培训论文跷跷板平衡车.doc

电动车跷跷板摘要电动车跷跷板系统是一种通过控制电动车运动使跷跷板在有无配重条件下达到平衡状态的控制系统。它具有体积小、低功耗等优点。本系统硬件部分包括单片机控制模块、电源模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、无线通信模块。系统以 MSP430 单片机为控制核心,用塑料板做车架,通过红外对管检测循迹,以六轴倾角传感器来测量跷跷板的倾角,检测到的数据通过无线通信传给上位机,上位机对数据处理和分析后画出跷跷板倾角变化的 3D 效果图。微控制器微调电动车的运动使跷跷板达到平衡。软件部分应用 C 语言实现系统的基本功能,采用 LABVIEW 制作功能完整且精美的上位机界面。关键词:电动车跷跷板;MSP430; 倾角传感器-1- 1引言电动车跷跷板的平衡长期以来都是人们非常感兴趣的研究项目,电动车跷跷板设计所涉及的相关研究结论可应用于飞行器姿态控制、机器人平衡控制等方面。非线性信号处理、非线性信号控制、控制参数自动优化等技术也都在各类控制设计中有很大的应用。随着多领域对倾角检测的需要,各类型倾角传感器应运而生,本系统中就存在对跷跷板倾角变化的检测,故选择了适用的六轴倾角传感器测量。除此之外,对于非线性信号的处理与控制也是越来越多控制系统设计所必须面临的问题。本系统就是以此为背景,设计了通过微处理控制电动车运动使跷跷板在有无配重条件下达到平衡状态的控制系统,实现小车在规定时间内翘翘板上行驶,跷跷板仍保持平衡的功能。 2 方案论证与设计 总体方案与设计本系统包括单片机控制模块、电源模块、循迹模块、平衡检测模块、电机驱动模块、无线通信模块。系统以 MSP430 单片机为控制核心,用塑料板做车架, 通过红外对管检测黑线来引导电动车在跷跷板上运动以及寻找初步平衡点,采用 MPU6050 六轴倾角传感器来测量跷跷板的倾角,程序采用 PID 算法实现非线性信号的转换和控制。微处理器将 MPU605 0 传感器所采集的数据进行转化处理后, 输出 PWM 波来控制电机的运动使跷跷板达到平衡。同时,将检测到的数据通过无线通信传给上位机,上位机对数据处理和分析后画出跷跷板倾角变化的 3D 效果图。图1-1 为总体设计框图。图 1-1 总体框体图-2- 单片机模块方案选择与论证方案一:采用 51单片机作为电动车跷跷板系统的主控制芯片。51系列单片机功耗较高, 8位微型处理器运算速度慢,无硬件乘法器,片内资源少。但价格低廉,使用简单。方案二:采用 MSP430 单片机作为电动车跷跷板系统的主控制芯片。 MSP43 0 单片机是一款 16 位单片机,具有运算速度快,精度高,执行能力强,中断源多等优点。综上两种方法, MSP430 单片机比 51 单片机运算速度快,精度高,处理能力强,功耗低,同时大大降低了复杂度,整个系统的性价比也很高,我们选择方案二。 驱动模块方案比较与论证方案一:采用 THB6064H 驱动模块。 THB6064H 是一款专业的 PWM 斩波两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、 CMO S 功率放大等电路,配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。适合驱动 57、86型步进电机。方案二:采用以 L298N 为主芯片的驱动电路。 L298N 是 ST 公司生产的一种二相和四相电机的专用驱动器。 L298N 是可以承受高压大电流的双全桥式驱动器,输出电流大,功率大,可以同时控制两个电机,价格适中,是比较实用的电机驱动模块。综上两种方法, T HB6064H 驱动模块更适用于步进电机,而 L298N 对直流电机驱动方法操作简单,且价格低廉,符合系统对直流电机的驱动要求,故我们选择方案二。 平衡检测模块方案论证与比较方案一:采用水银开关探测跷跷板平衡度。跷板左偏水银开关电路导通,右偏水银开关断开电路不通,这样控制电动车在平衡点小角度来回摆动来使跷跷板动态平衡。方案二:采用 MPU6050 三轴加速度陀螺仪模块,把陀螺仪的数值传回来, 经过单片机的滤波,然后转化成角度来判断跷跷板的倾斜角度。 MPU6050 对于角度的采集精度高,易于操作。综上两种方法,水银开关探测跷跷板平衡度安装简单、成本低,但控制精度低,不易实现题目要求,而 MPU6050 三轴加速度陀螺仪模块体积小、精度高、采集速度快和操作代码简单,故我们选择方案二。-3- 3 硬件与软件设计的实现 硬件模块及电路分析 单片机控制模块设计基于 MSP430 单片机的主控电路, MSP430 是德州仪器开发的一种超低功耗微控制器, 16位的 CPU 集成寄存器和常数发生器,实现最大化的代码效率,运算速度快,精度高。在整个系统中由单片机控制电机的前进后退、正转反转、倾角传感器数据的采集,转化处理以及无