自動化專業(yè) 基于單片機的兩輪平衡車控制系統(tǒng)設計

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1、 課題名稱 基于單片機的平衡車控制系統(tǒng)的設計 摘要：用控制器MC9S12XS128，再結(jié)合陀螺儀ENC-03和三軸加速度計MMA7260芯片，設計了一種工作穩(wěn)定、體積小、運動均勻的平衡車。通過介紹平衡車的平衡原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件設計，講述了平衡車設計的要點。最后，通過系統(tǒng)理論分析和實驗驗證了該設計方法的合理性和可行性。 關(guān)鍵詞：雙輪平衡車 MC9S12XS128 Module design 調(diào)試策略 ABSTRACT ABSTRACT：With MC9S12XS128 as t

2、he controller, combined with gyroscope ENC-03 and triaxial accelerometer MMA7260 chip, a two-wheel self-balancing vehicle with stable operation, small size and uniform motion was designed. By introducing the balancing principle, system structure, software and hardware design of the balancing car, th

3、e main points of the balancing car design are expounded. Finally, the rationality and feasibility of the design method are verified by system theoretical analysis and experiments. Key?words:A two-wheeled balanced vehicle MC9S12XS128 Debugging policy. 目錄 摘要

4、3 ABSTRACT 3 1緒論 3 1.1平衡車的研究背景 3 1.2平衡車的研究意義 3 2 課題任務與關(guān)鍵技術(shù) 3 2.1 主要任務 3 2.2關(guān)鍵技術(shù) 3 3. 控制原理分析 4 3.1控制系統(tǒng)任務分解 4 3.2控制原理 4 4. A/D模塊 5 4.1 A/D轉(zhuǎn)換原理 5 4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊功能結(jié)構(gòu) 5 4.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的編程步驟 6 5.PWM模塊 6 5.1PWM的主要特點 7 6. ECT模塊 7 6.2 PID控制算法 8 6.3 PID控制原理 8 6.4 PID參數(shù)的整定 9 7. 人機交互 10 7.1 LCD液

5、晶顯示 10 7.2 矩陣鍵盤按鍵識別 10 7.3 串口與上位機的通訊 11 7.4 雙輪平衡小車的系統(tǒng)調(diào)試 11 7.5 調(diào)試策略 11 7.6 監(jiān)控調(diào)試 12 7.8 無線調(diào)試 13 結(jié)論 15 致謝 16 附錄1：單片機最小系統(tǒng)原理圖 19 附錄2：單片機最小系統(tǒng)電路圖 20 附錄3：單片機最小系統(tǒng)PCB圖 21 1緒論 1.1平衡車的研究背景 近21世紀以來，隨著科技的進步，移動機器人的研究不斷地進步，成為目前機器人研究領域一個重要的部分，而且它的應用領域特別廣泛，它的任務也很復雜，所以移動機器人需要很高要求。比如，戶外的移動機器人需要凹凸不平的路

6、面上行駛，有時候機器人需要在很窄的地方使用運行。如何解決這類問題，已經(jīng)成了現(xiàn)實中所面對的一個問題。 這個機器人與其他機器人相比，他是通過兩個輪子的形式采用兩輪共軸，各自獨立驅(qū)動，車身重心位于車輪軸上方，通過車輪的前后滾動來控制車身的穩(wěn)定平衡，并且可以在直立條件下完成前進、后退、轉(zhuǎn)彎。 1.2平衡車的研究意義 平衡車具有體積小巧，結(jié)構(gòu)特殊，靈活輕便，適應變化環(huán)境地形強，適合在擁擠路面活動，可以在一些復雜環(huán)境下工作運動。根據(jù)現(xiàn)在人們經(jīng)濟水平的提高，平衡車逐漸的流行開來。因此平衡車具有很好的研究意義。 2 課題任務與關(guān)鍵技術(shù) 2.1 主要任務 本文對平衡車單片機控制系統(tǒng)進行了研究，實

7、現(xiàn)了平衡車的自立控制和藍牙控制功能。主要采用的是單片機MC9S12XS128。使用不同的傳感器，相對設計電路，編寫相應編程，完成平衡。利用此系統(tǒng)加速度計和陀螺儀來取得車體的傾角和角速度，然后對數(shù)據(jù)進行互補。通過編碼器獲取兩個輪子的速度消息。根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)進行了速度和傾角的閉環(huán)控制。通過藍牙通信控制來添加，將一切輸出數(shù)據(jù)疊加到輸出驅(qū)動芯片，最終使平衡車得到控制。 2.2關(guān)鍵技術(shù) 2.2.1系統(tǒng)設計 這個平衡車程序系統(tǒng)：車身的機械結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計。在機械結(jié)構(gòu)上使車身保持車身的重心穩(wěn)定；軟件系統(tǒng)負責車身的平衡。 2.2.2數(shù)字建模 模型的建立有助于平衡車控制器的設計，有

8、助于牛頓力學定律，有助于提高觀賞。 3. 控制原理分析 3.1控制系統(tǒng)任務分解 根據(jù)系統(tǒng)要求，小車只能在沒有外界干預的條件下依靠兩個同軸車輪保持平衡，并且能夠使它向前進，向后退，向左向右。相對于四輪的車子，控制系統(tǒng)的任務更加的復雜，為了能夠解決這個問題，將復雜的問題解剖成簡單的問題進行商量。 (1) 控制小車站立:控制電機轉(zhuǎn)向保持小車的直立狀態(tài)。 (2) 控制小車車速:控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)車速控制。 (3) 控制小車轉(zhuǎn)向:控制電機轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。 3.2控制原理 圖3.1保持木棍治理反饋控制系統(tǒng) 平衡車的垂直位置是

9、通過負反饋實現(xiàn)的，但與上圖相比相對簡單一點，因為平衡車落在兩個輪子上，所以車身只可以在一個平面上保持傾斜。使車輪轉(zhuǎn)動，才能讓汽車在傾斜的狀態(tài)下能夠保持直立。 圖3.2通過車輪控制車子的平衡 4. A/D模塊 4.1 A/D轉(zhuǎn)換原理 模擬信號按序通過抽樣和保持（S/H ）電路和模擬轉(zhuǎn)換器（A/D ）后轉(zhuǎn)換為數(shù)字的format。抽樣和保持電路以均勻間隔對模擬信號進行抽樣，并且在每個抽樣運算后有充足的time保持抽樣值穩(wěn)定，來確保輸出值可以被A/D 轉(zhuǎn)換器精確的轉(zhuǎn)變。下一步是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將抽樣和保持電路的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出通常表

10、示為二進制編碼的樣式[5]。 4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊功能結(jié)構(gòu) 課題所使用的兩個方塊是在MC9S12XS128中A/D轉(zhuǎn)換，每個方塊各有八種輸入通道。 它的功能結(jié)構(gòu)圖如下圖14所示，這個功能模塊被劃分成圖所示虛線隔離的三部分：IP總線接口、自定義模擬量，轉(zhuǎn)換模式控制。 IP總線接口的功能是；負責模塊與總線的連接，實現(xiàn)A/D模塊和通用I/O的分頻作用。 圖1.4 功能結(jié)構(gòu)框圖 4.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的編程步驟 1.將ADPU設置為1以啟動ATD。 2. 按照要求對轉(zhuǎn)換數(shù)目、掃描的方式、采樣time、時鐘的頻率及標志

11、檢查等方式進行設置； 3.發(fā)出啟動命令； 5.PWM模塊 PWM調(diào)制波有八個輸出通道，每個通道可以獨立輸出。每個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖數(shù)）、一個周期控制寄存器和兩個備用時鐘源。每個脈寬調(diào)制輸出通道都能調(diào)制占空比在0～100%之間的波形。 5.1PWM的主要特點 1、 它有8 個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。 2、 每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。 3、 每一個通道的PWM 輸出使能都可以由編程來控制。 4、 PWM 輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過編程來實現(xiàn)。 5、 周期和脈寬可以被雙緩沖。當通道關(guān)閉或PWM 計數(shù)器為0 時，改變周期和

12、脈寬才起作用。 6、 8 字節(jié)或16字節(jié)的通道協(xié)議。 7、 有 4 個時鐘源可供選擇（A、SA、B、SB），他們提供了一個寬范圍的時鐘頻率。 8、 通過編程可以實現(xiàn)希望的時鐘周期。 9、 具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。 10、 每一個通道都可以通過編程實現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸5.2PWM應用及初始化 脈寬調(diào)制模塊有8個獨立的8位脈寬調(diào)制通道，可設置周期和占空比。每個通道都配有一個專用計數(shù)器。該模塊有四個時鐘源，分別控制8個信號。通過配置寄存器，可以設置脈寬調(diào)制的啟用、每個通道的工作脈沖極性、每個通道的輸出對準、時鐘源和使用模式（8個8位通道或4個16位通道）。 在車輛模

13、型控制系統(tǒng)中，共有四個PWM輸出來控制電機。由于8位輸出精度能滿足應用要求，采用一個PWM輸出控制電機正轉(zhuǎn)，一個PWM輸出控制電機反制動。因為兩個電機需要四個PWM信號。其初始化的步驟總結(jié)為： 1、禁止PWM Disable PWM PWME=0 ； 2、選擇時鐘 Select clock (prescaler and scale) for the PWM PWMPRCLK ，PWMSCLA ，PWMSCLB ，PWMCLK； 3、選擇極性 Select polarity PWMPOL ； 4、選擇對齊模式 Select center or left al

14、igned mode PWMCAE ； 5、對占空比和周期編程Program duty cycle and period PWMDTYx，PWMPERx； 6、使能PWM 通道 Enable used PWM channels PWME MCU。 6. ECT模塊 ECT有8個IC/OC通道，4個8位或2個16位脈沖累加器（PAD通道，其OC部分與第6章中的TIM模塊相同，但IC和PAI部分與TIM模塊不同。四個IC通道類似于TIM模塊，當相關(guān)管腳計劃運行時，定時器的值由各自的捕獲寄存器TCN記錄；另外四個IC通道除了捕獲寄存器外，還用于記錄定時器的值。TCN，每個都有一

15、個緩沖區(qū)TCNH，稱為保持寄存器，它可以連續(xù)兩次捕獲計時器的值，而不會中斷。四個8位PAL通道0-3與四個緩沖IC通道IC0-3相關(guān)聯(lián)，共享輸入引腳端口t0-3。每個脈沖累加器通道都有一個緩沖區(qū)PACNH，也稱為保持寄存器，當外部引腳上發(fā)生預定動作時，它可以存儲其累積值。兩對8位脈沖累加器也可以通過級聯(lián)形成16位脈沖累加器PACA和PACB。 其運行模式為： 停止：由于時鐘停止，計時器和計數(shù)器均關(guān)閉。 凍結(jié)：計時器和計數(shù)器均保持運行，直到TSCR($06)的TSFRZ位被置1。 等待：計數(shù)器保持運行，直到TSCR($06)的TSWAI位被置1。 正常：計時器和計數(shù)器均保持運行，

16、直到TSCR($06)的TEN 位和MCCTL($26)的MCEN位被分別清0。 在本項目中，我們使用通道7輸出比較來產(chǎn)生脈沖周期，而通道6和4輸出比較來產(chǎn)生不同的脈寬波形。該方法產(chǎn)生的波形不僅可以改變周期，而且可以改變脈沖寬度。因此，測量輸入波形，同時生成輸出波形。波形的脈沖寬度可以從幾微秒到幾秒不等。 操作方式是通過一系列可設置讀寫的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器擴展端口功能，實現(xiàn)輸入捕獲和輸出波形生成兩個功能。在車輛模型控制系統(tǒng)中，ECT模塊主要用于檢測車速。利用輸入捕獲功能可以捕獲相鄰脈沖信號的上升沿和下降沿之間的時間差，并且可以方便地計算車速并反饋給單片機。 6.2 PID控制算法

17、車體控制算法是整個系統(tǒng)的核心，在經(jīng)過對傳感器信息的處理后，利用個陀螺儀和編碼器采集的信息來控制和驅(qū)動電機的輸出量，控制采用PID控制算法。 6.3 PID控制原理 PID（比例、積分和微分）控制是一種基于經(jīng)典控制理論的控制算法，它可以估計過去、現(xiàn)在和將來的信息。該PID控制策略具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。通過將理想輸入和實際輸出的誤差信號發(fā)送給PID控制器，控制器分別計算誤差信號的比例（P）、積分（I）和微分（D），并對結(jié)果進行加權(quán)，構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號。 圖1.5 單位反饋的PID控制原理框圖 比例環(huán)節(jié)的作用是對系統(tǒng)的偏差按比例作出反應。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，

18、比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié)的主要功能是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。它的強度取決于積分時間常數(shù)的界限。微分環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有可預測性，能夠預測偏差變化的趨勢，從而產(chǎn)生先進的控制效果，在偏差形成之前通過微分調(diào)整消除了這種影響。 6.4 PID參數(shù)的整定 運用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整Kp，Ti和Td三個比例系數(shù)，Kp為比例系數(shù)，Ti不為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，即參數(shù)整定。實際執(zhí)行中，用試湊法進行參數(shù)整定[12]： 1、設置比例部分，比例系數(shù)由小變大，觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到響應快、超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)靜態(tài)誤差在允許范圍內(nèi)，響應曲線滿足要求，則只需

19、要比例控制來確定比例系數(shù)。 2、在比例控制的基礎上，如果系統(tǒng)靜態(tài)誤差不能滿足設計要求，則增加積分環(huán)節(jié)。首先將積分時間設為大值，并將第一步得到的比例系數(shù)略減（如減至原值的0.8）。在保持系統(tǒng)處于良好動態(tài)狀態(tài)的同時，減少了積分時間，消除了靜態(tài)誤差。在這個過程中，可以根據(jù)原始值消除靜態(tài)誤差。響應曲線反復改變比例系數(shù)和積分時間，以獲得滿意的控制過程和整定參數(shù)。 3、如果采用比例積分控制消除了靜態(tài)誤差，但經(jīng)過反復調(diào)整后動態(tài)過程仍不理想，則可以加入微分環(huán)節(jié)，形成比例、積分和微分控制器。在設定過程中，預微分時間為零，在第二步的基礎上增加微分時間。并對比例系數(shù)和微分時間進行了相應的調(diào)整，從而逐步獲得滿意的

20、調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 7. 人機交互 人機交互中需要對各串口的調(diào)試進行編程，主要針對有數(shù)碼管顯示、矩陣鍵盤調(diào)試、上位機調(diào)試等。 7.1 LCD液晶顯示 為了更好地顯示實時數(shù)據(jù)，本設計采用液晶顯示屏作為系統(tǒng)的顯示模塊，是人機交互界面的重要組成部分。觀察率是汽車的開啟重量。設計中選擇了較亮的LCD。型號為DM1260B，采用16個接頭，其中VSS Sister和Brother，VDD與5V電源連接，VO為LCD比較調(diào)節(jié)端子，正電流連接。接地時光源對比度最低，對比度最高。對比度可通過20K電位計調(diào)節(jié)。rs是寄存器選擇。高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。當RS和RW都是低電平

21、時，它們可以寫指令或顯示地址。當rs為低電平時，rw為高電平，可以讀取忙信號。當rs為高位時，rw為低位時，可以寫入數(shù)據(jù)。電子終端是啟用程序。當電子終端從高電平跳轉(zhuǎn)到低電平時，LCD模塊執(zhí)行該命令。D0-D7是一條8位雙向數(shù)據(jù)線。數(shù)碼管顯示電路由兩個鎖存器74HC573通過共陰極實現(xiàn)，分別與端口A和端口B連接。 7.2 矩陣鍵盤按鍵識別 MC9S12XS128單片機的I/O口采用4*4行列式鍵盤設計。通過程序掃描識別密鑰號。按鍵時，按鍵號顯示在LCD共陰極顯示屏上。電路如圖5.4所示。在鍵盤按鍵識別中，通常采用“行掃描法”（逐行或逐列）掃描查詢法。為了判斷鍵盤上是否有按鍵，將線pt0-pt

22、3設置為輸出，一條線設置為低電平，另三條線設置為高電平，然后檢測線的狀態(tài)。只要一條線的電平較低，鍵盤上的鍵就會被按下，而閉合鍵就是拉出來的低電平平行線與該行四條低電平線交叉的對應鍵。如果所有的線路都被判定為高電平，則無鍵按下鍵盤。 然而，這種方法需要單片機連續(xù)掃描和查詢，才能準確地檢測出鍵值?？紤]到PP端口的中斷功能，可以將這四個端口設置為中斷模式，得到關(guān)鍵值。在這種設計中，四個位通過一個門通過中斷連接到管腳。當按下任何鍵時，將發(fā)生低電平中斷。此時，單片機將再次進行按鍵判斷，不必一直查詢，減少了單片機的負載。 圖1.6 矩陣鍵盤原理圖 7.3 串口與上位機的通

23、訊 矩陣車輛模型在運行過程中有許多實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是調(diào)試的基礎。如果用液晶顯示器來顯示，那是不現(xiàn)實的。由于單片機具有串行接口，并經(jīng)過MAX232級轉(zhuǎn)換，因此可以直接與計算機通信。 7.4 雙輪平衡小車的系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個部分。只有按照一定順序操作才能保證系統(tǒng)真正達到設計要求。 7.5 調(diào)試策略 調(diào)試策略是保證軟硬件正常工作所不可缺少的方法，它包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。 7.5.3綜合調(diào)試 根據(jù)模型所附圖紙，建立車輛模型，加工PCB板，方便車輛安裝。在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動時兩輪的配合有問題。最后，汽車的最終安裝完成了。 7.6 監(jiān)控調(diào)試 為了保

24、證調(diào)試的順利進行，一般需要配合上位機的串行口監(jiān)控程序，該程序可以實時、通過曲線或數(shù)字顯示顯示程序采集的各種數(shù)據(jù)，幫助確定一些不確定的參數(shù)，判斷程序錯誤，加快程序調(diào)試的速度。并確定控制參數(shù)的最優(yōu)值。 監(jiān)控軟件功能包括： l 顯示車模實時返回的參數(shù)； l 設定車模各種運行參數(shù)； l 具備Bootloader 下載車模程序。 圖1.9 監(jiān)控軟件界面 7.8 無線調(diào)試 7.8.1無限遙控開關(guān) 車模在初期調(diào)試過程中容易不受控制。為了避免車模因碰撞而損壞，在車模上安裝一個無線遙控開關(guān)，能夠及時停止車模運行，避免車模因撞擊損壞。 無線遙控開關(guān)可以直接控制車模電機驅(qū)

25、動電源，也可以給控制單片機一個開關(guān)狀態(tài)信號，由單片機檢測該信號啟動或停止運行。如下圖20，為遙控開關(guān)實物參照 圖2.0 遙控開關(guān)實物參照 7.8.2無線通信模塊 無線通信模塊的應用，便于對車輛模型的動態(tài)運行參數(shù)進行監(jiān)測。同時，可以動態(tài)地改變車輛模型的各種運動控制參數(shù)。車輛模型的運行狀態(tài)主要由控制參數(shù)決定。因此，車輛模型的所有運動參數(shù)都被定義為存儲在單片機閃存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每次修改都只會改變這些參數(shù)，從而加快了單片機的更新速度?？刂茀?shù)存儲54字節(jié)的控制參數(shù)。這些參數(shù)可以直接通過無線通信模塊下載到單片機內(nèi)存儲，避免了繁瑣

26、的程序更新的過程[18]。 圖2.1 無線通信模塊進行參數(shù)監(jiān)控 結(jié)論 硬件的部分是用模塊化來設計的，主要由單片機最小系統(tǒng)、直流驅(qū)動電機控制模塊、電源管理模塊、測速編碼模塊和人機交互模塊組成。 軟件模塊是承擔硬件的部分，并依次對應。設計主要包括：A/D模塊、PWM模塊、ECT模塊、PID控制算法、人機交互控制等。 控制算法主要是速度控制。速度控制采用模糊控制設定速度，PID控制調(diào)節(jié)速度。通過PID控制的調(diào)整，使車輛的動態(tài)性能良好，總體控制效果良好。采用分段比例控制，可以更好地實現(xiàn)平衡，移動平衡也得到了一定程度的改善。 系統(tǒng)的調(diào)試主要圍繞硬件和軟件進行。首先，從串行調(diào)試、監(jiān)控

27、調(diào)試、無線調(diào)試等方面闡述了系統(tǒng)的整個軟硬件調(diào)試策略。 由于時間限制，還有許多方面需要改進。例如，考慮到轉(zhuǎn)向和反饋信號的閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向更精確；使用MOS晶體管驅(qū)動電機可以獲得更好的加速性能；由于設計的局限性，在路徑上不可能進行電磁檢測和并行驅(qū)動，因此如果增加了相應的電磁傳感器和相關(guān)的路徑識別裝置，使自平衡車具有更好的機動性。 致謝 經(jīng)歷了三個月的努力，我終于完成了這次畢業(yè)論文。在這次論文寫作中，讓我學到了很多單片機有關(guān)的知識。從什么都不知道，開始努力的學習和查找資料，讓自己有了更加清晰的思路。在論文指導老師的耐心指導下，本設計才得以完成，十分感謝

28、蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院5年來對我的細心教育，特別感謝我的論文指導老師秦培亮，感謝老師的耐心督促讓我完成了這次畢業(yè)設計。參考文獻 [1] 邵貝貝．單片機嵌入式應用的在線開發(fā)方法［M］.北京：清華大學出版社，2004 [2] 劉克成．C語言程序設計［M］.北京：中國鐵道出版社,2007. [3] 王宜懷,曹金華．嵌入式系統(tǒng)設計—基于飛思卡S12X微控制器［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011 [4] 孫同景．Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008 [5] 智能車比賽相關(guān)材料: [6] 第七屆飛思卡爾智能車競賽官網(wǎng): [

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