【正文】 通信工程 2020 年 5 月 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 題目：車輛自平衡座椅電動控制系統(tǒng) —— 軟件部分 系 別 ： 電子信息系 專 業(yè)： 通信工程 2020 年 5 月 西安工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè) 計（論文）任務(wù)書 院（系 ） 電信學(xué)院 專業(yè) 通信工程 班 090309 姓名 何家歡 學(xué)號 09030935 1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 車輛自平衡座椅電動控制系統(tǒng)設(shè)計 —— 軟 件部分 ： 自平衡減搖目前最常用且最成功的是船舶減搖鰭式減搖裝置，理論減搖效果可達 90％以上。 III. 2路座椅自平衡調(diào)節(jié) 電機 控制算法。 II. 了解掌握 車輛自平衡座椅電動控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)、控制原理等 。（ 月下旬前） VI. 在通過仿真軟調(diào)的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試。 I 車輛自平衡座椅電動控制系統(tǒng) —— 軟件部分 摘要 當(dāng)今社會，汽車已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的交通工具。 用單片機、加速傳感器、模擬數(shù)字電子技術(shù)等，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)彎行駛或者在顛簸的路上行駛時所產(chǎn)生的傾斜通過加速傳感器傳遞給單片機，由單片機控制電機并驅(qū)使座椅與地面保持在一個相對平衡的位置，同時可有 36 的坐姿按鍵來控制座椅橫向、縱向的四種角度調(diào)節(jié)，從而確保駕駛員的書舒適性和安全性。 electric control。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。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(xué)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(shè)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。它采用了當(dāng)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(shè)置了無線接口 。 身高只有 50 cm,重約 5 Kg的村田頑童應(yīng)用了陀螺傳感器和各種當(dāng)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。 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 。 2020 年 ,中國科技大學(xué)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。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 ,周惠興、趙建萍申請了兩輪自平衡電動車實用新型專利。 自主設(shè)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）。 ● 常規(guī)可靠性設(shè)計。 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。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。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(dāng)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(shè)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。 通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過 定子繞組 時，定子繞組產(chǎn)生一矢量 磁場 。每輸入一個電 脈沖 ，電動 機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。 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。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電機為數(shù)字 /角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進電機 工作原理：四相步進電機 采用單極性直流電源供電。拍數(shù)：完成一 個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，四相電機有四相四拍運行方式即AB→BC→CD→DA→AB, 四相八拍運行方A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 。 /(50*4)=176。 圖 是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。依次類推， A、 B、 C、 D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會 沿著 A、B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 、 b、 c 所示： 圖 波形 串并行控制 采用單片機對步進電機進行控制，有串行控制和并行控制兩種方法。 由于單片機系統(tǒng)與驅(qū)動器之間只有兩條控制線，使系統(tǒng)構(gòu)成簡單。 控制線可以實現(xiàn)對電機方向的控制，如為低電平： “ 0” 時，環(huán)形分配器按正方向進行脈沖分配，電機正向轉(zhuǎn)動；而為高電平 “ 1” 時，環(huán)形分配器按反方向 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 進行脈沖分配，電動機反向轉(zhuǎn)動。 圖 串行控制示意圖 步進電機脈沖分配 目前對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖 分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等 ，本題目采用 PMM8731 脈沖分配器。 在ＰＭＭ８７１３的內(nèi)部電路中，時鐘選通部分用于設(shè)定步進電機的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。片中的激勵方式控制電路用來選擇采用何種勵磁方式。所以脈沖分配芯片 PMM8713 的 EA、EB 管腳接高電平， BA、 D 管腳接低電平， R 管腳是復(fù)位端， VCC、 GND 分別接電源和地，由于我們采用單片機輸出脈沖控制步進電機，并不需要脈沖發(fā)生器，所以 CU（ UP 計時脈沖 ）、 CD（ DOWN 計時脈沖 ）都接地。 單片機功能介紹 STC12C5A60S2 系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機，是高速 /低功耗 /超 強 抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快 812 倍。 3% 12. 時鐘源：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C振蕩器 (溫漂為 177。 MMA7260 與 STC12C5A60S2 單片機的連接十分簡便 ， 根據(jù) MMA7260 的數(shù)據(jù)手冊可知 ， 只要在 7260 與單片機 AD 引腳間加阻容濾波器即可直接連接 ， 不需要其它有源元件。A，休眠模式下為 3181。 圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 顯示部分 設(shè)計采用三個 LED燈顯示所選的調(diào)節(jié)模式。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。本節(jié)主要講編寫程序方面的技巧。 C 語言一共只有 32 個關(guān)鍵字， 9 種控制語句，程序書寫形式自由，區(qū)分大小寫。 C 語言的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。另外C 語言具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動器。 允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作 由于 C 語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作，因此它既具有高級語言的功能，又 具有低級語言的許多功能，能夠像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統(tǒng)軟件。 （ 1） I/O 端口初始 化： 對部分端口進行引腳配置，設(shè)置 ， ,P1,2 為模擬輸入通道， , 為鍵盤端口， ， 為單片機脈沖輸出， ， 外接三個 LED 燈， ， 為脈沖方向控制輸出， 為復(fù)位。定時器溢出時產(chǎn)生中斷。 選擇模擬輸入通道 CHS2/CHS1/CHS0： 如 CHS2/ CHS1/CHS0 =111 ~ 000 可分別選擇 ~ 作為 ADC 的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入位 。 建議進入空閑模式前 ， 將 ADC 電源關(guān)閉 ， 啟動 A/D 轉(zhuǎn)換前一定要確認 A/D電源已打開 ， A/D 轉(zhuǎn)換完成后關(guān)閉 AD 電源可降低功耗 。 STC12C5A60S2 系列單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊使用的時鐘是外部晶體時鐘或內(nèi)部 R/C 振蕩器所產(chǎn)生的時鐘 ， 不使用時鐘分頻寄存器 CLK_DIV。 經(jīng)過 4 個時鐘延時 ， 正確讀到 ADC_CONTR 控制寄存器的值 。 ADRJ=0， 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果 ： 取 8 位 （ ADC_RES[7:0]） =256 Vin / Vcc； ADRJ=0， 模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換結(jié)果 ： 取 10 位ADC_RES[7:0],ADC_RESL[1:0]） =1024 Vin / Vcc； ADRJ=1， 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果 ：取 10 位 （ ADC_RES[1:0],ADC_RESL[7:0]） =1024 Vin / Vcc； Vin 為模擬輸入電壓 ， Vcc 為單片機實際工作電壓 ， 并作為模擬參考電壓 。判斷后，將數(shù)據(jù)存儲在 16 位數(shù)組變量中，存儲完后，重新開啟 A/D，跳出中斷，這樣反復(fù)采集 5 次之后，換端口地址。 對傳感器每個方 向上的數(shù)據(jù)采集 5 次，進行排序，然后去掉最大和最小的數(shù)值，中間三個數(shù)值取平均值。當(dāng)計時溢出，產(chǎn)生中斷，對端口進行一次采集。流程圖如下。當(dāng)縱向電機不驅(qū)動時，脈沖占空比設(shè)置為零。 PID 控制器 簡單易懂，使用中不需精確的 系統(tǒng)模型 等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和 智能控制 理論三個階段。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到 被控系統(tǒng) 上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID 控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator），其中 PID 控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。 PID 控制算法系統(tǒng)分類 開環(huán)控制系統(tǒng)（ openloop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）對控制器（ controller）的輸入沒有影響。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。 階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（ step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。 原理特點 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。兩種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程 經(jīng)驗公式 對控制器參數(shù)進行整定。此條應(yīng)該不屬于大的，抽象的 PID 控制理論的內(nèi)容了，而是 PID 理論的具體應(yīng)用。任何一種變頻器的參數(shù) P 都給出一個可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時， P 可按中間偏大值預(yù)置．或者暫時默認出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細調(diào)。因此， I 的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經(jīng)過比例增益 P 放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進行放大?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 中被廣泛采用。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “超前 ”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。 比例控制是一種最簡單的控制方式。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字來描述。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)（ closedloop control system）是指被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸入，形成一個或