基于单片机的智能小车的设计

摘要I

引言1

一、硬件系统设计2

（一）机械组成2

（二）工作原理3

（三）主控制芯片单元3

（四）姿态检测模块3

（五）电机及其驱动单元5

1.直流减速电机5

2.电机驱动及其电路5

3.电源模块电路5

4.蓝牙通信模块电路6

二、系统软件设计8

（一）系统软件的总体流程设计8

（二）电机驱动程序的设计11

1.电机驱动程序流程图11

2.电机驱动程序的设计12

（三）测距模块程序的设计13

1.测距模块流程图14

2.测距模块程序设计14

（四）显示模块程序的设计15

1.显示模块流程图15

2.显示程序设计16

三、系统调试19

结束语21

参考文献22

致谢23

引言

两轮自平衡小车的研究首先在欧美、日本等发达国家兴起，取得了不少突破。与国外的研究两轮自平衡小车相比较，我国无论在起步时间和研究产品性能方面都远远落后发达国家，但最近些年，也取得了不少成果。

2.重心的高度对小车运动和硬件设计，并没有多大的影响。但是传统轮式移动小车，虽然能够很平稳运行，但其受重心的影响大。为了使车身的重心低，只能降低小车的高度，从而导致水平截面积和质量的增大，造成其适应能力低，因此某些功能受到了限制。

鉴于这些特点，两轮自平衡小车有着相当广泛的应用前景。不仅在实际应用中有巨大的价值，而且在理论研究中也具有非凡的意义。随着社会发展以及人们日常需求的转变，自平衡小车在人们的生活中的实用性更强。

一、硬件系统设计

本设计的智能小车系统主要由硬件和软件两大块组成。本节将着重介绍硬件部分的设计，包括机械部分和控制系统。将主要从以下模块介绍：主控制芯片、无线蓝牙通信、电源、电机及其驱动、姿态检测模块等。双轮自平衡小车系统框图如图1-1所示。

对于实现小车的自平衡，机械结构的合理性和对称性是重要的一环。双轮自平衡车的机械结构设计主要包括支架、轮毂、连接杆的结构设计以及相应的固定装配方法。双轮自平衡多伦多的整体结构如图1-2所示。从倒立摆的角度可以看出，两轮自平衡小车是一个两轮驱动的倒立摆系统演化而来，可以看作是轮式倒立摆系统。

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图1-2 小车整体结构图

（二）工作原理

本设计的双轮自平衡运动小车主体结构由车轮和车身组成。有着两个轮子处于同轴的两个平行面上，两轮的结构形式，使其具有不稳定的特性，若不对其不施加任何外界作用力下，放置于水平面上直立的两轮自平衡小车将会向前或向后迅速倾倒，无法保持直立的状态。

车轮通过车轴与电机相连，平衡小车的直接动力由左右两个电机提供，电机旋转产生扭矩，驱动轮的旋转。如图1-3所示，倾斜车体时，电机会受到控制，产生相应的扭矩，调整电机的前后旋转，使两轮拖车向该方向倾斜,为了确保平衡的稳定动作，摆动身体保持垂直平衡。这是小车平衡的原理。

双轮自平衡小车控制的过程中检测环节是必不可少的，是否能够获取姿态信息，进而根据所获取的姿态信息快速的调整自身的平衡状态，是自平衡小车保持自身平衡的前提条件，小车系统的控制是否良好，检测模块能否取得高精度姿势倾斜是很大的决定因素，正确获取姿势信息是实现多伦多自身平衡的关键。为了满足实现托里的自我平衡的设计要求，需要使用具备良好性能、低误差、高精度及高速更新频率特性的姿势检测传感器，测量倾斜角。一般来说，惯性测量要素通常用于收集姿势信息。惯性测量要素不同的话，原理、功能、构造也不同。该设计使用MPU 6050传感器，SDA端口和SCL端口，与能够迅速准确发送数据信息的主控制芯片STM 32进行通信。由MPU 6050检测出的数据信息由内置的16位AD转换器转换后转换。位数字量将通过I2C总线接口发送到微处理器STM 32。MPU6050传感器的电路如图1-5所示。

直流减速电机是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱，其作用是提供较低的转速和较大的力矩，其特性恰好满足两轮自平衡小车的电机控制要求。本课题中的双轮自平衡小车的车轮旋转动力装置选用直流减速电机，如图1-6所示。

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图1-6 直流减速电机

2.电机驱动及其电路

在这个设计中，电机是由大电流MOSFET-H桥接结构的TB6612FNG装置驱动的。电路的输出通道是双通道，可以同时运行两个电机。具有高度的综合性和强大的输出容量。在能源消费方面有很好的优点。因此，被集成小型化的电机控制系统广泛使用。TB6612FNG是基于MOSFET的H网桥集成电路。电机驱动模块电路如图1-7所示。

3.电源模块电路

电力是整个系统运行的能量来源，每个模块提供不同的工作电压。开关式一体型电压调节器芯片LM 2596-5V和AMS 1117构成的电源电路。由L96选择的系统，固定输出5V可以将电压转化成5V给电流传感使用，用AMS1117电路降压到3.3V的电压给主控制芯片STM32、蓝牙模块及其它外围电路进行供电。电源转换电路如图1-8所示。

本设计串口透传模块采用HC-06型号的蓝牙，采用CSR主流蓝牙芯片，引出接口有VCC、GND、TXD 和 RXD等，供电电压和工作电路分别为5V和10mA，其中主控芯片STM32通过RXD、TXD 信号串口连接。利用HC-06的串口模块与Android手机配对成功后，就可以通过蓝牙实现STM32微处理器与手机端数据收发功能。模块内部具有蓝牙协议，保证了无线数据传输的准确性和可靠性。蓝牙模块电路如图1-9所示。

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图1-9 蓝牙模块电路

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图1-10 电气原理图

二、系统软件设计

我们在前一节详细分析了系统硬件设计，如果一个智能小车能正常运转，还需要软件系统的提供支持。本章将对双轮自平衡小车的软件设计进行详细的介绍，编写了系统初始化程序，并对各部分的程序设计进行调试检验是否达到设计要求。 

（一）系统软件的总体流程设计

本系统的程序主要由初始化程序、中断响应程序、车速检测程序等部分组成。系统启动后，系统初始化，等待定时中断（5ms时间）到来而执行中断程序，经过时间后，读取由MPU 6050传感器收集的角度和角速度的数据，使用卡尔曼过滤器算法然后控制姿势传感器。MPU 6050收集的姿势信息被融合以获得估计的最佳值。同样，编码器的脉冲数是通过中断获取的，以控制马达的速度和方向。由增量PID控制算法改变多伦多的角度、角速度和旋转速度,然后调整PID参数来变更PWM占空比。这样变更电机的速度，控制电机的速度和方向。主程序如下所示：

主程序：

#include "main.h"

#include "motor.h"

#include "exti.h"

#include "beep.h"

#include "key.h"

#include "led.h"

#include "usart.h"

#include "hcsr04.h"

#include "servo.h"

#include "usart3.h"

*/

extern u8 Tracing_Right;

extern u8 Tracing_Left;

extern u8 Flag;

void System_Init(void)

{

Stm32_Clock_Init(9);  //初始化系统时钟

delay_init(72);

uart_init(72,9600);//初始化延时

HCSR_04_TIM3_Init(0xFFFF,36-1);

MOTOR1_PWM_Init(1000-1,360-1);

MOTOR2_PWM_Init(1000-1,360-1);

uart3_init(72,9600);

Servo_Init();

EXTI_Init();

BEEP_Init();

KEY_Init();

LED_Init();

BEEP=0;

//关中断

EXTI->IMR&=~(1<<0);     

EXTI->IMR&=~(1<<4); 

}

int main(void)

{

u8 key=0,SROL,flag1=0,flag2=0,flag3=0;

System_Init();

Motor_Stop();

while(1)

{

key=KEY_Scan(0);

if(key==KEY_ERROR)

{

Motor_Stop();

BEEP_Mode2();

delay_ms(100);

}

//

else if(key==KEY0_PRES)

{

BEEP_Mode1();

EXTI->IMR|=1<<0;

EXTI->IMR|=1<<4;

//关蓝牙中断

USART3->CR1&=~(1<<5);  

delay_ms(2000);

flag1++;

while(1)

{

if(Tracing_Right==1)

{

Tracing_Left=0;

}

else if(Tracing_Left==1)

{

Tracing_Right=0;

}

else

{

Motor_Forward(LOW_SPEED);

}

REDLED=!REDLED;

}

    }

//

else if(key==KEY1_PRES)

{

BEEP_Mode1();

//关中断

EXTI->IMR&=~(1<<0);     

EXTI->IMR&=~(1<<4); 

//关蓝牙中断

USART3->CR1&=~(1<<5);  

Motor_Forward(LOW_SPEED);

while(1)

{

Servo_Run();

Motor_Forward(LOW_SPEED);

}

}

//蓝牙

else if(key==KEY2_PRES)

{

BEEP_Mode1();

//关中断

EXTI->IMR&=~(1<<0);     

EXTI->IMR&=~(1<<4); 

USART3->CR1|=1<<5;    //接收缓冲区非空中断使能

}

    }

}

（二）电机驱动程序的设计

1.电机驱动程序流程图

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图2-1 电机驱动程序流程图

电机驱动程序流程图如上图2-1，首先确认车的状态。如果黑线笔直，则调用直行子例程。也就是说，左右电机向前旋转。如果车辆偏离黑线左侧，请按照右边的子例程。左边的电机向前旋转，右边的电机相反。如果手推车向黑线右侧偏移，则将子程序向左调用。也就是说，左边的电机相反，右边的电机向前旋转。手推车完全偏离黑线时，后面的子例程，即双方的电机相反。如果多伦多到达终点，则调用停止子例程。也就是说，两个电机都不旋转。

图2-3为显示模块流程图，先是初始化LCD1602然后在液晶的第一行显示"Journey：cm"液晶第二列显示"Speed：mm/s "然后在主程序不断的调用显示程序刷新cm或者mm前面的数字。

2.显示程序设计

bit lcd_busy()   //判忙函数

{

bit result;

RS=0;

RW=1;

E=1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

result = (bit)(P0&0x80);

E=0;

return result;

}

void lcd_write_cmd(uchar cmd)   //液晶写指令

{

while(lcd_busy());

RS=0;

RW=0;

E=0;

_nop_();

_nop_();

P0=cmd;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

E=1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

E=0;

}

void lcd_write_dat(uchar dat)//液晶写数据指令

{

while(lcd_busy());

RS=1;

RW=0;

E=0;

P0=dat;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

E=1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

E=0;

}

void LCD_Init()///液晶初始化指令

{

delayXms(12);

lcd_write_cmd(0x38);  

delayXms(4);

lcd_write_cmd(0x0c);  

delayXms(4);

lcd_write_cmd(0x06);  

delayXms(4);

lcd_write_cmd(0x01);   

delayXms(4);

lcd_write_cmd(0x80);

   

for(i=0;i<16;i++) //液晶第一列显示"Journey：mm"

lcd_write_dat(display1[i]);

lcd_write_cmd(0x80+0x40);//液晶第二列显示"Speed：mm/s "

for(i=0;i<16;i++)

lcd_write_dat(display2[i]);

三、系统调试

系统调试是设计的最后一步，也是关键的一步。在调试时，我们要对整个设计流程进行回顾，需要我们保持清醒和耐心。同时也能发现仿真结果故障。程序的调试是一个模块一个模块地进行的，从最简单的程序开始，先画好单片机最小系统程序看单片机最小系统仿真电路是否连接正确了，是否后慢慢的调试和扩充。

在本设计过程中，我遇到以下几个问题：1.在检查电路时，我发现电路板中有个二极管焊接反了，如果通上电源，则会造成电路板烧坏的危险。在“Utilities选项卡”下把编程所使用的仿真器改为相应的类型即可。2. 碰到了调试器不能连接到STM32的问题。通过查阅资料发现每次退出调试状态时，先停止所有模块的运行。最后效果图如3-1，仿真图如3-2所示：