(完整版)学生研究计划(SRP)项目结题报告书

/“学生研究计划”(SRP)项目结题报告书项目编号：JY130513项目名称：单轴直立行走遥控车的研制起止时间：2013.042013.11学生姓名：欧志兴专业年级：2011级车辆工程 联系电话子信箱：493290676@指导教师：翟伟良填表日期：2013-11-18华南理工大学广州学院2013年11月18日项目名称单轴直立行走遥控车的研制所在学院汽车工程学院起止时间2013.3-2013.11项目性质□发明、设计□基础性研究■应用性研究□社会调研项目来源■自主立题□教师指导选题指导教师姓名职位/职称联系电话Email翟伟理工程师234598917@学生情况姓名是否作为毕业设计（论文）或相关（填是、相关）欧志兴否一、项目成果简介：（重点介绍特色及创新点，200字左右）特色：本设计是一台基于32位单片机控制的两轮直立行走的遥控车。通过角速度传感器与加速度传感配合，保持小车平衡；通过无线遥控模块控制小车前进、后退、左转、右转。该设计可填补了现在市场两轮直立行走平衡遥控车的空缺。创新点：1、通过使用LCD液晶屏幕可调节小车的站立、行驶速度，显示运行状态，采用MK10DN5127VLL10单片机作为小车的检测和控制的核心，稳定了硬件电路2、采用直立平衡模块（enc陀螺仪、加速度计7361）控制小车两轮直立行走3、使用PWM模拟控制小车的速度，从而实现自由控制电机的转速4、通过无线遥控模块控制小车前进、后退、左转、右转5、本次设计的两轮遥控小车，采用MK10DN5127VLL10单片机作为小车的检测和控制的核心，使硬件电路稳定，简单二、项目研究中使用的具体材料：（含参阅的书籍和论文目录，使用的检索目录）主控芯片一个（MK10DN5127VLL10）无线遥控模块一个直立平衡模块（enc陀螺仪、加速度计7361）液晶显示器（LCD1602）电机驱动模块小车底板、贴片电阻、LM2940和LM1117稳压芯片胆电容、电阻若干、三极管若干、电路板等参考文献：[1]李全利，仲伟峰，徐军.单片机原理及应用.清华大学出版社，2009。[2]王宜怀，吴瑾，蒋银珍.嵌入式系统原理与实践.电子工业出版社，2012。[3]谭浩强著．C程序设计．北京：清华大学出版社，2003。[4]范红刚，魏学海，任思璟.51单片机自学笔记.北京航天航空大学出版社，2009。[5]唐文初，邓宝清.汽车构造.华南理工大学出版社，2010。[6]邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法[M]．北京．清华大学出版社．2004。三、项目成果形式及数量：（需另行提供附件、电子版和模型演示光盘等）1.□文献资料综述（）份；2.□调查报告（）份；3.□研究论文（）份；4.□软件（1）份；5.□设计（）份；6.□硬件研制（1）份；7.□获得专利（）份；8.□心得体会（）份；9.□实物模型（1）份；10.□其他（）件，名称：附件清单：四、项目总结报告（以学术论文形式撰写，应包含项目实施过程中创新思维和创新实践方面收获，3000～4000字左右）：摘要 本设计基于MK10DN5127VLL10单片机设计的两轮直立遥控小车，根据题目的具体要求，采用enc陀螺仪和加速度计7361控制小车两轮直立，采用模拟PWM控制小车的速度，使用普通无线遥控模块实行无线控制，由LCD1602液晶屏幕显示各项功能。最后，小车的运行过程由单片机编程来实现。关键词：MK10DN5127VLL10，单轴两轮直立，遥控车，电机驱动模块，稳压绪论1.1引言当今的中国经济蓬勃发展，市场也呈现出多样化。但是，据了解，遥控车的类型虽然很多，但是单轴两轮直立遥控车基本上没有。而本次设计的遥控小车，就是填补这一空缺，具有很高的经济效益。本小车采用的是MK10DN5127VLL10单片机作为小车的检测和控制的核心；采用enc陀螺仪和加速度计7361控制小车两轮直立，开机3秒待系统稳定后，小车便会处于直立状态，此时便可开始遥控小车；使用PWM模拟控制小车的速度，从而实现自由控制电机的转速；采用LM1117稳压模块给系统板供电；通过使用LCD1602液晶屏幕显示小车运行状态，通过按键可调节小车的站立，行驶速度等。本设计结构简单，较容易实现，具有稳定性强、趣味性高，一定程度上满足那些热爱遥控，直立车的人群。1.2项目名称和要求 项目名称：单轴直立行走遥控车的研制项目要求：（1）陀螺仪、加速度计站立模块的应用（2）电机驱动芯片的应用（3）无线遥控模块的应用（4）编写程序及测试第二章系统方案的论证 单轴两轮直立小车的设计由上位机控制电路和主控制车电路组成，实现用无线遥控器控制小车的前进、后退、左转、右转，自由控制电机的转速，下面列出一种比较简单实用的方案。方案 遥控方面，目前采用一般的玩具车遥控器，利用单片机的普通IO口实现控制小车的前进、后退、左转、右转。电机调试采用PWM信号，如果采用定时器来产生PWM信号的话又需要占用一只定时器。站立模块采用enc陀螺仪、加速度计7361模块，该模块是采用陀螺仪的高速旋转的原理以及配合加速度计7361实现小车两轮平衡站立，由于一个陀螺仪不够稳定，所以这里采用两个陀螺仪，实现水平和竖直方向的控制。我们选取MK10DN5127VLL10作为主控制器，是因为该芯片功能强大，比较稳定，易于控制，而且本身自带四个触摸屏按键，一个稳压模块等。 主控制车电路采用MK10DN5127VLL10单片机为主控制器，enc陀螺仪、加速度计7361模块控制小车站立，CD4504芯片控制电机构成直流电机驱动，无线遥控模块控制小车。 站立模块MK10DN5127VLL10MK10DN5127VLL10无线遥控模块直流电机驱动↓主控制电路采用MK10DN5127VLL10单片机为主控制器，四个触摸式按键控制小车的各个状态，采用LM1117模块稳压给核心板供电，显示采用LCD1602液晶显示。MK10DN5127VLL10MK10DN5127VLL10按键LCD1602液晶屏稳压模块第三章元器件的选择3.1单片机的选择MK10DN5127VLL10/AD/PWM系列单片机是超核科技生产32位的单片机，具有功能多/高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码由KeiluVision4软件编写，方便、简洁。内部集成专用复位电路，稳压电路，电容式触摸按键，PWM，高速8、10、12位A/D转换以及诸多普通IO口等等，针对电机控制，强干扰场合。3.2站立模块的选择站立模块由enc陀螺仪、加速度计7361以及若干个电容、电阻等组成，该模块买回各个元器件，由自己焊接，经过反复的测试、调整，记录了大量的数据，最终选出了最稳定的数据。3.3电机驱动芯片选型电机驱动芯片选型选择的是MOS管，比较常见的是3脚封装的4905，内部包含3通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。4905芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。第四章电路设计4.1主控制车电路4.2单片机最小系统第五章硬件原理5.1电机驱动智能小车采用两轮驱动，单片机分别控制两个电机，选取电机驱动芯片4905，该芯片可驱动两路5-36v的直流电机或者一路四拍的步进电机。5.2电源电路由于小车驱动电源7.2v，而单片机正常工作电压为5v，无线模块的正常工作电压为3.3v，分别选用LM7805和UTC1117稳压芯片来提供电源。LM7805电路：UTC1117电路：5.3显示电路控制电路采用lcd1602作为显示屏幕5.5按键电路采用电容式触摸按键。第六章执行流程按键按下、启动系统按键按下、启动系统程序初始化程序初始化中断初始化锁相环初始化AD转换初始化定时器环初始化端口初始化PWM初始化中断初始化锁相环初始化AD转换初始化定时器环初始化端口初始化PWM初始化6秒延时待程序稳定6秒延时待程序稳定二力互补滤波计算车体倾角读取陀螺仪、加速度计、编码器脉冲值二力互补滤波计算车体倾角读取陀螺仪、加速度计、编码器脉冲值计算直立PWM值计算直立PWM值否小车站立模式是否接收到控制信号？否小车站立模式是否接收到控制信号？是是反馈给MCU反馈给MCU计算左右轮PWM值计算电机转速读取编码器脉冲计算左右轮PWM值计算电机转速读取编码器脉冲否发送信号给遥控器计算小车速度速度过快？否发送信号给遥控器计算小车速度速度过快？小车可向左、向右、向前、向后自由行驶小车可向左、向右、向前、向后自由行驶是停车保护是停车保护系统初始化遥控器流程图：系统初始化接收信号接收信号LCD实时显示速度LCD实时显示速度按下左按键按下后退按键按下前进按键按下右按键按下左按键按下后退按键按下前进按键按下右按键产生后退信号产生前进信号产生右转信号产生左转信号产生后退信号产生前进信号产生右转信号产生左转信号发送信号发送信号按下按键上电运行，系统首先进入各初始化程序，初始化就是把变量赋为默认值，把控件设为默认状态，把没准备的准备好，包括锁相环初始化、AD转换初始化、定时器初始化、PWM初始化、端口初始化和中断初始化。然后延时6s等待系统稳定，接着读取陀螺仪、加速度计初值。程序设定了1ms中断函数，把直立控制、方向控制和速度控制都放在期间同时进行。当按下按键产生中断时，则分别读取陀螺仪、加速度计的AD值以及编码器的脉冲个数，然后通过二力互补滤波来进行陀螺仪和加速度计数据融合滤波，用一下公式angle+=P_enc*enc_anglespeed*5*0.2+(1-P_enc)*(acc_angle-angle)求取车体倾角，使小车站立；开始循环接收遥控器发送过来的信号，MCU根据接收到的信号，使用公式PWM_speed=(int)(e_speed_PWM_old+e_speed_PWM_D*(float)time/20)计算速度PWM实现速度监控；控制小车的左转、右转、前进、后退。小车还利用编码器读回来的脉冲，通过换算，可显示当前的车速，使用的公式为：road+=pluse/45.0*0.05;speed=road/time。再把结果发送给遥控器。若编码器读回来的速度过快，为保护小车不被撞坏，则让小车的电机停止转动。待小车通电稳定后进入站立模式，则可使用遥控器操控小车。遥控器分为发射模块和接收模块，当按下按键时，发射模块发出一个对应的射频信号给小车，接收模块一直循环接收小车发送回来的信号，把信号结果显示在LCD上，实时显示车速。第七章部分程序代码#include"gpio.h"//函数名：GPIO_Init//功能：gpio初始化//说明：portio端口号PTA,PTB,PTC,PTD,PTE//index引脚号0-31,视芯片针脚数而定//dir输入输出控制0输入1输出//data当设置为输出功能时1输出高电平0输出低电平//当设置为输入功能时1上拉电阻0下拉电阻///////////////////////////////////voidGPIO_Init(GPIO_Type*port,intindex,intdir,intdata){ PORT_Type*p; switch((u32)port) { casePTA_BASE:p=PORTA;SIM->SCGC5|=SIM_SCGC5_PORTA_MASK;break;//开启PORTA口使能时钟，在设置前首先开启使能时钟参见k10手册268页， casePTB_BASE:p=PORTB;SIM->SCGC5|=SIM_SCGC5_PORTB_MASK;break; //开启PORTB口使能时钟 casePTC_BASE:p=PORTC;SIM->SCGC5|=SIM_SCGC5_PORTC_MASK;break; //开启PORTC口使能时钟 casePTD_BASE:p=PORTD;SIM->SCGC5|=SIM_SCGC5_PORTD_MASK;break; //开启PORTD口使能时钟 casePTE_BASE:p=PORTE;SIM->SCGC5|=SIM_SCGC5_PORTE_MASK;break; //开启PORTE口使能时钟 default:break; }p->PCR[index]&=~(PORT_PCR_MUX_MASK);p->PCR[index]|=PORT_PCR_MUX(1);//配置PORT口的MUX位为GPIO模式，参见k10手册238页 if(dir==1)//设置为输出口 { port->PDDR|=(1<<index); //配置PORTn口的第index引脚为输出，参见k10手册1484页 p->PCR[index]&=~(PORT_PCR_PE_MASK);//作为输出口时关闭该引脚的上下拉电阻功能，参见k10手册240页 if(data==1)//设置输出值，参见k10手册1482页 port->PDOR|=(1<<index);//端口输出值为1 else port->PDOR&=~(1<<index);//端口输出值为0 } else//设置为输入口 { port->PDDR&=~(1<<index);//配置PORTn口的第index引脚为输入，参见k10手册1484页 if(data==1)//上拉电阻，参见k10手册240页 p->PCR[index]|=PORT_PCR_PS_MASK; else //下拉电阻，参见k10手册240页 p->PCR[index]&=~(PORT_PCR_PS_MASK); p->PCR[index]|=PORT_PCR_PE_MASK; }}#include"wdog.h"//看门狗驱动文件//特别注意：看门狗的每一次设置需要间隔一个复位周期voidWDOG_Init(void){ WDOG->UNLOCK=(u16)0xC520u; WDOG->UNLOCK=(u16)0xD928u;//看门狗钥匙，参考k10手册504页。 //在这里大部分选择默认配置,时钟来源为busclock即48mhz WDOG->PRESC=(u16)0x0700u;//设置分频器，设置值为8，及不分频，参见手册506页 WDOG->TOVALH=(u16)0x0393u; WDOG->TOVALL=(u16)0x8700u;//设置超时时间值,暂定为10s，时钟频率为6mhz，参考k10手册502页。 WDOG->STCTRLH|=(u16)0x0001u;//开启看门狗，参考k10手册501页。}#include"led.h"//LED初始化voidLED_Init(void){ GPIO_Init(LED0_PORT,LED0_PIN,1,0); GPIO_Init(LED1_PORT,LED1_PIN,1,0);}实践收获：通过本次ARP项目的锻炼，增强了自己的动手操作，更让我们意识到了在实际上自身接受的理论电路知识十分缺陷，本以为焊接电路这些工作是非