基于PID控制的两轮自平衡小车设计(附有程序)

基于PID控制两轮自平衡小车设计

目录

1.方案设计论证 (3)

1.1单片机的选择与论证 (3)

1.2显示模块的选择与论证 (3)

1.3按键模块的选择与论证 (4)

1.5电机模块的选择与论证 (5)

2.硬件设计 (5)

2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。

2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。

2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。

3.特色创新 (5)

4.总结 (7)

参考文献 (8)

两轮自平衡小车设计

摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。该系统的主要特点是方便，快捷，环保。

关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器

Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as the

core,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly.

Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers

就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。

1.方案设计论证

1.1单片机的选择与论证

方案一：凌阳公司的16位单片机。

该单片机是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但凌阳公司的单片机编程规则与传统的单片机大不相同，并且IO口数量相对于其他单片机来说较少。

方案二：ATMEL公司的AT89s52作为系统的控制器。

AT89s52单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低，被各个领域广泛应用。但是51系列单片机RAM、ROM等资源少，外围模块少，指令周期长。

方案三：Kinetis_K60微处理器。

Kinetis_K60微处理器，它具有144个I/O管脚，此处理器具有高速的处理速度和丰富的I/O管脚，可以作为整个小车的控制核心。

经过综合考虑，我们选择方案三。

1.2显示模块的选择与论证

方案一：采用LED数码管显示。

LED数码管显示虽然具有亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；但是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。

方案二：用12864液晶显示。

其优点是能显示更多的字符，功耗低，体积小，且有着良好的人机界面，能够实时的反映出系统当前的状态。

方案三：采用Nokia5110液晶显示。

此液晶具备成本低的特点，但是由于屏幕本身大小的限制，显示的内容相对较少。

比较以上三种方案，选择方案二，使用12864液晶作为显示界面。

1.3按键模块的选择与论证

方案一：采用普通的电路开关设计电路。

使用普通的电路开关来作为系统工作模式的选择键可以提高系统的硬件稳定性，而且对于开关位置的放置也没有要求，但是对于一个系统来说，如每一个步骤的进行都需要一个开关的话，就会提高控制部分设计的复杂性，同时占用单片机的多个IO口，造成资源的浪费。

方案二：采用带有提示功能的3*4贴片式键盘设计电路。

矩阵键盘的设计原理是为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连，而是通过一个按键相连接，这样在由N条水平线和M条垂直线最多可以有N *M 个按键，大大的减少了对于芯片I/O的占用。通过对矩阵键盘的稳定性测试，发现具有很好的稳定性。

经过比较，我们采用方案二不但设计简单，运行稳定，精度高，而且能够提示使用者进行相应地操作。

1.4传感器模块的选择与论证

考虑如何使系统精确运行。这里我们要电机的停转精度等问题，为此我们考虑了以下几种传感器：

方案一：采用光电开关。

它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。但是光电开光受光线的影响很大，在一个相对密封的系统中，光电开关不容易进行检测。

方案二：采用行程开关。

行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。行程开关的作用范围很广，不受限制，而且固定简单，原理简单。

方案三：采用超声波传感器。

超声波是利用像物体发送超声波，采集返回的信号，进而根据发送信号和接收信号的时间差来计算与对面物体的距离。但是通过资料了解到，超声波的工作状态很严格，对温度的要求很高，而且采集信号容易受到光线的影响。

方案四：采用摄像头ov7620。

而道路的获取则是采用OV7620摄像头来采集，

处理器把摄像头采集到的信息转换成二进制的数字信息，通过对颜色深浅的判断，转换成不同的二进制信息，再送给处理器处理。