毕业设计（论文）-基于51单片机的两轮自平衡小车设计.docx

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1、基于51单片机的两轮自平衡小车设计DESIGN OF TWO-WHEEL SELF-BALANCINGVEHICLE BASED ON 51 SCM摘要两轮自平衡小车具有倒立摆系统的结构，具有本质不稳定、多变量、非线性、强耦合等特点，属于复杂系统的一种，同时结构简单，易于实现，且成本不高，因此是检验各种控制算法的理想平台。本文是以STC15F2K60s2单片机做为主控芯片，借助MPU6050姿态检测芯片及霍尔编码器测速模块获得小车运动状态信息，再由主控芯片对这些信息进行分析处理，得到电机驱动的PWM数据，输出给电机驱动芯片来对电机进行控制，以实现两轮自平衡小车的动态平衡。通过分析对比已有研究方

2、案，对小车的机械结构设计、主控芯片选择与电路设计、姿态检测芯片选择及电路设计、速度检测模块选择及电路设计、电机驱动芯片选择及电路设计等硬件方面做出合理的设计；在两轮自平衡小车控制算法中借鉴已有研究成果，将PID控制算法应用与小车的平衡控制及速度控制中，采用C语言作为本次设计中的软件编程语言，为系统编写相关的控制算法，使整体系统能够实现基本功能。关键词两轮自平衡小车；倒立摆；单片机；MPU6050； PIDAbstractTwo-wheel self-balancing vehicle having inverted pendulum structure, with unstable natur

3、e,multivariable, nonlinear, strong coupling and other characteristics, it is a complex system, but thestructure is simple, easy to implement, and the cost is not high, so the test is ideal platform forvarious control algorithms. This article is STC15F2K60S2 microcontroller as the main controlchip, w

4、ith the chip and the attitude detection MPU6050 Hall encoder speed module obtainvehicle movement state information, and then by the main chip of the information analysis andprocessing, data obtained motor drive PWM output to motor driver chip to control the motor inorder to achieve self-balancing ro

5、bot homeostasis. By analyzing and comparing the existingresearch programs, hardware, mechanical design of the car, the master chip selection and circuitdesign, selection and orientation-detecting chip circuit design, speed detection module selectionand circuit design, motor drive circuit design and

6、chip select to do a reasonable design; theself-balancing robot control algorithm reference research results, the balance control and PIDcontrol algorithm speed and car control, using C language as this design software programminglanguage for the system related to the preparation of the control algor

7、ithm, and the overallsystem to achieve the basic functions.Keywords Two-wheeled self balancing vehicle inverted pendulum SCM MPU6050PIDii摘要IAbstract II1绪论11.1 机器人的发展11.1.1 机器人介绍11.1.2 两轮自平衡小车介绍21.2 两轮自平衡小车研究背景及意义31.3 两轮自平衡小车研究内容 41.4 两轮自平衡小车研究方法技术路线42两轮自平衡小车总体方案设计62.1机械结构设计与比较62. 2控制系统设计与比较72.2.1主控芯

8、片选择与比较72. 2. 2姿态检测芯片选择与比较82. 2. 3速度检测模块选择与比较102. 2. 4驱动电机选择与比较 122. 2. 5电机驱动芯片选择与比较122. 2. 6电源模块设计153两轮自平衡小车硬件设计163.1系统总体设计163. 2机械结构设计163.2.1 电机与车轮固定 173.2.2 电机与车身固定183.2.3 测速模块分布与固定183.2.4 电池与电路板安装 183.3控制检测电路设计 191.1.1 1 STC15F2K60s2单片机系统设计 191.1.2 姿态检测模块设计191.1.3 速度检测模块设计201.1.4 电机驱动模块设计211.1.5

9、电源稳压模块设计 214两轮自平衡小车软件设计244. 1 STC15F2K60s2单片机内部时钟设置244.2软件部分总体框图254.3延时子程序设计284. 4姿态检测模块数据读取子程序设计284. 5速度检测模块数据读取子程序设计334.6小车平衡直立控制子程序设计334. 7小车速度控制模块子程序设计364. 8电机驱动子程序设计38结论41致谢42参考文献43II1绪论1.1 机器人的发展1.1.1 机器人介绍机器人是一种通过计算机控制，可以实现重复编程，功能强、灵活的操作机。一般情况下，机器人既能够按照人类命令或指令执行动作，又可以根据已设置好的代码程序执行动作，按照人类的意愿执行

10、相应动作。常见的机器人由以下五个部分构成：控制部分、动力机构、测量机构、执行机构及机械部分。各个部分之间有如下对应关系：由测量机构对四周进行检测并通过转换成可测有效信号发给控制部分，控制部分对测量信号判断处理后向动力机构发出相应驱动指令，动力机构按照驱动指令控制执行机构动作，最终完成了机器人相应的操作。现如今，随着科技的发展，工业制造越来越趋于自动化，越来越多的场合不再需要人们亲自操作。人们只需要给机器人下达命令，机器人自然会按照指令完成下达的任务。在中国，基本上将机器人分为两大类：工业机器人和特种机器人。研究制造机器人的最根本的目的就是帮助或代替人类完成工作，其应用场合很广，例如生产业、建筑

11、业，或是危险的工作场合。机器人已被频繁应用于军事领域、科研领域、生产领域以及日常生活等领域。基于倒立摆模型的机器人是一种重要的新式轮式机器人。基于倒立摆模型的机器人分为两大类，如图1-1所示，即独轮机器人和两轮机器人。由于倒立摆机器人的重心位于轮轴上方，因此倒立摆机器人本身是一个不稳定系统，故不同于传统机器人的运行方式，倒立摆机器人需要在维持自身平衡稳定的前提下才能够执行相应命令。虽然倒立摆机器人对控制系统的要求有所提高，但由于其自身的诸多优势，如体积小巧、能耗低、轻快灵活等特点，倒立摆机器人的研究热潮一直高涨。图1-1独轮机器人（左）和两轮机器人（右）1.1.2 两轮自平衡小车介绍两轮自平衡

12、小车是一种具有左右两轮同轴安装结构的自平衡机器人，对比于其他类型的机器人，其最显著的特点是具有自平衡能力，即要在不同状态下维持动态平衡。两轮自平衡小车作为一种新型轮式机器人，可实现载人或载物运动时车体的动态平衡。其具有适应性强、灵活便捷、绿色节能等优势，因此有着很广的应用场合，例如可作为载人行驶的代步工具、货物运输、侦测地形等。两轮自平衡小车的平衡理念源自于倒立摆模型，通过检测车体倾斜角度，根据“动态稳定”基本原理，控制左右电机使车身前进或后退,克服重心偏移现象，实现车体的动态平衡。图1-2为两轮自平衡小车的侧面模拟框图，车身可以绕电机轴心线为向前或向后转动，假设小车前进方向为X,电机轴线方向

13、为Y,垂直轴线方向为Z,并且X、Y、Z符合右手螺旋定则，与姿态检测模块的相关定义一致。如图所示，设定车身静止时Z轴与地面垂直，为90度，X、Y都在水平面中。这样可以极大的方便了姿态检测模块的测量。图1-2两轮自平衡小车侧面示意图在没有对小车控制时不论车体前倾或者后仰，两个车轮都是静止的状态，车体向前向后摆动与车轮的转动是分开的，即各自独立的。而当开始对小车控制时，车体在竖直位置状态下获释，两轮自平衡小车有三种运动方式，即静止、前进、后退。在合理有效的控制方式下，小车能维持自身的直立平衡。以下对这三种运动方式及对应的控制方式作简要描述：方式一：静止当车体质心在电机轴线的正上方时，则小车将继续保持

14、静止平衡的状态，而实际中我们知道，由于偏差的存在，小车不可能绝对静止，它其实是以一种微小的运动来维持着车体平衡，即动态平衡。方式二：前倾 当车体质心靠前时，车体便会向前倾，此时令电机正转以驱动车轮向前转，来实现小车的动态平衡。方式三：后仰当车体质心靠后时，车体便会向后仰，此时令电机反转以驱动车轮向后转，来实现小车的动态平衡。控制两轮自平衡小车直立平衡的核心思想是：当检测到倾斜角度与预定角度（一般为0度）不一致，即有偏差产生时，定义此时车体发生倾斜，并且根据偏差的正负来确定车体是前倾或后仰，进而根据测得的偏差产生一个对应的控制电机驱动两个车轮的PWM波,实时调整相应的转速，以保持小车自身的动态平

15、衡。当需要让两轮自平衡小车从静止前提下向某一方向运动时，较常见的控制方式是在向设定方向运行前先让小车向与设定方向相反的方向稍微动一下，这样便可以产生一个角度，这个角度就是自平衡小车在维持平衡状态下以一定速度运动时的预定角度。如图1-3所示：图1-3自平衡小车启动示意图本次的两轮平衡小车的设计，旨在实现在51单片机的控制下，两轮平衡小车能够自动调整姿态以实现动态平衡。1.2 两轮自平衡小车研究背景及意义现如今，世界各国的能源和环境面临着空前巨大的挑战。各国环境污染的报道数不胜数，而2015年出现在大众视野中最频繁的字眼“雾霾”，从原本晦涩的专业词汇，现在已经家喻户晓。雾霾产生的主要原因有工业生产排放的废气，燃煤排放的烟尘，机动车排放的尾气，以及建筑工地和道路交通产生的扬尘等。在我国京津冀主要城市，机动车尾气排放为最主要污染源。尾气排放对环境污染现象日益加重，影响范围日益扩大，给民众带来了无法计算的健康、工作和生活方面的损害，民众对尾气污染治理呼声越来越强烈。不仅如此，由于能源危机、碳排放标