基于PID控制的两轮自平衡小车设计附有程序

基于PID控制两轮自平衡小车设计微控制模块设计与分析传感器模块设计与分析显示器模块设计与分析微控制模块设计与分析传感器模块设计与分析显示器模块设计与分析按键模块设计与分析电源模块设计与分析错误！未定义书签。错误！未定义书签。.方案设计论证TOC\o"1-5"\h\z单片机的选择与论证3显示模块的选择与论证3按键模块的选择与论证4电机模块的选择与论证5.硬件设计5错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z.特色创新5.总结7参考文献8两轮自平衡小车设计摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。该系统的主要特点是方便，快捷，环保。关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器Abstract:WeuseKinetis_K60microprocessorcontrolwithmicrocontrollerasthecore,throughthePIDalgorithm,usinggyroscopes,cameras,accelerometers,encodersandLCDmonitorsandothercomponents,designedthetwo-wheeledself-balancingcontrolcartoachieveaself-balancingcar.Innovationismainlyreflectedinthesystemcanautomaticallytracking,real-timedisplayoftemperatureandspeedofthecarwiththesurroundingenvironment,sothatuserscanunderstandtheprevailingtemperatureandthespeedofthecar.Themainfeaturesofthesystemiseasy,fastandenvironmentallyfriendly.Keyword:Kinetis_K60microprocessorPIDalgorithmaccelerometers就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。.方案设计论证单片机的选择与论证方案一：凌阳公司的16位单片机。该单片机是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但凌阳公司的单片机编程规则与传统的单片机大不相同，并且IO口数量相对于其他单片机来说较少。方案二：ATME公司的AT89s52作为系统的控制器。AT89s52单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低，被各个领域广泛应用。但是51系列单片机RAMROW资源少，外围模块少，指令周期长。方案三：Kinetis_K60微处理器。Kinetis_K60微处理器，它具有144个I/O管脚，此处理器具有高速的处理速度和丰富的I/O管脚，可以作为整个小车的控制核心。经过综合考虑，我们选择方案三。显示模块的选择与论证方案一：采用LED数码管显示。LED数码管显示虽然具有亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；但是只能显示0〜9的数字和一些简单的字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。方案二：用12864液晶显示。其优点是能显示更多的字符，功耗低，体积小，且有着良好的人机界面，能够实时的反映出系统当前的状态。方案三:采用Nokia5110液晶显示。此液晶具备成本低的特点，但是由于屏幕本身大小的限制，显示的内容相对较少。比较以上三种方案，选择方案二，使用12864液晶作为显示界面。按键模块的选择与论证方案一：采用普通的电路开关设计电路。使用普通的电路开关来作为系统工作模式的选择键可以提高系统的硬件稳定性，而且对于开关位置的放置也没有要求，但是对于一个系统来说，如每一个步骤的进行都需要一个开关的话，就会提高控制部分设计的复杂性，同时占用单片机的多个IO□，造成资源的浪费。方案二：采用带有提示功能的3*4贴片式键盘设计电路。矩阵键盘的设计原理是为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连，而是通过一个按键相连接，这样在由N条水平线和M条垂直线最多可以有N*M个按键，大大的减少了对于芯片I/O的占用。通过对矩阵键盘的稳定性测试，发现具有很好的稳定性。经过比较，我们采用方案二不但设计简单，运行稳定，精度高，而且能够提示使用者进行相应地操作。传感器模块的选择与论证考虑如何使系统精确运行。这里我们要电机的停转精度等问题，为此我们考虑了以下几种传感器：方案一：采用光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。但是光电开光受光线的影响很大，在一个相对密封的系统中，光电开关不容易进行检测。方案二：采用行程开关。行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。行程开关的作用范围很广，不受限制，而且固定简单，原理简单。方案三：采用超声波传感器。超声波是利用像物体发送超声波，采集返回的信号，进而根据发送信号和接收信号的时间差来计算与对面物体的距离。但是通过资料了解到，超声波的工作状态很严格，对温度的要求很高，而且采集信号容易受到光线的影响。方案四：采用摄像头ov7620。而道路的获取则是采用OV762勰像头来采集，处理器把摄像头采集到的信息转换成二进制的数字信息，通过对颜色深浅的判断，转换成不同的二进制信息，再送给处理器处理。通过比较方案，我们选择了摄像头作为主要传感器。电机模块的选择与论证方案一：采用三相异步交流电动机。三相异步交流发电机的工作原理是直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。三相异步交流发电机的控制精确度很高，但是由于电机只能使用交流电，而且价格昂贵，我们决定使用直流电机。方案二：采用GW31ZY-24t流减速电机。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。24系列的电机，电机长，力矩大，齿轮减速箱长，转速慢，稳定性高。并且工作电压范围大，工作时电压稳定。很适合做办公桌的动力系统。方案三：采用freescale官方提供的直流电机。DC7.2RS-540马达，转速20000r/min,内装散热风扇，最大功率118W是车模完成竞赛任务的有力保障。通过比较方案，我们选择了RS-540电机作为主要的的受控部件.硬件设计.控制模块本两轮平衡代步车采用的Kinetis_K60微处理器，它具有144个I/O管脚，此处理器具有高速的处理速度和丰富的I/O管脚，可以作为整个小车的控制核O.角度测量模块而小车的平衡则是利用陀螺仪与加速度传感器的融合来获得小车的与竖直方向的倾角，融合的的过程中是采用了卡尔曼滤波和中值滤波法来对AD采集到的数据进行滤波，使得数据形成的波形更加的平滑，使获得的信息更加的准确。

处理器把摄像头采集到的信息转换成二进制的数字信息，通过对颜色深浅的判断，转换成不同的二进制信息，再送给处理器处理。4.电机与速度测量模块速度的测量主要是用到光码盘进行测速,把测到的速度信息与原设定的速度进行比较,理器进行算法处理，和实时的反馈，利用经典的PID处理器把摄像头采集到的信息转换成二进制的数字信息，通过对颜色深浅的判断，转换成不同的二进制信息，再送给处理器处理。4.电机与速度测量模块速度的测量主要是用到光码盘进行测速,把测到的速度信息与原设定的速度进行比较,理器进行算法处理，和实时的反馈，利用经典的PID算法和对电机的闭环控制，使得电机有更快的响应速度把处理后的信息送给电机，小车的控制原理图如下所示：3.信息采集模块OV7620摄像头来驱动电机车模保持给定的倾角T+丫-加速度计车棋帧用给定量角速度3.电机驱动模块而电机驱动采用四片BTS7971芯片搭建而成的两个全桥电机驱动，它可以驱动两个电机的前进后退和转弯，使小车反应更加的灵敏，使小车适应一些复杂的地形，为人们提供了极大的方便，电流的最大可以达到43A,为小车提供充足的动力。.显示模块小车上装有温度传感器，可以测量当前环境下的温度，光码盘可以测量当前小车的速度，然后显示到12864的液晶屏幕上，反应给用户。3.总结经过两个多月的努力学习，“两轮子平衡小车”终于得以按时顺利的完成了。这次设计涉及的内容广，知识面大，做完之后自己在很多方面都有了进一步的了解与掌握，受益匪浅，当然在制作的过程中也遇到了很多困难，不过我们都一一克服了。在这个过程中我们深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。通过本次设计，使我初步掌握了工程设计的程序和方法，既丰富了自己的专业知识，又取得了一定的工作经验，为以后的走向工作岗位打下坚实的基础