自平衡小车系统设计报告完整

2012福建省大学生电子设计竞赛

论文

题目:自平衡小车系统(D题)

目录

摘要 (3)

一、设计任务 (4)

二、设计要求 (6)

2.1 基本要求 (6)

2.2发挥部分 (6)

三、方案的选择 (7)

3.1控制器模块的选择 (7)

3.2电机驱动电路 (7)

3.3电源模块 (7)

3.4寻迹传感器模块 (8)

3.5最终方案 (8)

四、理论分析与计算 (9)

4.1自平衡小车的数学模型及控制算法 (9)

4.2 动力学模型及其参数说明 (10)

4.3控制算法的设计 (12)

4.4 小车运动的精确控制 (13)

五、电路硬件设计 (14)

5.1 单片机最小系统 (14)

5.2 电机驱动模块 (14)

5.3寻迹模块 (16)

5.4角度检测模块 (16)

六、软件设计 (18)

6.1软件设计的主程序流程图 (18)

6.2驱动、中断、寻迹程序流程图 (19)

七、测试方案与测试结果 (22)

7.1 测试仪器与设备 (22)

7.2 测试方法 (22)

7.3 测试结果 (22)

7.4 总结 (24)

八、参考文献 (25)

附录一各系统原理图与实物图 (26)

附录二原件清单 (29)

附录三程序 (30)

摘要

自平衡小车是一个集多种功能于一体的综合系统，在完成自身平衡的同时，还能够适应各种环境下的控制任务。利用外加的3轴加速度传感器、陀螺仪、光电反射式传感器、来实现小车的自主循迹、加速减速、路径规划等功能。由于特殊的结构，其适应地形变化能力强，运动灵活。

自平衡小车系统选用STC89C52单片机最小系统为控制模块，模块化的设计方案。通过光电反射式传感器 ST178对信号进行采集，采集到的信号经比较器LM324处理后传给52片机，经单片机处理后，发出控制命令L298N，驱动2台直流电动机进行相应的动作。该小车能够识别出黑色轨迹并能沿着黑色轨迹前进，走出相应的S形路线直到终点。

关键词：STC89C51最小系统电机驱动 ST178光电反射式传感器

一、设计任务

设计并制作一个自平衡小车。两轮驱动、一轮为万向轮，如图1所示。车体重心必须在驱动轮轴与万向轮之间，小车可以按图2的所场地运行一周。

图1-1 小车结构示意

图1-2 场地示意图

图1-3 小车直立状态示意

二、设计要求

2.1 基本要求

（1）三轮着地，万向轮在前，可沿引导线逆时针方向运行一周，全程时间不超过3分钟。

（2）引导线的A、B点之间为加速区，B、C区为减速区，车速应有明显变化（时间比约1:2）。

（3）D、E两点为引导线断开区域，小车经过D点时能正常运行，并能寻迹至E点后继续行驶。

（4）E点到F点区域必须按S形路线行驶。

2.2发挥部分

（1）由人手持小车为直立状态（两轮着地）开始保持平衡，放手后沿引导线逆时针方向运行一周。

（2）（3）（4）项与基本部分的（2）（3）（4）一致。

（5）其他创新功能。

三、方案的选择

3.1控制器模块的选择

方案1：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案。

方案2：采用STC89C52RC单片机作为控制器，此类单片机通用灵活、价格低廉、使用方便这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也少。耗电也最小。并且软件实现也比较容易，它极大能力的节省了I/O的使用，为系统功能扩展提供了必要的条件。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机，充分利用STC89C52单片机的资源所以我们选择方案2。

3.2电机驱动电路

方案1：采用直流电机驱动芯片MC338886，驱动电流可达2A，外围器件简单，贴片封装体积小, 但调速时MC338886发热量很大，导致MC338886的FS引脚置位，从而使其不工作，特别是采用反向制动后置这这只这种情况更严重。

方案2: 采用直流电机驱动芯片L298N，驱动电流总和可达到4A，它可以驱动二相和四相步进电机的专用芯片，我们利用它内部的双H(如图1)桥式电路来驱动直流电机，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。控制比较简单，电路也很简单。因此我们选择此方案。

3.3电源模块

由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。

方案1：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，同时我们的车体设计时空间不够。因此我们放弃了此方案。

方案2：采用一组4节1.5v 电池为单片机供电，2节4V 电池为电机供电，这样小车空间又足够，方便使用分配空间，且能够为单片机和电机提供足够的驱动电流。且工作电流小，易于制作。综上考虑，我们选择了方案2.

3.4寻迹传感器模块

方案1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案

方案2：使用ST178型反射式光电传感器，ST178型反射式光电传感器具有如下特点：1）采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。

2）检测距离可调整范围大,4-10mm 可用。3）采用非接触检测方式。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案2。

3.5最终方案

经过反复论证，我们最终确定了如下方案：

（1）采用STC89C52单片机为主控制芯片。

（2）用2节4v 电池为直流电机供电和4节1.5v 电池为单片机系统和其他芯片供电。

（3）用ST178型反射式光电传感器进行寻迹。

（4）L298N 作为直流电机的驱动芯片。

系统的结构框图如图2-1所示：

图3-1 系统方框图

光电反射式传感器

STC89C52 L298N 驱动电机