雙輪平衡車的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案小車機(jī)器人論文(文件)
【正文】 參 考 文 獻(xiàn)［1］ 邵貝貝．單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004［2］ 譚浩強(qiáng)．C 程序設(shè)計(jì)［M］.：清華大學(xué)出版社,2005 ［3］ 王效杰．基于變結(jié)構(gòu)控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2006 ［4］ 秦劍．兩輪平衡車的制作［J］.,01 ［5］ 李凡紅. 兩輪自平衡小車系統(tǒng)［D］.北京:北京交通大學(xué),2010 ［6］ 梁文宇,周惠興,［J］.,02［7］ sp2 原理圖與 PCB 設(shè)計(jì)［M］．北京:電子工業(yè)出版社,2007 ［8］ 馬潮．高檔 8 位單片機(jī) ATmega128 原理與開發(fā)應(yīng)用指南［M］. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006 ［9］ 朱世鴻．微機(jī)系統(tǒng)和接口應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006 ［10］ 沙占友,孟志永,王彥鵬．單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)［M］.：電子工業(yè)出版社，2006 [11] Jonathan Oxeramp。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分選用成熟的 MC33886 方案，輸出電流最大可以達(dá)到 5A，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī) PWM 調(diào)速，正反轉(zhuǎn)，制動(dòng)等實(shí)時(shí)控制功能。因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲得小車的姿態(tài)，以及如何控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。片上微調(diào)電壓最小參數(shù)可到參考電壓的 1%，可用做處理器電源，達(dá)到低壓工作和快速瞬態(tài)響應(yīng)要求。其主要用于以下三個(gè)方面：1. 采用穩(wěn)壓芯片 將電源電壓穩(wěn)壓到 5V 后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路、MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)編碼器電路和驅(qū)動(dòng)芯片供電。在 RS232C 的總線連接上采用最簡(jiǎn)單的三線連接模式，即連接 DB9 的 TXD、RXD 和 GND 三端，原理圖如圖 313 所示。如果去掉握手信號(hào)，最少使用 3 根線即可實(shí)現(xiàn)正常的串口通信。圖 312 DB9連接器引腳定義表 32 DB9連接器信號(hào)說(shuō)明 引腳號(hào)符號(hào)縮寫方向說(shuō)明1DCD輸入數(shù)據(jù)載波檢出2RXD輸入接受數(shù)據(jù)3TXD輸出發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好5GND信號(hào)地6DSR輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒7RTS輸出請(qǐng)求發(fā)送8CTS輸入允許發(fā)送9RI輸入振鈴提示 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性參數(shù)有帶 37KΩ 時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸出電平、輸出開路時(shí)接受器的輸出邏輯、輸入經(jīng) 300Ω 接地時(shí)接收器的輸出邏輯和驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率等。RS232C標(biāo)準(zhǔn)的全稱是 EIARS232C 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信的連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能以及傳輸過(guò)程都進(jìn)行了明確的規(guī)定，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 020kb/s范圍內(nèi)的通信。通過(guò)篩選選擇電機(jī)配套的 2342 型編碼器，模塊接線圖如圖 311 所示。編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。兩個(gè)無(wú)效輸入使 H 橋產(chǎn)生三態(tài)輸出（呈現(xiàn)高阻態(tài)）。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,選擇了 Freescale 的 MC33886 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,作為一個(gè)單片電路 H 橋,是理想的功率分流直流馬達(dá)和雙向推力電磁鐵控制器。同時(shí)為了提高電源的應(yīng)用效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 PWM 波形采用了單極性的驅(qū)動(dòng)方式。應(yīng)用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠標(biāo)，鍵盤，CCD 等輸入的裝置的互動(dòng)內(nèi)容，可以更簡(jiǎn)單地達(dá)成單人或多人游戲互動(dòng)。有了 bootloader 之后，可以通過(guò)串口或者 USB to Rs232 線更新固件。使用低價(jià)格的微處理控制器(ATMEGA128 或 ATmega328)。Arduino 可以使用開發(fā)完成的電子元件例如 Switch 或 sensors 或其他控制器、LED、步進(jìn)馬達(dá)或其他輸出裝置。C 可保存 100 年具有獨(dú)立鎖定為的可選 Boot 代碼段真正的同時(shí)讀寫操作（四）外設(shè)特點(diǎn)兩個(gè) 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較模式 一個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立預(yù)分頻器，比較模式，捕捉模式 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 6 個(gè) PWM 通道 8 通道 10 位 ADC 6 通道 10 位 ADC 可編程串行 USART 主/從 SPI 串行接口 面向字節(jié)的 2 線串行接口（飛利浦 I2C 兼容） 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 片內(nèi)模擬比較器 1中斷和喚醒引腳電平變化 （五）單片機(jī)的特殊功能上電復(fù)位和可編程欠壓檢測(cè) 內(nèi)部校準(zhǔn)振蕩器 外部和內(nèi)部中斷源 5 種睡眠模式：空閑模式，ADC 降噪，省電，待機(jī)，并延長(zhǎng)待機(jī)。通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令，具備 1MIPS / MHz 的高速運(yùn)行處理能力；圖 37 ATMEL328P模塊圖特點(diǎn)：（一）高性能，低功耗 Atmel174。AVR 的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 圖 34 起始和停止條件 姿態(tài)檢測(cè)模塊圖將 BMA180 和 ITG3205 通過(guò) I2C 總線連接至單片機(jī)，模塊完整原理如圖 35：圖 35 姿態(tài)檢測(cè)模塊原理圖 單片機(jī)控制單元模塊電路 控制原理本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，SDA 必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，SDA 的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變 。主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件。兩線――串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息。I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。 芯片 ITG3205 應(yīng)用介紹ITG3205 是世界第一個(gè)單芯片數(shù)字輸出 3 軸陀螺儀，廣泛應(yīng)用在游戲，3D 鼠標(biāo)，3D 遙控等領(lǐng)域。BMA180 將測(cè)量的結(jié)果轉(zhuǎn)換成 14 位的數(shù)字輸出，通過(guò) I2C 或 SPI 總線將 14位數(shù)據(jù)表示的測(cè)量結(jié)果發(fā)送出去。因此，對(duì)兩者的采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，用加速度傳感器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的特性，彌補(bǔ)陀螺儀的零點(diǎn)漂移及 A/D 采樣值單調(diào)性誤差積累增長(zhǎng)。對(duì)比兩者優(yōu)缺點(diǎn)如表 31 所示：表 31 加速度傳感器和陀螺儀優(yōu)缺點(diǎn)比較加速度計(jì)陀螺儀優(yōu)點(diǎn)無(wú)累積誤差，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定數(shù)據(jù)噪聲小，短時(shí)間內(nèi)誤差小 缺點(diǎn)1. 加速度計(jì)對(duì)震動(dòng)非常敏感，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及路面崎嶇等因素所產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)有很大的噪聲。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體出現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生加速度時(shí)，其內(nèi)部的電極位置發(fā)生變化，就會(huì)反映到電容值的變化（ΔC），該電容差值會(huì)傳送給一顆接口芯片（InteRFaceChip）并由其輸出電壓值。以電容式 3 軸加速度計(jì)的技術(shù)原理為例。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)也就是歲差運(yùn)動(dòng)。電源管理模塊：采用 9V 鋰電池直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩片 GM1117 電平轉(zhuǎn)換芯片輸出一路 電壓，一路 電壓驅(qū)動(dòng)單片機(jī)和姿態(tài)檢測(cè)芯片。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的資源以及查詢資料確定本次設(shè)計(jì)的方案為：姿態(tài)檢測(cè)模塊：采用 BMA180 加速度傳感器，ITG3205 三軸數(shù)字陀螺儀來(lái)獲取小車的姿態(tài)。（3） 定時(shí)器接口（2 路），測(cè)量?jī)蓚€(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要兩個(gè)定時(shí)器脈沖輸入端口。 總體方案設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)以上的分析，系統(tǒng)的輸入輸出包括：（1）AD 轉(zhuǎn)換接口（至少 4
公司管理相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1