線的檢測，它有六路高靈敏度的紅外傳感器5 路巡線、1 路蔽障，能夠?qū)诎拙€準(zhǔn)確的識別。應(yīng)用此模塊方便簡單，抗干擾能力強。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計的需要，我們選擇了方案三。 1.3 電機驅(qū)動方案的比擬與選擇 方案一: 采用繼電器，電路簡單可靠，但不容易實現(xiàn)精細(xì)控制。方案二：采用分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路的方法，結(jié)

5、構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。方案三：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計的需要，我們選擇了方案三。理論分析與計算為了實現(xiàn)控制小車直立行走，我們假設(shè)小車直立、運行的動力均來自兩個驅(qū)動輪，且由兩個直流電機來驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動。因此，小車整體作為一個控制對象，它的輸入量是兩個直流電機的轉(zhuǎn)動速度。我們認(rèn)為，小車直立行走控制任務(wù)可以分解為平衡控制和速度控制兩個根本控制模塊，

6、以下分別對這兩個控制模塊進(jìn)行建模分析與計算。 2.1 小車平衡控制的建模分析與計算 小車直立平衡控制是通過負(fù)反應(yīng)來實現(xiàn)的，系統(tǒng)可以類比為一個倒立的單擺模型，由于小車只有兩個驅(qū)動輪著地，因此車體會在輪子滾動的方向上發(fā)生傾斜。保持車體平衡的方法就是控制輪子轉(zhuǎn)動，抵消其在這個維度上傾斜的趨勢。下面，我們對小車進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立速度的比例微分負(fù)反應(yīng)控制，根據(jù)根本控制理論討論小車通過閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件。我們把小車簡化為高度為，質(zhì)量為的簡單倒立擺，它放置在可以左右移動的車輪上。假設(shè)外力干擾引起小車產(chǎn)生角加速度，沿著垂直于小車地盤方向進(jìn)行受力分析，如下列圖2-1所示。圖2-1 小車運動模型受力分析圖由上

7、圖2-1我們推導(dǎo)出小車傾角與車輪運動加速度以及外力干擾加速度之間的運動方程： 2.1 - 1 在角度很小時，,，運動方程簡化為： 2.1 - 2小車靜止時， 2.1 - 3對應(yīng)小車靜止時，系統(tǒng)的輸入輸出的傳遞函數(shù)為： 2.1 - 4此時系統(tǒng)具有兩個極點，一個極點位于平面的右半開面，小車不穩(wěn)定。通過對系統(tǒng)的拉氏分析，我們可以知道當(dāng)小車靜止時，此時系統(tǒng)的一個極點位于平面的右半平面，小車不穩(wěn)定。因此我們引入比例、微分反應(yīng)控制在角度控制中，與角度成比例的控制量稱為比例控制，與角速度成比例的控制量稱為微分控制，其中角速度是角度的微分之后的系統(tǒng)框圖如下列圖2-2所示，其中。圖2-2 參加比例微分反應(yīng)控制后

8、的系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 2.1 - 5此時，系統(tǒng)的兩個極點位于： 2.1 - 6假設(shè)使系統(tǒng)穩(wěn)定，那么需兩個極點都位于平面的左半平面，此時要滿足，由此，我們得出結(jié)論，當(dāng)時，直立小車可以到達(dá)穩(wěn)定。因此，我們總結(jié)出小車直立穩(wěn)定的條件是：能夠準(zhǔn)確測得小車傾角的大小和角速度的大??；可以控制車輪的加速度。 2.2 小車速度控制的建模分析與計算對于小車直立運行速度的控制相對于普通小車的速度控制那么比擬復(fù)雜，由于在速度控制過程中需要始終保持小車的平衡，因此小車速度控制不能夠直接通過改變電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。經(jīng)過深入思考，我們認(rèn)為具體需要解決以下三個問題：如何測量小車速度？如何通過小車直立控制算法實現(xiàn)小車傾斜角

9、度的改變？如何依據(jù)速度誤差控制小車傾斜角度？第一個問題可由安裝在電機輸出軸上的光碼盤來測量，利用主控單片機的計數(shù)器來測量在固定時間間隔內(nèi)速度脈沖信號的個數(shù)來反映出電機的轉(zhuǎn)速，從而得到小車的運行速度。第二個問題可由傾角控制中的給定值來解決，假設(shè)給定了小車平衡控制的設(shè)定值，在直立控制調(diào)解下，車體將會自動維持在一個角度。由分析得知，車體傾角最終是跟蹤重力加速度Z軸的角度，那么將小車的傾角給定值與重力加速度Z軸角度相減，就可以最終決定車體的傾斜角度。分析第三個問題時，由于在直立平衡控制下小車速度與車體傾角之間傳遞函數(shù)是一個非最小相位系統(tǒng)，反應(yīng)控制下容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，在此，作出如下假設(shè)：小車角度在直

10、立控制下簡化成一個一階過渡過程。車體傾角是由車輪運動所產(chǎn)生，因此車輪速度是傾斜角度變量積分再乘以車體長度。忽略車體傾斜引起車輪加速度，因為這個假設(shè)僅對控制剛開始的短暫過渡階段而言，此時車體傾斜還比擬小，引起的速度變化不大。系統(tǒng)只進(jìn)行速度比例負(fù)反應(yīng)。進(jìn)行了假設(shè)之后，就可以通過程序方法實現(xiàn)了，具體方式是編寫程序時改變控制周期、減小控制參數(shù)、進(jìn)行信號平滑濾波等。為了提高速度控制的穩(wěn)定性，還必須在反應(yīng)控制里加上微分控制，但由于信號中存在著噪音，增加微分控制后會加大噪聲對速度控制信號的影響，為解決這一點，可以加進(jìn)積分控制，將微分控制和積分控制環(huán)節(jié)合并，形成一個比例控制環(huán)節(jié)。這樣可以保持系統(tǒng)控制傳遞函數(shù)不

11、變，同時防止了復(fù)雜的微分計算。速度控制的原理框圖如下列圖2-3所示。 圖2-3 速度控制的原理框圖系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，首先要分析整個系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號，其次是選擇適宜的微處理器，由微處理器提供的資源，逐步設(shè)計各個電路子模塊，最終形成整個的控制電路。經(jīng)分析，我們知道整個控制系統(tǒng)的輸入輸出應(yīng)該包括：AD 轉(zhuǎn)換接口5路陀螺儀：兩路，分別檢測車體的傾斜角速度和轉(zhuǎn)動角速度；加速度計：一路，檢測Z軸方向上的輸出電壓；調(diào)試輔助：兩路，用于調(diào)試電路參數(shù)的接口。PWM接口2路或4路 控制左右兩個電極雙方向運行，假設(shè)采用單極性PWM驅(qū)動，那么需要四路PWM接口； 假設(shè)

12、采用雙極性PWM驅(qū)動，那么可以使用兩路。定時器接口2路 需要兩個定時器脈沖輸入端口來測量左右兩個電機的轉(zhuǎn)動速度。通訊接口備用SCI(UART):一路，用于程序下載和調(diào)試接口；I2C：備用可以直接讀取加速度值。IO接口備用 輸入輸出接口用于小車的傾斜角度、運行速度的顯示，功能設(shè)置等。明確了整個系統(tǒng)的輸入輸出接口后，我們最終選擇了STC12C5A60S2單片機作為本系統(tǒng)的微處理器，STC12C5A60S2單片機能夠滿足上述分析的所有控制要求。本系統(tǒng)的硬件總體框圖如下列圖3-1所示。 圖3-1 本系統(tǒng)的硬件總體框圖 3.2 單元電路的設(shè)計本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心處理器，在其最小系

13、統(tǒng)外圍設(shè)計了循跡探測模塊、速度檢測模塊、傾角檢測模塊、轉(zhuǎn)向角速度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊等單元電路。 3.21 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計微處理器選擇STC12C5A60S2單片機，它功耗低，運算速度快，具有豐富的外設(shè)模塊，非常適合控制小車運行，其主要性能指標(biāo)如下：1高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051 內(nèi)核，速度比普通8051 快812 倍2工作頻率：035MHz，相當(dāng)于普通8051：0420MHz38通道，10位高速ADC，速度可達(dá)25 萬次/秒，2路PWM還可當(dāng)2 路D/A 使用通道捕獲/比擬單元PWM/PCA/CCP，也可用來再實現(xiàn)2 個定時器或2個外部中 斷支持上升沿/ 下降沿中斷54個1

14、6位定時器，兼容普通8051的定時器T0/T1，2路PCA 實現(xiàn)2 個定時器芯片內(nèi)EEPROM 功能，擦寫次數(shù)10萬次以上7高速SPI串行通信端口 如下列圖3-2所示為STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)電路圖，其中包括MCU、晶振電路和復(fù)位電路。圖3-2 STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)電路圖 3.22 電機驅(qū)動模塊設(shè)計本電機驅(qū)動模塊設(shè)計采用專用集成芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。本電機驅(qū)動模塊的電路圖如下列圖

15、3-3所示。 圖3-3 電機驅(qū)動模塊的電路圖 3.23 循跡探測模塊設(shè)計本循跡探測模塊設(shè)計采用兩個五路循跡BFD-1000模塊，分別應(yīng)用于小車水平運行循跡和直立運行循跡。BFD-1000專門設(shè)計用作黑白線檢測的傳感器，特別適合復(fù)雜黑白線、交叉黑白線的檢測，它有六路高靈敏度的紅外傳感器5 路巡線、1 路蔽障，能夠?qū)诎拙€準(zhǔn)確的識別。 3.24 速度檢測模塊設(shè)計本速度檢測模塊設(shè)計采用速度傳感器，即固定在電機輸出軸上的光碼盤以及相互配合的光電管器件，如下列圖3-4所示為本模塊的電路圖。光電管器件直接輸出數(shù)字脈沖信號，即可以直接將這些脈沖信號連接到單片機的計數(shù)器端口就可測得小車運行速度。每個光電管輸出

16、兩個脈沖信號，它們波形相同，只是相位相差90度。如果電機正轉(zhuǎn)，第二個脈沖落后90度；如果電機反轉(zhuǎn)，第二個脈沖超前90度。由此，我們可以通過這個關(guān)系判斷電機是否正反轉(zhuǎn)。在實際電路中，我們只需檢測了一路脈沖信號，通過它的頻率測量得到電機的轉(zhuǎn)速。電機的轉(zhuǎn)向那么是通過施加在電機上的電壓正負(fù)進(jìn)行判斷的。圖3-4 速度檢測模塊的電路圖 3.25 傾角檢測模塊設(shè)計 本傾角檢測模塊設(shè)計采用的是加速度傳感器MMA7361和村田公司的ENC-03系列的陀螺儀進(jìn)行測量，測得的是傾角速度和重力加速度，分別進(jìn)行積分和微分就可以得到角度和角速度。由于此加速度傳感器的輸出信號很大，不需要進(jìn)行放大，所以本模塊只需要對陀螺儀信

17、號進(jìn)行放大濾波。本傾角檢測模塊的電路圖如下列圖3-5所示。 圖3-5 傾角檢測模塊的電路圖 上圖3-5中，經(jīng)分析可以看出，將陀螺儀的輸出信號放大了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，可以選擇5至10倍范圍都可以滿足車?？刂菩枰?。上圖3-5電路只是將傳感器的信號進(jìn)行了放大處理，角度和角加速度的計算都要依靠單片機的軟件來完成。 3.26 轉(zhuǎn)向角速度檢測模塊設(shè)計 參與控制小車轉(zhuǎn)向的陀螺儀的電路和上圖3-5中的傾角檢測電路中陀螺儀的電路是一樣的。只是在安裝轉(zhuǎn)向陀螺的時候，將該陀螺垂直安裝，由此可以測量小車的轉(zhuǎn)向角速度。故本轉(zhuǎn)向角速

18、度檢測模塊的設(shè)計電路圖也如上圖3-5所示。 3.27 電源模塊設(shè)計本電源模塊設(shè)計采用4節(jié)1.5V的干電池供電，并且電源通過7805穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，470uF和104電容進(jìn)行濾波。本電源模塊的電路圖如下列圖3-6所示。圖3-6 電源模塊的電路圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本系統(tǒng)為了實現(xiàn)小車水平運行和直立運行都可以按軌道行駛，設(shè)計了與硬件電路相適應(yīng)的軟件程序。該系統(tǒng)軟件程序主要包括循跡探測程序、直立運行程序、PWM調(diào)速程序等。 4.1 循跡探測程序流程圖開 始是否有 信號？ 中間傳感器是否有 信號？ 右側(cè)傳感器直線行走是否直線行走 小車左轉(zhuǎn)彎小車右轉(zhuǎn)彎是是是否有 信號？ 左側(cè)傳感器否否 圖4-1 循跡探測程序

19、流程圖 4.2 直立運行程序流程圖圖4-2 直立運行程序流程圖 4.3 PWM調(diào)速程序流程圖圖4-3 PWM調(diào)速程序流程圖 系統(tǒng)測試方案與測試結(jié)果 5.1 測試儀器秒表、電池、軌道 5.2 測試方案分兩次將小車水平分別放置于F、A之間和C、D之間，翻開電源，開始計時，觀察小車行駛路線，記錄A、B點間加速區(qū)行駛時間，B、C點間減速區(qū)行駛時間及行駛一周的時間；分兩次將小車直立分別放置于F、A之間和C、D之間，翻開電源，開始計時，觀察小車行駛路線，記錄A、B點間加速區(qū)行駛時間，B、C點間減速區(qū)行駛時間及行駛一周的時間。 5.3 測試結(jié)果 小車水平行駛測試結(jié)果 位置能否成功運行一周加速區(qū)行駛時間減速區(qū)

20、行駛時間加速區(qū)與減速區(qū)行駛時間之比行駛一周的時間F、A之間能2s4s1:2 32秒C、D之間能2s5s2:5 34秒 小車直立行駛測試結(jié)果 位置能否成功運行一周加速區(qū)行駛時間減速區(qū)行駛時間加速區(qū)與減速區(qū)行駛時間之比行駛一周的時間F、A之間不能C、D之間不能 5.4 測試結(jié)果分析小車在三輪著地情況下進(jìn)行循跡測試時，能穩(wěn)定地在規(guī)定時間內(nèi)行駛完整個賽道，并且在加速區(qū)和減速區(qū)小車速度有明顯變化，所用時間之比大約為1:2。 6.參考文獻(xiàn)【1】?51單片機C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講?，于永等著，北京：電子工業(yè)出版社，2022.10【2】?全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽單片機應(yīng)用技能精解?，藍(lán)和慧等著，北

21、京：電子工業(yè)出版社，2022.4【3】?全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計?，黃智偉編著，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022.12【4】?全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽-制作實訓(xùn)?，黃智偉編著，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022.1【5】?模擬電子技術(shù)根底?，童詩白，華成英著，北京：高等教育出版社，2000.【6】?數(shù)字電子技術(shù)根底?，閻石著，北京：高等教育出版社，2022. 7.附錄附錄1：主要原器件清單 名稱型號MCUSTC12C5A60S2陀螺儀ENC-03MB加速度計MMA7361電機驅(qū)動芯片L298N循跡模塊BFD-1000芯片AS1117-3.3電阻102電容104光碼盤電機附錄2：局

22、部程序代碼#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/#include/#define uint unsigned int/#define uchar unsigned charuchar i=0,j=0,k,temp;sbit P10=P14;/循跡傳感器最左有測得信號 低電平有效sbit P11=P13;/循跡傳感器次左有測得信號sbit P12=P12;/循跡傳感器中有測得信號sbit P13=P11;/循跡傳感器次右有測得信號sbit P14=P10;/循跡傳感器最右有測得信號sbit P23=P20;/單片

23、機輸出到L298N控制電機左后退sbit P24=P21;/單片機輸出到L298N控制電機左前進(jìn)sbit P25=P22;/單片機輸出到L298N控制電機右后退sbit P26=P23;/單片機輸出到L298N控制電機右前進(jìn)void Delay (uint i) while (i-);void init() TMOD=0 x01; TH0=(65536-40000)/256;/1ms TL0=(65536-40000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1;void zuo()/左走 P25=1; P26=0; P23=1; P24=1; void you()/右走 P23=1; P24=0; P25=1; P26=1;void zhi()/直走 P23=1; P24=0; P25=1; P26=0;void ting()/停止 P23=1; P24=1; P25=1; P26=1;void main() init(); while(1) ;void time0() interrupt