【正文】 AD 中斷服務子程序 ......................................... 20 AD 數(shù)據(jù)處理 ............................................... 21 采樣周期定時中斷 ......................................... 22 IV 鍵盤子程序 ................................................... 22 電機驅(qū)動程序 設計 ............................................. 23 PID 控制算法 .................................................. 24 PID 控制算法概述 ........................................... 24 PID 控制算法系統(tǒng)分類 ....................................... 25 原理特點 .................................................. 25 參數(shù)整定 .................................................. 26 預置調(diào)整 .................................................. 27 4 程序的調(diào)試 ........................................................................................30 KEIL 軟件簡介 ................................................ 30 調(diào)試步驟 ..................................................... 30 5 總結(jié)與展望 ......................................................................................34 參考文獻 ................................................................................................35 致 謝 ....................................................................................................36 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 .........................................................37 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 .............................................................38 附錄 A 硬件電路 ..................................................................................39 附錄 B 源程序清單 ...............................................................................40 V 1 緒論 1 1 緒論 日本是世界上最早研究自平衡機械的國家之一。早在二十世紀八十年代 ,日本國內(nèi)就做出了一個重心在上的兩輪自平衡機器 ,由電動機、控制芯片和多個陀螺儀組成了它的控制系統(tǒng)。由于當時的芯片計算能力比較低 ,傳感器的采樣精度和采樣速率都比較低 ,這個機器只能沿著預先設定好的軌跡行駛。國內(nèi)對自平衡控制技術(shù)的研究幵始于上世紀九十年代 ,并且在本世紀初也取得了一些成績。 從自平衡機械發(fā)展到自平衡電動車 ,其中所用的控制理論都是自平 衡控制技術(shù) ,但其不同之處存在于兩點 :一、自平衡電動車是用于載人的 ,所以對系統(tǒng)有很高的安全性要求 。二、用于載人的自平衡電動車 ,由于駕駛其行駛的人不同而需要自平衡的質(zhì)量也不同 ,其質(zhì)量是個變量 ,所以相對于質(zhì)量恒定的自平衡機械其控制系統(tǒng)更為復雜?？蒲袉挝缓推髽I(yè)對兩輪自平衡電動車的研究不僅促進了自平衡控制技術(shù)的發(fā)展 ,而相對應的自平衡控制技術(shù)的發(fā)展也給自平衡電動車的發(fā)展帶來了巨大的進步。國外對自平衡電動車的研究始于二十世紀八十年代末 ,日本東京電信大學自動化系的山藤一雄教授提出了一個類似于自平衡車的智能控制器的設計概念 ,并在 1996 年成功在日本申請了專利，隨著自平衡控制技術(shù)和自平衡電動車的不斷發(fā)展 ,國內(nèi)外研究人員在最近二三十年間取得了一系列的科研成果。2020 年 ,法國 Valenciennes 大學研發(fā)出了基于兩輪自平衡機器人控制概念的兩輪自平衡電動車一城市出租車 B2。 B2 作為城市出租車 ,具有體積小 ,并且采用清潔能源作為動力 ,很適合人類的發(fā)展需求。同年 ,丹麥樂高公司的 Steve Hassenplug設計了一種取名為 LEWAY 的自平衡玩具 ,該樣機只有手掌大小。它采用了當時流行的紅外測距儀來反饋機器人的姿態(tài)信號 ,通過差動傳動方式 來實現(xiàn)控制 ,并且設置了無線接口 。該產(chǎn)品具有可實現(xiàn)遠程控制、零半徑轉(zhuǎn)彎以及可以在傾斜平面上運動等功能 ,結(jié)構(gòu)方面采用了模塊化設計 ,使得安裝和拆卸都很方便。 2020 年 ,日本村田制作所本著利用最先進的制造技術(shù)來實現(xiàn)工廠自動化而培養(yǎng)技術(shù)技能的目的 ,開發(fā)了 村田頑童 。制作所的控制設計師曾說 :以村田頑童為基礎的 ,諸如不會摔倒的自行車 ,不碰撞的汽車等智能產(chǎn)品會越來越多。 身高只有 50 cm,重約 5 Kg的村田頑童應用了陀螺傳感器和各種當時的高科技產(chǎn)品 ,最終以完成停而不倒 ,在坡道上行駛和汽車通過 S 型平衡木等多項技能征服 了世界人民的眼睛。西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 2 經(jīng)過村田制作所研究人員的努力 ,又研制出了獨輪玩具車 村田婉童 ，其身高也是50cm,體重約為 6Kg,同樣也完成了停而不倒 ,坡道行駛 ,跟隨行走和平衡木行走等高難度動作。 2020 年初 ,由美國 Dean Kamen 研究的兩輪自平衡單車面市 ,是世界上第一臺可以載人的兩輪自平衡電動車 ,取名為 SegwayHTil67。該車通過使用精密的陀螺儀傳感器來代替人類的前庭和耳蝸等人類平衡器官 ,以電動機和車輪代替人類的雙腳 ,以主控制器來代替人類的大腦進行判斷 ,發(fā)展所謂的 動態(tài)平衡 來實現(xiàn)。 Segway 于 2020 年 10 月發(fā)布了自己的又一新作 :一輛四輪電動概念車 半人馬號 。隨后的 2020 年 Segway 公司在 Segway HT 的基礎上又發(fā)布了諸如 :CrossTerrain, XT 和 Golf Transporter 等都市交通工具。 2020 年通用汽車公司聯(lián)合 Segway 公司在紐約宣布將來會在都市個人交通工具領(lǐng)域進行合作 ,并發(fā)布了第一款新型汽車 —— 。臺灣經(jīng)濟部工業(yè)局于 2020 年幵始大量搜集關(guān)于Segway 的相關(guān)資料 ,并提供給各個科研機構(gòu)和生產(chǎn)廠商參考 ,最終于 2020 年在臺灣國立中央大學利用模糊控制原理實現(xiàn)了一個 兩輪自平衡小車機構(gòu)的自平衡控制。 2020 年 ,中國科技大學屠動武、張培仁等研制出了兩輪自平衡代步車一 Free Mover,它是一種兩輪左右布置于人體腳下且具有自平衡控制系統(tǒng)的電動車 ,其結(jié)構(gòu)類似于 Segway PT。 Free Mover 采用了 DSP 微處理器 ,型號為 TMS320LF2407作為中央控制器 。用 KY2020 型水平儀和 M0CH21A 光電傳感器來采集車體姿態(tài)信息 。由鉛蓄電池提供車體動力 。用永磁直流電動機作為執(zhí)行裝置來驅(qū)動左右兩輪。 2020 年 ,河南科技大學制作了平衡雙輪電動機的樣機 ,2020 年哈爾濱工 程大學也做了有關(guān)雙輪直立自平衡機器人的研究。上述兩種都基本實現(xiàn)了系統(tǒng)的自平衡控制。最近幾年 ,隨著自平衡控制理論的發(fā)展 ,以及控制硬件的升級 ,控制器處理速度越來越快 ,控制理論越來越合理 ,關(guān)于兩輪自平衡電動車的研究得到了飛速的發(fā)展。 2020 年 ,周惠興、趙建萍申請了兩輪自平衡電動車實用新型專利。 2020 年 ,呂子民、呂一飛申請了一種兩輪自平衡電動車實用新型專利。 本次畢業(yè)設計研究的主要內(nèi)容是設計一個基于 STC12C5A60S2 單片機的車輛自平衡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括 對加速傳感器的信號采集和處理， 鍵盤操作，PID 算法模塊以及驅(qū)動電機模塊。 自主設計車輛自平衡座椅，含以下部分： ● 典型 51 內(nèi)核的單片機系統(tǒng)軟件（推薦采用 STC 系列 8051）。 ● 車輛座椅三自由度運動狀態(tài)檢測及轉(zhuǎn)換（推薦采用 MMA7260QT 三軸加速度傳感器）。 ● 2 路座椅自平衡調(diào)節(jié)電機控制算法。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 3 ● 36 鍵坐姿及位置調(diào)節(jié)子程序。 ● 常規(guī)可靠性設計。 3 車輛自平衡座椅電動控制系統(tǒng)硬件原理 4 2 車輛自平衡座椅電動控制系統(tǒng)硬件原理 車輛自平衡座椅主要由加速傳感器、單片機、及電機等部分組成 。課題采用MMA7260QT 三軸加速傳感器， MMA7260 能在 XYZ 三個軸上讀取水平墜落、傾斜、移動、震動和搖擺。通過 MMA7260QT 型三軸加速傳感器，檢測到的座椅運動狀態(tài)，以模擬量電壓的方式傳送給單片機，單片機對讀入的座椅平衡狀態(tài)數(shù)據(jù)作為執(zhí)行控制算法的輸入，經(jīng)過計算后，將控制信號傳送給電機，控制電機使座椅回歸平衡。 單片機使用 STC12C5A60S2 單片機，其兼容 8051 內(nèi)核單片機，是高速、低功耗、超強干擾的新一代 8051 單片機。其速度比普通的 8051 快8~12 倍，具有 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 AD 轉(zhuǎn)換 器，方便接收傳感器的模擬信號和控制小功率直流電機。 車輛座椅自平衡軟件部分主要由加速傳感器數(shù)據(jù)采集處理程序、電機控制程序程序、鍵盤子程序、判斷采樣周期的中斷子程序組成。數(shù)據(jù)采集處理程序，主要解決 MMA7260 傳送的加速度模擬信號進入單片機以及數(shù)據(jù)的解算。電機控制程序，控制輸出脈沖個數(shù)及輸出脈沖速度，從而控制電機轉(zhuǎn)動角度和速度。另外，設計中加入 3 個鍵的鍵盤來控制座椅自平衡調(diào)節(jié)的方式，分別是方式 0 橫縱均自動調(diào)節(jié)，方式 1 只是橫向調(diào)節(jié)和方式 2 不調(diào)節(jié)。 單 片 機 加速傳感器 橫向驅(qū)動器 鍵盤 座椅 前置電路 縱向驅(qū)動器 電源 圖 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 5 本課題選著混合式步進電機，考慮到 兩 相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時 會有振動 以及 噪聲 的缺點，所以我們選著步距角更小的四相混合式步進電機，并采用四相八拍的工作方式，這樣步距角會更小，這就很好的解決了 兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時 缺點。 步進電機簡述 步進 電機 是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏?移或線位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的 頻率 和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為 “步距角 ”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的 目的 ；同時可以通過控制 脈沖頻率 來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機是一種 感應電機 ，它的工作原理是利用 電子 電路， 步進電機將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 。 步進電機必須由雙環(huán)形脈沖信號、 功率 驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過 定子繞組 時，定子繞組產(chǎn)生一矢量 磁場 。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電 脈沖 ，電動 機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率 成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。 步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的 步進電動機 驅(qū)動器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。驅(qū)動單元與 步進電動機 直接耦合，也可理解成 步進電動機 微機控制器的功率接口。 步進電機分三種：永磁式（ PM），反應式（ VR）和混合式 (HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和 儀表中一種能夠快速啟動，反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為