基于KEA128的電磁感應(yīng)平衡車硬件電路

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)論文摘要兩輪自平衡車具有車體模型體積小、快速轉(zhuǎn)向、可在多種環(huán)境下工作等特點(diǎn)，對其的多項(xiàng)研究成果已在交通運(yùn)輸、工業(yè)自動化、生活娛樂等方面投入使用。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)高速發(fā)展的情況下，可自動駕駛的智能車能夠獨(dú)立對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行感知，并快速做出反應(yīng)，進(jìn)行加減速、轉(zhuǎn)向等操作，已經(jīng)成為了當(dāng)前自動控制領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點(diǎn)。教育部舉辦的“恩智浦”（原“飛思卡爾”）智能車大賽，是一項(xiàng)針對自動控制領(lǐng)域當(dāng)前研究熱點(diǎn)的競賽，為廣大本科生提供了一個能夠研究并應(yīng)用自動控制技術(shù)的平臺。本文以第十一屆“恩智浦”智能車大賽為背景，運(yùn)用S9KEAZ128AMLK單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種通過電磁感應(yīng)識別道路的兩輪自平衡車系統(tǒng)。本文首先建立了力學(xué)模型，對平衡車的控制原理進(jìn)行了分析。通過對系統(tǒng)的需求分析，對單片機(jī)型號進(jìn)行選型，并且對整體任務(wù)進(jìn)行分解，以模塊化的方式對各項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，完成系統(tǒng)的平衡控制、速度控制、方向控制以及道路識別等任務(wù)。最后,對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建并且將各模塊合理地安裝至車模上，完成了本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：兩輪自平衡車；S9KEAZ128AMLK單片機(jī)；力學(xué)模型；硬件電路設(shè)計(jì)

HardwareCircuitDesignofElectromagneticInductionBalanceCarSystemBasedonKEA128AbstractThetwo-wheeledself-balancingcarhasthecharacteristicsofsmallsize,faststeering,andcanworkinvariousenvironments.Manyofitsresearchresultshavebeenputintouseintransportation,automatedproductionandentertainment.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnologyandelectronictechnology,self-drivingsmartcarscanindependentlysensethecurrentenvironmentandquicklyrespondtoacceleration,deceleration,steeringandotheroperations,whichhasbecomearesearchhotspotinthefieldofautomaticcontrol.The“NXP”(formerly“Freescale”)SmartCarCompetitionheldbytheMinistryofEducationisacompetitionthatfocusesoncurrentresearchhotspotsinthefieldofautomaticcontrol.Itprovidesaplatformforundergraduatestostudyandapplyautomaticcontroltechnology.Basedontheeleventh"NXP"SmartCarCompetition,thispaperusestheS9KEAZ128AMLKmicrocontrollertodesignatwo-wheeledself-balancingcarsystemthatrecognizesroadsthroughelectromagneticinduction.Inthispaper,theforceanalysismodelisfirstestablishedtoanalyzethecontrolprincipleofthebalancecar.Throughtheanalysisofthedemandofthesystem,themodelofthesingle-chipmicrocontrollerisselected.Furthermore,theoveralltaskisdecomposed,andvariousfunctionsareimplementedinamodularmannertocompleteeachtaskfinally.Finally,themechanicalstructureisbuiltandthemodulesarereasonablyinstalledonthecarmodel,andthehardwarecircuitdesignandfunctionimplementationofthesystemarecompleted.Keywords:two-wheeledself-balancingvehicle;S9KEAZ128AMLKmicrocontroller;mechanicalmodel

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 緒論1.1引言隨著電子技術(shù)、人工智能、5G技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，機(jī)器人作為集成了這些技術(shù)的代表，越來越受到各國的重視。在一般的研究中，機(jī)器人一般分為可移動與不可移動兩類，而可移動的機(jī)器人由于其可移動性高與使用場合多成為領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?？梢苿訖C(jī)器人一般通過安裝車輪、履帶或結(jié)合仿生學(xué)安裝機(jī)械腿等方式進(jìn)行移動。其中，由于安裝車輪的輪式機(jī)器人有著生產(chǎn)成本低、容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用的應(yīng)用更為廣泛。在眾多類型的輪式機(jī)器人中，兩輪自平衡車具有車體模型體積小、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)動性高等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于狹小空間和對人類危險(xiǎn)的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行探測工作，有巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。兩輪自平衡車由于其只有兩個車輪，是一個高度不穩(wěn)定的系統(tǒng)，需要電機(jī)驅(qū)動兩個車輪，通過運(yùn)動保持平衡，因此雖然其結(jié)構(gòu)簡單但是系統(tǒng)特征十分復(fù)雜。通過對兩輪自平衡車的這種基于倒立擺系統(tǒng)模型研究，可以類推出其他種類機(jī)器人的控制方式，應(yīng)用到相關(guān)類型領(lǐng)域。因此，兩輪自平衡車是一種良好的自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，能夠?qū)刂扑惴?、控制理論進(jìn)行研究與檢驗(yàn)[1]。本文所研究的兩輪自平衡車在交通運(yùn)輸、工業(yè)自動化、生活娛樂中有著廣泛的應(yīng)用。在交通運(yùn)輸方面，體積小巧、轉(zhuǎn)彎靈活、價(jià)格適中的兩輪電動代步車滿足了大眾在短距離代步的需求，成為新一代的代步工具[2]；工業(yè)自動化方面則體現(xiàn)在物流運(yùn)輸上的應(yīng)用[3]；生活娛樂方面則是消費(fèi)者喜愛的玩具[4]。因此，對兩輪自平衡車的研究和學(xué)習(xí)不僅能夠培養(yǎng)綜合能力與實(shí)踐能力，還在社會生活等方面都具有重要研究意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)末開始，國外就有針對兩輪自平衡車的初步研究。1980年，日本的山藤高橋教授[5]在論文中闡述了自己關(guān)于兩輪自平衡車的理解，并且在毫無前人經(jīng)驗(yàn)的情況下，應(yīng)用有限的技術(shù)制作了一臺兩輪自平衡車。該平衡車僅能做前后運(yùn)動，無法針對道路情況進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等操作。2001年，美國Segway公司將其生產(chǎn)的“Segway”兩輪自平衡車推向市場，令平衡車進(jìn)入公眾視野[6]，如圖1.1所示?！癝egway”平衡車可以承受一個成年人的重量，并且其內(nèi)置了多個姿態(tài)傳感器，可令駕駛者通過身體重心的改變來控制雙輪車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、加速、減速等動作。圖1.1駕駛Segway圖2002年，瑞士的FelixGrasser的團(tuán)隊(duì)制作了一個基于陀螺儀感知自身傾斜狀態(tài)的平衡車“Joe”，如圖1.2所示。該平衡車的陀螺儀在傾斜角度變化時會產(chǎn)生不同的電壓，主控芯片通過讀取陀螺儀的電壓值，對當(dāng)前傾斜角度進(jìn)行計(jì)算，并且做出相應(yīng)的調(diào)整，控制車輪運(yùn)動保持平衡。圖1.2Joe平衡車在針對輪式機(jī)器人的研究過程中，有開發(fā)者考慮了將輪式機(jī)器人結(jié)合其他運(yùn)動方式進(jìn)行改進(jìn)。2017年，美國BostonDynamics公司參考了人形機(jī)器人的特點(diǎn)，將其與兩輪平衡車結(jié)合，制作了一個全新形態(tài)的自平衡機(jī)器人“Handle”，如圖1.3所示?！癏andle”不但擁有兩輪自平衡車轉(zhuǎn)向靈活的特點(diǎn)，還具有在人形機(jī)器人在特殊環(huán)境下工作的能力。

圖1.3Handle機(jī)器人目前，國內(nèi)也開展了針對兩輪平衡機(jī)器人的研究。同時，相關(guān)企業(yè)也逐漸開展兩輪平衡車的業(yè)務(wù)，將兩輪平衡車商業(yè)化，走進(jìn)人們的生活當(dāng)中。2003年，經(jīng)過多個院校的共同合作研究，制作了國內(nèi)第一個兩輪平衡機(jī)器人[7]。2009年，西安電子科技大學(xué)針對SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行研究，并以該單片機(jī)主控芯片，制作了一種新型兩輪自平衡機(jī)器人。該機(jī)器人安裝了可感知當(dāng)前傾斜角度的傳感器，在機(jī)器人有傾倒趨勢的時候，主控芯片讀取傳感器的數(shù)據(jù)，通過電機(jī)驅(qū)動車輪，在保持平衡的情況下運(yùn)動。2012年，納恩博電動平衡車公司主要致力于平衡車的商用化，將平衡車作為代步工具進(jìn)行出售，平衡車逐漸進(jìn)入公眾視野。2015年小米科技收購電動平衡車鼻祖Segway，推出了重量僅為12.8kg且行駛速度可達(dá)16.8km/h的小米九號平衡車。上述這些研究成果以及市場概況，有很多值得我們借鑒的地方，也提供了很多我們未來可以研究的方向。從以上的研究成果可以概括，在建立了合適的平衡模型的基礎(chǔ)上，通過各類傳感器如陀螺儀、加速度計(jì)、傾角傳感器等與高速的控制芯片合作，采用高效的控制算法進(jìn)行實(shí)時處理，可以根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整，以保持平衡。1.3本文主要研究內(nèi)容本文參考了大量國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料，將以兩輪自平衡車系統(tǒng)為研究平臺，重點(diǎn)研究系統(tǒng)的力學(xué)模型并結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)，通過實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡車的研究與制作。為更好地完成兩輪自平衡車的直立行走并自動識別道路任務(wù)，本文將采取模塊化的設(shè)計(jì)理念，將此任務(wù)分為多個模塊進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)。具體內(nèi)容如下：（1）根據(jù)兩輪自平衡車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和直立特性，建立并研究其平衡狀態(tài)下的力學(xué)模型。通過對力學(xué)模型的理論分析可以得出直立平衡的條件，并根據(jù)此條件提出自動控制方案。（2）為兩輪自平衡車選取適合的核心控制芯片，以達(dá)到高速處理各類信息的目的。同時研究不同型號的陀螺儀、加速度計(jì)、工字電感等傳感器，為系統(tǒng)提供實(shí)時的平衡車傾角、角速度、方向等具體數(shù)據(jù)，實(shí)時調(diào)整自身姿態(tài)與方向。（3）研究主控電路的設(shè)計(jì)，搭建電源管理電路、電機(jī)驅(qū)動電路、電磁感應(yīng)分析電路等，配合各類傳感器與電子元器件，完成整個電路框架的搭建。（4）為使系統(tǒng)模型更加穩(wěn)定，需要研究機(jī)械結(jié)構(gòu)，將電機(jī)、編碼器、電磁感應(yīng)支架等安裝至合適位置，盡可能降低重心來讓車輛運(yùn)行時更加平穩(wěn)。（5）配合控制算法，搭建完整可運(yùn)行的兩輪自平衡車系統(tǒng)，可沿鋪有交流電線的到路循跡穩(wěn)定行駛。1.4本章小結(jié)本章首先闡述了兩輪自平衡車的研究背景，提出了兩輪自平衡車的重要研究意義，并綜合國內(nèi)外對于兩輪自平衡車的研究狀況進(jìn)行了討論，體現(xiàn)了本文研究方向的正確性。最后，對本文的主要研究內(nèi)容進(jìn)行了概括性闡述。2系統(tǒng)原理介紹與模型分析2.1直立控制原理兩輪直立平衡車的直立控制是通過負(fù)反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，所謂負(fù)反饋機(jī)制，就是通過安裝在車模上的傾角傳感器采集傾斜角度與傾斜趨勢（加速度），通過控制電機(jī)控制輪子轉(zhuǎn)動，抵消傾斜的趨勢便可以令車身保持平衡，如圖2.1所示。圖2.1運(yùn)動平衡示意圖為了更好地說明兩輪自平衡車的模型與其控制方式，本文將建立兩輪自平衡車的力學(xué)模型，從理論上說明平衡車的控制方式。首先對平衡車的平衡方式進(jìn)行觀察，其經(jīng)過簡化后的模型類似于底部可以運(yùn)動的倒立擺模型，而直接研究倒立擺模型不便于理解，因此本文將其與單擺模型進(jìn)行類比研究，如圖2.2所示。圖2.2單擺模型與車模簡化的倒立擺模型首先建立單擺模型，假設(shè)一重物與上放一個固定點(diǎn)通過一根線連接，對其進(jìn)行受力分析，如圖2.3所示。圖2.3單擺模型受力分析該重物在平衡狀態(tài)下會保持在中垂線的位置，當(dāng)重物離開中垂線位置即脫離平衡狀態(tài)后，會受到重力與線的拉力的合力，其大小為 （式2.1）在合力的作用下，重物會在空氣中做往復(fù)運(yùn)動，最終會由于空氣阻尼力而恢復(fù)到初始中垂線的平衡位置。這個過程的持續(xù)時間會隨著偏移角的增大而增大，同時會隨著空氣阻尼力的增大而減小。因此可以得出結(jié)論，重物能在穩(wěn)定在平衡點(diǎn)是由于受到了與偏移角方向相反的合力、受到了與運(yùn)動方向相反的空氣阻尼力。對比倒立擺模型，進(jìn)行受力分析，如圖2.4所示。圖2.4倒立擺模型受力分析倒立擺在偏離中垂線位置時，并不能像單擺一樣自然回到中垂線，因?yàn)楫?dāng)?shù)沽[偏離中垂線后會受到的合力與運(yùn)動方向相同，因此不會令倒立擺回到中垂線位置，最終令倒立擺倒下。為了讓倒立擺能夠像單擺模型一樣重新回到中垂線位置，需要給倒立擺一個額外的力，該力需要與運(yùn)動方向相反，幫助倒立擺回到中垂線位置。倒立擺的驅(qū)動電機(jī)控制的車輪提供了所需要的全部動力，為了令倒立擺受到額外的力，需要令車輪作加速運(yùn)動，此時整個倒立擺受到的合力為： （式2.2）式中，由于很小，可以對其進(jìn)行線性化處理。假設(shè)負(fù)反饋控制是車輪加速度與偏角成正比，比例為。設(shè)重力加速度為，如果則合力的方向就與倒立擺的運(yùn)動方向相反，此時倒立擺就有能力恢復(fù)到平衡位置。但是，本文的兩輪直立平衡出需要應(yīng)對各種不同的環(huán)境，需要快速做出響應(yīng)。因此，需要令倒立擺恢復(fù)平衡的速度更快，就需要增大阻尼力。上文論述的阻尼力主要是指空氣中存在的空氣摩擦力，但是空氣摩擦力在現(xiàn)實(shí)中是一種幾乎可以忽略不計(jì)的力，因此需要另外增加控制阻尼力，此時式2.2可變?yōu)? （式2.3）式中，為傾角，為角速度，后兩項(xiàng)即為保持平衡所需要的加速度，如式2.4所示 （式2.4）式中，、為比例系數(shù)，兩項(xiàng)相加后作為車輪加速度的控制量。只要滿足、的條件，車模便可以像單擺一樣穩(wěn)定在直立狀態(tài)，并且適當(dāng)增加可以讓車?；謴?fù)平衡的速度更快。經(jīng)過上述分析可知，令車模保持穩(wěn)定平衡的條件為獲得車模傾角與角速度的精確數(shù)據(jù)以及控制車模底部車輪的加速度。2.2速度控制原理相對于四輪的速度控制，兩輪直立平衡車的速度控制則更為復(fù)雜。這是因?yàn)檐囕喴ㄟ^加速來保證車模的平衡，同時還需要在運(yùn)動過程中控制車模的行駛速度，因此對驅(qū)動電機(jī)的控制需要更好的策略。在上文的直立控制原理中可知，車模在沒有外力的情況下會向一側(cè)傾倒，并且因?yàn)橹亓Φ拇嬖跁铀賰A倒。因此，即使一輛沒有動力的平衡車，在一開始前傾的情況下，也會向前運(yùn)動，直到車模倒地。此時，車模上安裝的采集傾角的傳感器便起到了重要的作用。當(dāng)傳感器感知到車模有前傾趨勢時，將車模保持一定的前傾角度，車模就會以一定的速度向前行駛，倒退則同理。因此，控制速度只要通過控制車模的傾角就可以實(shí)現(xiàn)。為了控制車模的傾角并且維持所需要的角度，需要對車模的動力進(jìn)行研究。驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的電機(jī)是車模的唯一動力來源，然而電機(jī)并不能返回具體的速度參數(shù)。因此，可以通過在電機(jī)上安裝光電編碼器的方式，通過脈沖信號計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。2.3道路識別原理本文的系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境是一總長約20米的PVC材質(zhì)跑道，道路元素包括直道、彎道、十字路口、環(huán)島路段等。道路中央鋪設(shè)有一根通有交變電流的漆包線，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產(chǎn)生突變的電磁場。在電磁場中放置一個電感線圈，電磁感應(yīng)會使線圈內(nèi)產(chǎn)生交變的電流，由畢奧-薩伐定理可知，單個電感感應(yīng)電動勢為 （式2.5）式中，為比例系數(shù)，為電感高度，為電感距離中心線的水平距離。因此，兩輪直立平衡車的道路識別將通過在車模前端安裝多個電磁感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)，本文將在車模前端水平安裝電感，當(dāng)車模偏離道路中心時，檢測到的感應(yīng)電動勢會隨之減小，從而可以計(jì)算出車模與道路中心線的偏離距離，同時做出響應(yīng)的調(diào)整，圖2.5說明了這種情況。圖2.5電感線圈的偏移影響感應(yīng)電動勢2.4方向控制原理由道路識別原理可知，兩輪直立平衡車可通過電磁感應(yīng)識別當(dāng)前道路是直道或者彎道。當(dāng)遇到彎道時，車模便需要通過方向控制來沿彎道行駛，避免駛出道路。車模的轉(zhuǎn)向需要兩個車輪的當(dāng)前轉(zhuǎn)速差，該轉(zhuǎn)速差可通過安裝在驅(qū)動電機(jī)上的編碼器獲得，通過測得的電機(jī)轉(zhuǎn)速可計(jì)算出兩個車輪的轉(zhuǎn)速差。同時，車模前進(jìn)行的方向由道路識別模塊提供響應(yīng)的電磁感應(yīng)電壓，車模通過電磁感應(yīng)電壓控制電機(jī)，調(diào)整當(dāng)前兩車輪的轉(zhuǎn)速差，以此實(shí)現(xiàn)車模的轉(zhuǎn)向。在某些特殊路段如十字路口和環(huán)島路口，會出現(xiàn)兩根通有交流電的漆包線交叉重疊的情況，此時需要在程序中做特殊處理，比如十字路口有垂直橫跨當(dāng)前道路的漆包線，此時可以左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，則判定為十字路口，向前直行。在實(shí)際的系統(tǒng)中，車模會安裝諸如電池、支架、電路板等比較重的物體，在道路上運(yùn)行的過程中會因?yàn)樽陨碇亓窟^大而有較大的慣性，在高速行駛并轉(zhuǎn)彎的過程中很容易因?yàn)檩^大的慣性而沖出道路。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，首先需要降低車模的重心，同時需要檢測車模的轉(zhuǎn)動速度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)的彎過大時，降低車模的速度，以保持車模的穩(wěn)定。2.5本章小結(jié)本章應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)理念，將復(fù)雜的兩輪直立平衡車直立行走任務(wù)分解成較易實(shí)現(xiàn)的模塊進(jìn)行研究，并且對各個模塊的原理進(jìn)行的分析。同時，還對各模塊的實(shí)現(xiàn)制定了大致方案，為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)是兩輪直立平衡控制系統(tǒng)最主要的部分，一個穩(wěn)定、高效的硬件電路，是實(shí)現(xiàn)控制策略、控制算法的基礎(chǔ)。本文將采用恩智浦NXP公司生產(chǎn)的KinetisKEA128系列的S9KEAZ128AMLK單片機(jī)，基于該單片機(jī)對系統(tǒng)的各個電路模塊進(jìn)行逐步設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出完整的硬件電路。兩輪自平衡車的硬件部分將由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、速度檢測模塊、傾角測定模塊、電磁感應(yīng)模塊、藍(lán)牙通訊模塊以及其他硬件設(shè)備組成?？刂葡到y(tǒng)將通過單片機(jī)來控制上述的各個模塊，令整個系統(tǒng)能夠高效運(yùn)行。整體系統(tǒng)框架圖如圖3.1所示，系統(tǒng)程序流程圖如圖3.2所示。圖3.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖3.2程序流程圖3.2單片機(jī)介紹S9KEAZ128AMLK是32位單片機(jī)，在儲存器方面包括128KB的Flash儲存器與16KB的SRAM；模數(shù)轉(zhuǎn)換方面包括1個16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；電機(jī)驅(qū)動方面具有1個9通道PWM模塊，這些模塊組成了該單片機(jī)的主要功能模塊。單片機(jī)芯片能夠?qū)PU、RAM、ROM和I/O等資源整合起來，但是需要外部電路的支持，才能保證單片機(jī)充分發(fā)揮其性能，因此，就需要單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)是能夠通過串口等與人進(jìn)行通信，包括下載程序、發(fā)送命令等。搭建好單片機(jī)最小系統(tǒng)后，就可以進(jìn)行單片機(jī)硬件系統(tǒng)的調(diào)試。本文所用的S9KEAZ128AMLK芯片的最小系統(tǒng)需要有以下幾部分組成：（1）電源電路。根據(jù)芯片手冊的介紹，該單片機(jī)的供電電壓一般是3.3V。由于本文采用7.2V的電池供電，因此需要設(shè)計(jì)電源電路降7.2V電壓降至3.3V，如圖3.3所示，令單片機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。圖3.3電源電路圖（2）復(fù)位電路?？紤]到自平衡車系統(tǒng)較為復(fù)雜，程序可能會陷入某種異常狀態(tài)，因此需要復(fù)位電路讓單片機(jī)重新啟動。復(fù)位電路主要包括復(fù)位按鍵與上拉電阻。當(dāng)單片機(jī)正常工作時，VD0口通過上拉電阻與電源正極連接；當(dāng)單片機(jī)需要復(fù)位時，按下復(fù)位鍵，此時VD0接地，單片機(jī)復(fù)位，電路如圖3.4所示。圖3.4復(fù)位電路圖（3）時鐘電路。根據(jù)芯片手冊介紹，雖然S9KEAZ128AMLK單片機(jī)有31.25至39.0625kHz的內(nèi)部振蕩器作為時鐘，但是其穩(wěn)定性比較差，因此需要以石英晶體震蕩器作為外部時鐘電路，以保證其穩(wěn)定性。根據(jù)上述最小系統(tǒng)各部分的電路需求，本文綜合考慮了單片機(jī)容易損壞不易更換等問題，選用了山外的最小系統(tǒng)核心板，如圖3.5所示，該核心板包括上述所有電路，基本滿足了兩輪直立平衡車系統(tǒng)的需要。同時，該核心板引出72個IO口作為直插引腳，可通過直插的方式接入外部控制電路，方便在單片機(jī)損壞時進(jìn)行快速更換。圖3.5最小系統(tǒng)板3.3電源管理模塊在兩輪自平衡車系統(tǒng)中，無論是單片機(jī)工作還是電機(jī)驅(qū)動都需要電源。本文基于價(jià)格、能耗等方面的考慮，選擇了鎳鉻電池，如圖3.6所示。該電池可提供7.2V電壓，2000mAh的電池容量，在實(shí)際應(yīng)用中能夠很好地滿足各模塊的供電需求。圖3.6鎳鎘電池考慮到各模塊對電壓的需要以及穩(wěn)定性，兩輪自平衡車系統(tǒng)需要電源管理模塊來對電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，電機(jī)驅(qū)動模塊需要7.2V電壓；單片機(jī)最小系統(tǒng)、電磁感應(yīng)模塊需要5V電壓；傾角測定模塊與藍(lán)牙通訊模塊需要3.3V電壓。同時，由于本文的傾角測定模塊是通過采集AD值來計(jì)算加速度，需要電壓保持穩(wěn)定，因此本文采用AMS1117作為穩(wěn)壓芯片，如圖3.7所示。圖3.7AMS1117穩(wěn)壓芯片本文采用固定輸出電壓為3.3V與5V的AMS1117芯片，為傾角測定模塊中的傳感器提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓、為單片機(jī)最小系統(tǒng)、電磁感應(yīng)模塊提供穩(wěn)定的5V供電電壓。本文在穩(wěn)壓電路中采用0.1μF與10μF的電容，確保AM1117的穩(wěn)定性，電路圖如3.8所示。圖3.8電源管理電路3.4電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)的選型是兩輪自平衡車很重要的一部分，首先兩輪自平衡車的電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動、穩(wěn)定運(yùn)行，同時由于自平衡車還會搭載電路板、電磁感應(yīng)支架等重物，因此還需要有一定的荷載作用，要能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)帶負(fù)載運(yùn)動。因此，本文選取直流減速電機(jī)作為自平衡車的驅(qū)動電機(jī)，如圖3.9所示。直流減速電機(jī)有易控制、調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)自平衡車的功能。圖3.9直流減速電機(jī)在驅(qū)動電機(jī)方面，本文采用脈寬調(diào)制控制方式對電機(jī)進(jìn)行控制。由于平衡車具有兩個驅(qū)動電機(jī)，因此需要兩組電機(jī)驅(qū)動橋電路，本文采用4片IR2104S搭建成雙H橋電路來驅(qū)動電機(jī)。IR2104S是高壓、高速功率型場效應(yīng)管和絕緣柵雙極型晶體管的帶高、低端參考輸出通道的驅(qū)動器件[8]，具有減速性能好、穩(wěn)定性高、效率高等特點(diǎn)。應(yīng)用電路圖如圖3.10所示。圖3.10電機(jī)驅(qū)動電路3.5速度檢測模塊兩輪直立平衡車的速度檢測是系統(tǒng)閉環(huán)控制中很重的一環(huán)，該閉環(huán)的反饋量是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制性能的良好發(fā)揮也取決于轉(zhuǎn)速測量的精準(zhǔn)性。常用的測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式主要是測頻法、測周期法和測頻率/周期法。其中測頻法是通過在單位時間內(nèi)光電碼盤的輸出脈沖數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，適用于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合；測周期法則是先測量光電碼盤產(chǎn)生的脈沖周期，再通過脈沖周期計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速；測周期/頻率法是同時測量時間與在此時間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的數(shù)目，以此計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速[9]。由于兩輪直立平衡車需要應(yīng)對多種復(fù)雜的道路，需要同時兼顧低速與高速的測量精度，因此本文選用256線正交解碼編碼器，如圖3.11所示。圖3.11光電編碼器3.6傾角測定模塊由2.1節(jié)直立控制原理與2.2節(jié)速度控制原理可知，車模的傾角是控制車模平衡與行駛速度的重要部分。當(dāng)車模需要向前行駛時，單片機(jī)控制車模前傾，傾角測定模塊采集當(dāng)前傾斜角度，通過電機(jī)驅(qū)動維持當(dāng)前傾角，實(shí)現(xiàn)車模的穩(wěn)定運(yùn)行。常見的傾角測定模塊由陀螺儀與加速度計(jì)組成，這是由于陀螺儀在使用的過程中，隨著使用時間增加，會有溫度漂移的現(xiàn)象。此時對陀螺儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算不能得到準(zhǔn)確的角度，也就無法準(zhǔn)確控制車模的角度，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此需要陀螺儀與加速度計(jì)配合使用。市面上常見的陀螺儀是ENC-03系列，ENC-03系列又分MA、MB、RC三種。MA與MB的封裝與參數(shù)一樣，RC則封裝較小。本文將ENC-03MB與ENC-03RC作為靜態(tài)測試，AMS1117-3.3V供電，環(huán)境溫度19度，測試長期加電的輸出漂移，測試點(diǎn)為運(yùn)放輸出，為10位AD所采集的原始數(shù)據(jù)。如表3.1所示。表3.1ENC-03MB、ENC03RC對比測試型號時間10s時間1min時間10min時間1hENC-03MB0x1f40x1f20x1f10x1f2ENC-03RC0x2a30x2ac0x2b50x2b2由上表得出結(jié)論，RC的效果不如MB，因此本文選擇ENC-03MB作為陀螺儀，加速度計(jì)則選用常見的MMA7361?？紤]到便于更換傾角測定模塊與焊接技術(shù)的限制，本文采購了一款集成ENC-03MB陀螺儀與MMA7361的加速度計(jì)模塊，如圖3.11所示，可采用直插的或連接杜邦線等方式接入主控電路板。圖3.12傾角測定模塊3.7電磁感應(yīng)模塊道路中心線的電磁線檢測是保證車模運(yùn)行在道路上。常用的基于三極管的電磁信號放大檢波電路如圖3.13所示。該電路采用三極管對檢測的電磁信號進(jìn)行放大，后級采用倍壓整流電路進(jìn)行檢波，可以得到左右兩個感應(yīng)線圈所檢測到的磁場的強(qiáng)度。圖3.13基于三極管的電磁信號放大檢波電路雖然該電路簡單實(shí)用，但是為了進(jìn)一步提高檢波的靈敏度，可以再增加一級三極管放大電路。但是組成的分立元件的放大檢波電路存在工作點(diǎn)電壓調(diào)整復(fù)雜、電路的放大倍數(shù)依賴于三極管的電流放大倍數(shù)和基極導(dǎo)通阻抗等缺點(diǎn)，因此本文采用基于INA128運(yùn)算放大器的放大檢波電路，如圖3.14所示。圖3.14INA128運(yùn)放電路INA128是低功耗、高精度的通用放大器，具有內(nèi)部噪聲小、可低電壓運(yùn)行的特點(diǎn)。INA128經(jīng)過激光矯正，具有非常低的偏置電壓、溫度漂移，雖然可以對電路進(jìn)行外部補(bǔ)償，但是在多數(shù)情況下都無需進(jìn)行調(diào)整，是較為理想的選擇。3.8藍(lán)牙通訊模塊由于車模在調(diào)試過程中需要經(jīng)常讀取傾角測定模塊測得的傾角與傾角加速度等信息，因此需要藍(lán)牙通訊模塊將車模與PC機(jī)連接，實(shí)時讀取信息。本文使用常見的HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊，如圖3.15所示。圖3.15藍(lán)牙模塊該模塊為主從一體，可將PC機(jī)設(shè)為主機(jī)，車模的單片機(jī)設(shè)為從機(jī)，在配對成功后可以作為全雙工串口使用，無需了解任何藍(lán)牙協(xié)議。3.9本章小結(jié)本章首先對主控電路的核心——單片機(jī)S9KEAZ128AMLK進(jìn)行介紹，并根據(jù)實(shí)際需求，對各硬件模塊的芯片選型、電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。其中，電源管理模塊將電池所提供的7.2V電壓降壓至5V與3.3V，為系統(tǒng)中其他模塊對電壓的不同需求提供了穩(wěn)定的電源支持。電磁感應(yīng)模塊則采集單片機(jī)判斷自平衡車的行進(jìn)方向所需要的信號，單片機(jī)對信號進(jìn)行判斷后進(jìn)行方向與速度的調(diào)整。此時需要電機(jī)驅(qū)動模塊、速度檢測模塊與傾角測定模塊相互配合，保證自平衡車沿著道路中心線以穩(wěn)定的速度運(yùn)行。最后系統(tǒng)可以通過藍(lán)牙通訊模塊將運(yùn)行時的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行分析。4系統(tǒng)的安裝與調(diào)試4.1兩輪直立平衡車車體模型介紹兩輪直立自平衡車各系統(tǒng)的控制都是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)整個平衡車系統(tǒng)之前需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)有一個大體的框架，然后根據(jù)各模塊的工作原理，針對具體情況來對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并在實(shí)際的調(diào)試運(yùn)行過程中不斷地進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化和提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文選用的是智能車競賽專用模型，該車模配套直流減速電機(jī)RS-540，車模外形如圖4.1所示。圖4.1車模外形該車模具有材質(zhì)輕、不易變形、輪距寬等特點(diǎn)，令車模不易受自身重量的影響，在加裝電路板、電池、支架等結(jié)構(gòu)后能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。4.2編碼器的安裝與調(diào)試由3.6節(jié)速度檢測模塊的介紹中可知，編碼器是控制系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)。本文將采用256線正交解碼編碼器安裝至驅(qū)動電機(jī)帶動的齒輪上，以此測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了更好地固定編碼器，以防發(fā)生滑齒等造成轉(zhuǎn)測測量不準(zhǔn)等問題，本文使用亞克力板定制了固定支架，與銅柱配合安裝至主齒輪上，安裝效果如圖4.2所示。圖4.2編碼器的安裝效果圖編碼器通過齒輪與驅(qū)動電機(jī)連接，需要控制好咬合力度，如果咬合力度過大，會阻礙電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時會對齒輪造成損傷；如果咬合力度過小，則容易造成滑齒等問題。4.3電路與電池的安裝本文使用AltiumDesigner15進(jìn)行電路的繪制，同時，考慮到系統(tǒng)需要的功能較為復(fù)雜，因此本文將系統(tǒng)電路分為主控電路與電磁感應(yīng)電路，避免電路板過大無法安裝，詳細(xì)電路原理圖與PCB圖可見附件2~7。將繪制好的電路版發(fā)至工廠加工，選購電子元器件焊接完成，如圖4.3、4.4所示。圖4.3主控電路實(shí)物圖圖4.4電磁感應(yīng)電路實(shí)物圖電路板均根據(jù)車體模型進(jìn)行打孔設(shè)計(jì)，便于通過螺絲固定在車模上。安裝效果如圖4.5所示.圖4.5電路安裝效果圖同時，電池作為整個系統(tǒng)的動力來源，具有體積大、質(zhì)量重的特點(diǎn)。因此，為了保證車模的穩(wěn)定性，需要令車模的重心降低，電池需要安裝至靠近底盤的位置。本文選購了電池支架，通過綁帶的方式將電池固定至車模底部以降低重心，如圖4.6所示。圖4.6電池安裝效果圖4.4前瞻電感的安裝由上述電磁感應(yīng)原理可知，平衡車通過電感識別與道路中心線的偏離情況。本文采用10mH的工字形電感，連接加長的杜邦線至電磁感應(yīng)電路，如圖4.7所示。圖4.7工字型電感與延長線同時，為了令車模能夠提前感知道路狀況，以做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎、直行等動作，因此需要在車模前方安裝支架，并把電感安裝至支架下方。碳纖管具有硬度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，因此本文選取了不同粗細(xì)的碳纖管作為支架，如圖4.8所示，在保證穩(wěn)定性的同時盡可能減少車模的負(fù)重。圖4.8電磁感應(yīng)支架組裝好電磁感應(yīng)支架后，使用綁帶與熱熔膠將工字型電感安裝至支架前方，再將支架安裝至車模上，并且盡可能將重心放低，以便更好進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。最終安裝效果如圖4.9所示。圖4.9最終安裝效果圖4.5系統(tǒng)的調(diào)試及參數(shù)整定兩輪自平衡車系統(tǒng)的各個模塊安裝完畢后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以確保能夠完成后續(xù)的功能實(shí)現(xiàn)。調(diào)試分為兩個階段，分別是硬件調(diào)試與運(yùn)動調(diào)試。在硬件調(diào)試過程中，主要是將電池接入電路供電，測量各穩(wěn)壓電路是否穩(wěn)定輸出目標(biāo)電壓，并且啟動單片機(jī)查看是否能夠進(jìn)入工作狀態(tài)。在確定單片機(jī)處于工作狀態(tài)后，編寫測試軟件，對系統(tǒng)的PWM輸出、編碼器采樣、傳感器采樣進(jìn)行測試。由于本文參考了大量兩輪自平衡車的設(shè)計(jì)，并且在機(jī)械的安裝設(shè)計(jì)中考慮周全，因此沒有出現(xiàn)較大的問題。最主要的問題出現(xiàn)傾角測定模塊的調(diào)試過程中。本文的傾角測定模塊包括陀螺儀ENC-03MB與加速度計(jì)MMA7361，為了更好地令傾角測定模塊采集到車模當(dāng)前傾斜狀態(tài)，將模塊豎直安裝在車模底部，此時模塊測量的Z軸與實(shí)際的Z軸保持一直，能夠更好地進(jìn)行測量。但是，在實(shí)際調(diào)試過程中常常出現(xiàn)參數(shù)調(diào)整效果與預(yù)期不符等問題。這是由于理論值與實(shí)際值有誤差，模塊的安裝位置與環(huán)境也影響實(shí)際測量值的取值，因此本文使用虛擬示波器對傾角測定模塊的安裝位置與程序內(nèi)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本文通過比較Z軸計(jì)算的角度趨勢和最終的融合角度趨勢，對程序內(nèi)設(shè)定的陀螺儀比例值Gyro_ratio進(jìn)行調(diào)整。這是由于一開始Z軸計(jì)算的角度噪聲很大，干擾性很強(qiáng)，需要陀螺儀計(jì)算融合角度，當(dāng)融合角度曲線能快速跟蹤Z軸計(jì)算的角度曲線時，則能夠排除環(huán)境造成的干擾，解決之前出現(xiàn)的參數(shù)調(diào)整效果與預(yù)期不符等問題，同時不至于超調(diào)。平衡車系統(tǒng)通過藍(lán)牙通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)，通過虛擬示波器顯示，如圖4.10所示。圖4.10角度跟蹤曲線圖此時Gyro_ratio為理論值0.2，藍(lán)色線為Z軸計(jì)算的角度，紫色線為最終融合的角度。由圖可以看出，此時Gyro_ratio過小，最終融合角度曲線跟蹤不上Z軸曲線。將參數(shù)逐漸增大，最終融合角度曲線則可以逐漸較好地跟蹤Z軸曲線，但是如果參數(shù)調(diào)整得過大，則會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，如圖4.11所示。圖4.11角度跟蹤超調(diào)圖此時需要將參數(shù)適當(dāng)減小，同時調(diào)整模塊在車模底部的安裝位置，最終可使最終融合曲線可快速跟蹤Z軸曲線，如圖4.12所示。圖4.12角度良好跟蹤曲線圖完成參數(shù)整定后，配合控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際道路調(diào)試。本文的調(diào)試環(huán)境如圖4.13所示，道路采用PVC材料，道路中央設(shè)有一根通有100mA的20kHz交變電流的漆包線，車模可通過電磁感應(yīng)模塊識別道路。圖4.13調(diào)試場地圖經(jīng)過車模硬件的制作并搭配控制算法進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，車模可保持直立平衡，并且可穩(wěn)定地沿道路行駛，在行駛過程中可將運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行分析，達(dá)到本文的設(shè)計(jì)要求。4.6本章小結(jié)本章主要介紹了兩輪直立平衡車的機(jī)械與電路的安裝。首先對車模進(jìn)行介紹，基于車模進(jìn)行材料的選購以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。然后基于實(shí)際情況對各模塊所需的硬件設(shè)備進(jìn)行安裝，最終組成完成的兩輪直立平衡車系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。同時，本文在完成系統(tǒng)搭建后對系統(tǒng)進(jìn)行各模塊調(diào)試，對調(diào)試過程中出現(xiàn)的最大問題即傾角測定模塊的傳感器參數(shù)整定問題進(jìn)行了深入研究，最終完成了參數(shù)的整定，令車模最終可穩(wěn)定在道路上運(yùn)行。5結(jié)論與展望5.1結(jié)論2018年我國舉辦了第十一屆“恩智浦”智能汽車競賽，該競賽為廣大本科生提供了一個能夠研究并應(yīng)用自動控制技術(shù)的平臺，能夠在學(xué)習(xí)與應(yīng)用中了解自動控制領(lǐng)域的熱門技術(shù)。本文“基于KEA128的電磁感應(yīng)平衡車系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)”便是在這個背景下，結(jié)合競賽的要求與實(shí)際情況，完成了兩輪直立自平衡車的設(shè)計(jì)與制作。兩輪直立平衡車較傳統(tǒng)四輪車更為靈活、應(yīng)用更為廣泛，具有重大的研究意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，兩輪直立平衡車將會得到更多的重視，針對其的研究會更加深入，應(yīng)用也會更加廣泛。本文以兩輪直立平衡車為研究對象，通過對其倒立擺力學(xué)模型進(jìn)行研究，進(jìn)而深入到其自動控制技術(shù)的研究、硬件系統(tǒng)的分析、傳感器的選型與機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建。本文主要做了以下幾個方面的工作：（1）介紹了研究背景與研究意義，闡述了本文研究內(nèi)容的前沿性與實(shí)用性。（2）完成了兩輪直立平衡車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)原理的概述、硬件電路的設(shè)計(jì)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建。（2）對各控制原理中的力學(xué)模型進(jìn)行了深入的分析，主要包括直立控制原理、速度控制原理、方向控制原理和道路識別原理，并以此做出了相應(yīng)的自動控制方案與硬件電路設(shè)計(jì)，令硬件電路設(shè)計(jì)有了理論的支撐。（3）本文針對系統(tǒng)的各項(xiàng)需求設(shè)計(jì)了硬件電路，并對電路中的元器件進(jìn)行了深入的分析，選取最適合的元器件型號，以讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。（4）本文以北京科宇通博科技有限公司生產(chǎn)的智能車模型為基礎(chǔ)，從零開始搭建平衡車系統(tǒng)。對系統(tǒng)的各項(xiàng)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的分析，以盡可能讓車體模型更加輕便、結(jié)構(gòu)更加牢固，最終搭建出了完整的兩輪直立平衡車系統(tǒng)的硬件部分。5.2展望本文完成了基于S9KEAZ128AMLK單片機(jī)的兩輪直立平衡車系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，制作了可獨(dú)立運(yùn)行于跑道的平衡車，但是由于條件的限制與個人能力的不足，本文仍有不足之處可以加以改進(jìn)：（1）硬件電路方面。由于個人電路知識有限，僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)基本功能，對能耗方面仍知之甚少，因此本系統(tǒng)在使用一塊滿電量的電池的情況下僅能繞20米的道路運(yùn)行3至五次。未來需要對電路進(jìn)行優(yōu)化，以增加本系統(tǒng)的續(xù)航能力。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)方面。車模在高速運(yùn)行的情況下會出現(xiàn)輕微的抖動現(xiàn)象，對車模的整體性能有一定的影響。未來需要對重心的分布有更深入的分析，讓重心分布得更加均勻，以消除抖動對車模造成的影響。（3）本系統(tǒng)在應(yīng)對突發(fā)狀況時未有進(jìn)行深入分析，如車模因受外力而倒地的情況，目前是通過人力的方式將車模重新立起。未來在設(shè)計(jì)平衡車的自主性能方面，需要加大研究力度。

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致謝在論文完成之際，首先要感謝我的導(dǎo)師姚遠(yuǎn)老師，這篇論文是在他的悉心指導(dǎo)下完成的。大學(xué)本科四年中，姚遠(yuǎn)老師與我是亦師亦友的關(guān)系，老師淵博的學(xué)識與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度使我受益良多。在論文選題方面，老師給予我自主選題的權(quán)利，讓我能將本題目作為我的畢業(yè)論文。在學(xué)習(xí)方面，老師常常督促我努力學(xué)習(xí)、積極上進(jìn)。在生活方面，老師時常關(guān)注我未來的計(jì)劃，讓我目光放得更加長遠(yuǎn)。在此，謹(jǐn)對老師的辛勤培養(yǎng)和關(guān)心致以我最真摯的謝意。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心和幫助過我的人們。

附錄附件1：攻讀本科學(xué)位期間發(fā)表的論文和專利[1]馮勁,黃海潤,一種無線超聲波變送器[P].中國專利:ZL201720771508.0,2017-12-26[2]YuanYao,JinFeng.ClusteringAnalysisofFusionSimilarityCalculationandImprovedGeneticAlgorithm[C].ElectricalEngineeringandComputerScience(EECS).UnitedStates,2019.32-38.[3]馮勁,姚遠(yuǎn).融合相似度計(jì)算與改進(jìn)遺傳算法的聚類分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2020[4]吳天亮,薛竣文,馮勁,鄧凱文,溫子穎,蘇秉華.基于LabVIEW的激光自動報(bào)靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù),2019,17(03):34-39.

附件2：主控電路原理圖

附件3：主控電路PCB圖附件4：主控電路實(shí)物圖

附件5：電磁感應(yīng)電路原理圖

附件6：電磁感應(yīng)電路PCB圖

附件7：電磁感應(yīng)電路實(shí)物圖

電腦無法識別U盤該怎么辦HYPERLINK電腦無法識別U盤怎么辦?打開我的電腦上單擊右鍵，在快捷菜單里，選擇“管理”，打開“計(jì)算機(jī)管理”窗口。在計(jì)算機(jī)管理窗口里，選擇“存儲”下面的“磁盤管理”，如果看得到?jīng)]有盤符的U盤，那么在這個U盤上按鼠標(biāo)右鍵，選擇“更改驅(qū)動器名稱和路徑”選項(xiàng)，就打開了“更改……的驅(qū)動器號和路徑”對話框。再點(diǎn)擊“更改”按鈕，打開“更改驅(qū)動器號和路徑”的對話框，在“指定以下驅(qū)動器號”的右邊下拉列表里，選擇你希望分配給U盤的驅(qū)動器號，盡可能靠后選擇，比如X、Y、Z，選擇好后，單擊確定按鈕，回到上一次“更改……的驅(qū)動器號和路徑”對話框窗口，再一次單擊確定，就回到“計(jì)算機(jī)管理”窗口。至此，如果一切正常，就給U盤單獨(dú)設(shè)置了一個長久使用的驅(qū)動器號，并卻，不受虛擬驅(qū)動器的影響了。建議將U盤插到電腦上，看任務(wù)欄中是否顯示圖標(biāo)，如果顯示，在我的電腦點(diǎn)右鍵查看屬性——高級——硬件——設(shè)備管理器——查看里面是否有問號的設(shè)備，在問號設(shè)備上點(diǎn)右鍵——更新驅(qū)動程序然后下一步——否暫時不連接到網(wǎng)絡(luò)——下一步自動安裝軟件（推薦）就可以了另外：系統(tǒng)不認(rèn)U盤的幾種處理方法1.禁用主板usb設(shè)備。管理員在CMOS設(shè)置里將USB設(shè)備禁用，并且設(shè)置BIOS密碼，這樣U盤插到電腦上以后，電腦也不會識別。這種方法有它的局限性，就是不僅禁用了U盤，同時也禁用了其他的usb設(shè)備，比如usb鼠標(biāo)，usb光驅(qū)等。所以這種方法管理員一般不會用，除非這臺電腦非常重要，值得他舍棄掉整個usb總線的功能。但是這種屏蔽也可以破解，即便設(shè)置了密碼。整個BIOS設(shè)置都存放在CMOS芯片里，而COMS的記憶作用是靠主板上的一個電容供電的。電容的電來源于主板電池，所以，只要把主板電池卸下來，用一根導(dǎo)線將原來裝電池的地方正負(fù)極短接，瞬間就能清空整個CMOS設(shè)置，包括BIOS的密碼。隨后只需安回電池，自己重新設(shè)置一下CMOS，就可以使用usb設(shè)備了。（當(dāng)然，這需要打開機(jī)箱，一般眾目睽睽之下不大適用~~）2.修改注冊表項(xiàng)，禁用usb移動存儲設(shè)備。打開注冊表文件，依次展開"HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\usbehci”雙擊右面的“Start”鍵，把編輯窗口中的“數(shù)值數(shù)據(jù)”改為“4”，把基數(shù)選擇為“十六進(jìn)制”就可以了。改好后注銷一下就可以看見效果了。為了防止別人用相同的方法來破解，我們可以刪除或者改名注冊表編輯器程序。提示：“Start”這個鍵是USB設(shè)備的工作開關(guān)，默認(rèn)設(shè)置為“3”表示手動，“2”是表示自動，“4”是表示停用。3.在computermanagement里將removablestorage的使用權(quán)限禁止。computermanagement是一個windows管理組件，可以在控制面板——管理工具——計(jì)算機(jī)管理打開。在該工具窗口中storage——removablestorage——property中，general項(xiàng)，可以控制系統(tǒng)托盤是否顯示security則可以管理移動存儲設(shè)備的使用權(quán)限。在security中將普通用戶的使用權(quán)限降低，就可以達(dá)到禁用u盤的目的。破解的方法也很簡單，管理員降低普通用戶移動存儲設(shè)備的使用權(quán)限，但未必禁用computermanagement的使用權(quán)限。普通用戶可以通過這個工具解除usb移動存儲設(shè)備的使用權(quán)限限制。另外，值得一提的是，如果u盤插到電腦上后可以驅(qū)動，但是我的電腦里卻沒有盤符，很有可能是管理員改動了u盤的默認(rèn)盤符，使得我的電腦不能識別。這種情況，可以在movablestorage中看到u盤驅(qū)動器?？梢栽趗盤驅(qū)動器屬性設(shè)置里為u盤重新分配一個盤符，再重新插拔一次u盤，就可以在我的電腦里看到u盤的盤符了。一、首先可以將該U盤換到別的機(jī)器上，看使用是否正常。如果排除了硬件損壞的可能，一般就是軟件方面有問題。在WindowsXP+SP1操作系統(tǒng)下，有些USB2.0設(shè)備的確常常出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的問題，可以試試安裝設(shè)備自帶的USB2.0驅(qū)動程序。另外最好不要使用USB延長線，防止因?yàn)楣╇姴蛔愣斐刹环€(wěn)定現(xiàn)象。如果仍無效，可以在主板BIOS設(shè)定中，將USB接口強(qiáng)行設(shè)置為USB1.1傳輸速率。二、（適用于WIN98）啟動計(jì)算機(jī)，進(jìn)入主板BIOS設(shè)置，檢查BIOS中USB的相關(guān)選項(xiàng)是否已經(jīng)打開：OnChipUSB設(shè)定為Enabled；USBController設(shè)定為Enabled；PNPOSInstalled設(shè)定為Yes；AssignIRQForUSB設(shè)成Enabled。要正常使用USB設(shè)備首先要開啟USB接口，在主板BIOS里可以進(jìn)行此項(xiàng)工作，一般來說只需在BIOS中進(jìn)入ChipsetFeatures設(shè)置，并將USBKeyborad/MouseLegacy選項(xiàng)設(shè)定為Enable，就能夠保證在操作系統(tǒng)下使用USB鍵盤了。這些選項(xiàng)的作用是打開主板芯片組對USB設(shè)備的完全支持，為系統(tǒng)識別USB設(shè)備做準(zhǔn)備工作。三、USB口接觸不好處理辦法：拔下，等十秒鐘再插上USB口，使接觸完好；五、閃存盤驅(qū)動程序沒有安裝完成(WIN98系統(tǒng)下)處理辦法：鼠標(biāo)點(diǎn)“我的電腦”，選擇屬性找到“通用串行總線”，刪除其中的USBMASSSTORAGE項(xiàng)，再點(diǎn)擊“刷新”，然后按照提示重新安裝一次驅(qū)動程序。六、接其它USB設(shè)備(如掃描儀、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī))時可以正常使用，接優(yōu)盤時閃指示燈不亮，不能夠使用。1、檢查優(yōu)盤與電腦的聯(lián)接是否正常，并換用其它USB接口測試。2、檢查設(shè)備管理器，看是否出現(xiàn)”通用總線設(shè)備控制器”條目，如果沒有，請將電腦主板BIOS中USB接口條目*激活(ENABLE)。3、如果電腦安裝過其它類型USB設(shè)備，卸載該設(shè)備驅(qū)動程序，并首先安裝優(yōu)盤驅(qū)動程序。4、到其它電腦試用此優(yōu)盤，確認(rèn)是否優(yōu)盤不良。七、啟動型優(yōu)盤在的電腦上無法實(shí)現(xiàn)啟動，可能是主板型號不支持。如何判斷一塊主板是否支持閃存盤啟動系統(tǒng)啟動型優(yōu)盤是采用模擬USB軟驅(qū)和USB硬盤的方式啟動電腦的。只要電腦主板支持USB設(shè)備啟動，即BIOS的啟動選項(xiàng)中有USB-FDD、USB-HDD或是其它類似的選項(xiàng)，就可以使用啟動型優(yōu)盤啟動電腦。八、第一次在電腦上使用優(yōu)盤，未出現(xiàn)提示發(fā)現(xiàn)新硬件的窗口，驅(qū)動程序無法安裝的原因可能是：1、主板usbcontroller未啟用解決辦法:在電腦主板BIOS中啟用此功能。2、usbcontroller已經(jīng)啟用但運(yùn)行不正常解決辦法:在設(shè)備管理器中刪除”通用串行控制器”下的相關(guān)設(shè)備并刷新。3、優(yōu)盤被電腦識別異常，在設(shè)備管理器中表現(xiàn)為帶有黃色？或！的”其它設(shè)備”或“未知設(shè)備”。解決辦法:刪除此設(shè)備并刷新。九、大容量的U盤(例如兼具M(jìn)P3播放器或錄音功能的U盤)或移動硬盤在電腦上無法正常使用，雖然系統(tǒng)提示找到了未知的USB設(shè)備，但無法正確識別U盤或移動硬盤。原因可能是：1．USB接口供電不足:系統(tǒng)為每個USB接口分配了500mA的最大輸出電流，一般的U盤只需要100mA的工作電流，因此在使用過程中不會出現(xiàn)什么問題。大多數(shù)移動硬盤所使用的是普通的2.5英寸硬盤，其工作電流介于500mA~1000mA之間，此時假如僅僅通過USB接口供電，當(dāng)系統(tǒng)中并無其他USB設(shè)備時，那么還是可以勉強(qiáng)使用的，但如果電壓不穩(wěn)的話，就隨時可能出現(xiàn)供電不足的問題。特別是使用支持USB2.0的移動硬盤時，情況最為嚴(yán)重。另外，如果你的筆記本電腦使用電池供電，那么USB接口所分配的電量就更小了。2．使用了外接的USB擴(kuò)展卡:在筆記本電腦中使用USB2.0的U盤或移動硬盤時，如果筆記本電腦不支持USB2.0技術(shù)，一般必須通過PCMCIA卡轉(zhuǎn)USB2.0的擴(kuò)展卡來間接實(shí)現(xiàn)支持，這些擴(kuò)展卡基本上都采用NEC公司的D720100AGMUSB控制芯片，少則提供兩個USB2.0接口，多則提供五個USB2.0接口，對一般用戶而言足夠使用了。由于PCMICA接口提供的電源功率比板載USB接口要小，這樣就會由于供電不足而導(dǎo)致移動硬盤工作的出現(xiàn)問題。解決方案:1.它從USB連接線上接移動硬盤的一端引出一根轉(zhuǎn)接線，可以插入電腦背后的PS/2接口取電，這里可以比USB接口提供更大的電流輸出。2.利用電源補(bǔ)償線(也稱“鍵盤取電線”)，如果U盤或移動硬盤的包裝盒中提供了選配的電源適配器，你就可以直接使用外接電源，這樣就可以從根本上避免供電不足的情況發(fā)生了前置USB線接錯。當(dāng)主板上的USB線和機(jī)箱上的前置USB接口對應(yīng)相接時把正負(fù)接反就會發(fā)生這類故障，這也是相當(dāng)危險(xiǎn)的，因?yàn)檎?fù)接反很可能會使得USB設(shè)備燒毀。所以盡量采用機(jī)箱后置的USB接口,也少用延長線.也可能是斷口有問題,換個USB端口看下.USB接口電壓不足。當(dāng)把<ahref="mobileharddisk">移動硬盤</a>接在前置USB口上時就有可能發(fā)生系統(tǒng)無法識別出設(shè)備的故障。原因是<ahref="">移動硬盤</a>功率比較大要求電壓相對比較嚴(yán)格，前置接口可能無法提供足夠的電壓，當(dāng)然劣質(zhì)的電源也可能會造成這個問題。解決方法是<ahref="">移動硬盤</a>不要接在前置USB接口上，更換劣質(zhì)低功率的電源或盡量使用外接電源的硬盤盒，假如有條件的話。主板和系統(tǒng)的兼容性問題。呵呵這類故障中最著名的就是NF2主板與USB的兼容性問題。假如你是在NF2的主板上碰到這個問題的話，則可以先安裝最新的nForce2專用USB2.0驅(qū)動和補(bǔ)丁、最新的主板補(bǔ)丁和操作系統(tǒng)補(bǔ)丁，還是不行的話嘗試著刷新一下主板的BIOS一般都能解決。系統(tǒng)或BIOS問題。當(dāng)你在BIOS或操作系統(tǒng)中禁用了USB時就會發(fā)生USB設(shè)備無法在系統(tǒng)中識別。解決方法是開啟與USB設(shè)備相關(guān)的選項(xiàng)。就是開機(jī)按F2或DEL鍵,進(jìn)入BIOS,把enableusbdevice選擇enable。拔插要小心,讀寫時千萬不可拔出,不然有可能燒毀芯片。XP中任務(wù)欄中多出USB設(shè)備的圖標(biāo)，打開該圖標(biāo)就會在列表中顯示U盤設(shè)備，選擇將該設(shè)備停用,然后你再拔出設(shè)備，這樣會比較安全。

其實(shí)判斷軟件硬件問題很簡單,在別的機(jī)器或換個系統(tǒng)試試就可以了.有些小的問題不妨先用專門軟件格式化下.還有提醒大家WINDOWS下格式化時要選擇FAT,不要選FAT32。

提示無法識別的USB設(shè)備維修

故障提示如圖：

無法識別的USB設(shè)備：UnknownUSBDevice.很多人都遇到過的一個問題，所謂“無法識別”對于操作系統(tǒng)來說，或者是驅(qū)動程度有問題，或者是USB設(shè)備出現(xiàn)了問題，或者是計(jì)算機(jī)與USB設(shè)備連接出現(xiàn)了故障，解決問題的方法也是從這幾處著手。

對于不同的設(shè)備會有不同的處理方法，了解USB設(shè)備正常工作需要的條件以及一些可能影響USB設(shè)備正常工作的因素，會有助于解決問題。

下面是保證USB設(shè)備可以正常工作的一些條件：（1）USB設(shè)備本身沒有任何問題——可以通過在其它計(jì)算機(jī)上進(jìn)行測試，保證能正常工作；（2）USB接口沒有任何問題——可以通過連接其它的USB設(shè)備在此接口上進(jìn)行測試；（3）USB設(shè)備的驅(qū)動程序已經(jīng)正確安裝，如果有詳細(xì)說明書的USB設(shè)備，一定要仔細(xì)查看相應(yīng)的說明文件，按照說明安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序；Windows2000以后的操作系統(tǒng)以識別大部分的USB設(shè)備，Wind