一些电子设计小制作

双轮直立自平衡机器人Sway 研究设计

摘要

本设计采用两块Cygnal 公司推出的C8051F005 单片机分别作为“双轮直立自平衡机器人”（以下命名为

Sway）和人机交互上位机的控制核心。车体倾斜角度检测采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202及反射式红外线距离传感器。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人间的数据通信采

用迅通生产的PTR2000超小型超低功耗高速无线收发数传MODE M人机交互界面采用240*128图形液晶点

阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了Swa y的平衡

控制与数据交换。

本设计的主要特色：

1.高速（25MIPS）低功耗的SOC单片机为各种复杂算法的实现提供了保障，丰富的片内外设为高速

数据采集及PWM调制信号的生成提供了方便，片内温度传感器方便对温度的采集。片内JTAG功能

为程序的调试及对系统的现场编程提供了方便。

2.高效的H型PWM电路提高了电源的利用率，实现了电机的平滑变速。

3.双轴加速度传感器及光电传感器的使用提高了车体倾斜角度检测的精度，差分算法的应用提高了系统的抗干扰能力。

4.优化的软件算法，智能化的自动控制使车体运动准确平稳。

5.高速的无线数据传输给各种远程数据采集和智能控制提供了保障。

6.大屏幕液晶（蓝屏）显示及360度方向摇杆为人机交互提供了良好的界面。

一、硬件方案的选择与论证根据设计要求，系统可以划分为几个基本模块，如下图所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。

车体系统模块组成

无线控制上位机模块组成

1、MCU主控制器

方案一：采用89S52单片机作为主控制器。优点：价格低廉，程序资源丰富，技术比较成熟。缺点：运算速度慢，很难担任复杂算法的计算工作；程序储存空间小，不能储存大规模程序代码；数字外设少，片内没有模数转换器，不能直接进行数据采集。

方案二：采用PHILIPS公司出品的LPC2119ARM衲核处理器。优点：处理速度快（指令速度可达60MIPS），可以担任大部分复杂算法的计算工作；片内外设非常丰富，可以进行实时数据采集，多种数据通信方式可供选择。缺点：价格昂贵，对于已有

51系列单片机开发经验的人员来说原有程序不兼容。

方案三：采用Cygnal公司推出的C8051F005单片机。优点：具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51 指令集完全兼容，方便原有程序的移植。指令速度大大提高（最高25MIPS），可以担任复杂算法的运算工

作。片内集成了一个12位100KSPS的多通道ADC子系统，2个电压输出DAC 2个电压比较器、片内电压基准，这为进行实时的数据采集提供了方便。片内具有4个通用的16位定时器、一个具有5个捕捉/比较

模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA ,这为生成PWM!号给电动机调速提供了方便，又不会过多占用CPU资源。片内拥有2304B内部数据RAM 32KB FLASH储存器，可以在系统编程与全速非侵入式JTAG调试，

这为生成大量程序代码和在线调试提供了保证。

基于上述理论分析，拟选择方案三。

2、倾角检测方案一：采用水银开关。优点：价格便宜，货源广泛，原理简单。缺点：输出开关量，不能线性调整。震动易受到干扰，很难应用于高速高噪声场合。

方案二：采用光电接近传感器。优点：价格便宜，输出线性度好，方便对其输出的数据进行处理与调整。

缺点：反射强度随着反射面材料或颜色的不同而改变，很难广泛适应不同的路面。

方案三：采用AD公司生产的双轴加速度传感器ADXL202优点：PWM输出，方便与单片机进行接口，线性输出，输出精度高，可以做高精度控制。缺点：价格昂贵，算法复杂。

方案四：综合采用光电接近传感器与ADXL202优点：既克服了光电传感器对材料与颜色的挑剔，又克服

了ADXL202的算法复杂。

基于上述考虑，拟采用方案四。

3、电机驱动调速模块

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优

点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM fe路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，

精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截至模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简

单的实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。

基于上述理论分析，拟选择方案三。

4、车轮检速及路程计算模块

方案一：采用霍尔集成芯片。该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成芯片安装在固定轴上，通过对脉冲的计

数进行车速测量。

方案二：受鼠标工作原理的启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀的固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数，对速度进行测量。

以上两种都是比较可行的转速测量方案。尤其是霍尔器件，在工业上得到广泛采用。但是在本设计中，小

车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案二适用于精度较高的场合，可以在车轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。

5、温度检测

由于主控芯片C8051F005内部包括一个温度传感器连接到内部ADO的其中一路，因此省去了在外部挂设温

度传感器的电路。

6、加速度检测

采用AD公司生产的线性PWM输出加速度传感器ADXL202与主控制器的捕获比较模块接口，通过对ADXL202 输出脉宽的测量精确检测车体水平加速度。

7、无线数据通信