加速度传感器在汽车电子上的应用

1、加速度传感器在汽车电子上的应用南京晓庄学院 谢军 江苏南京211171摘要：本课题以汽车电子为背景，结合飞思卡尔C型车模双后轮驱动的特点，以STM32C8T6最小系统版为平台搭建硬件系统,通过加速度传感器检测到的倾斜角度，及时调整小车行驶速度，使小车能自动完成上下坡时的加速、减速。关键词：汽车电子； 加速度传感器； 倾斜角度绪论现在的汽车相较于以前的汽车来说，在性能上更加的智能化，而且人们在使用汽车的过程中会感到更加的轻便。因此，现在在制造汽车的过程中所面临的挑战就是增加传感器的需求量。本文是以汽车电子为背景，利用加速度传感器能够测量汽车在行驶过程中的倾斜角度以及加速度等信息，来实时反馈汽车的

2、动态信息，并调整行驶速度，满足人们的舒适性要求，保证驾车人的安全。1.系统总体设计1.1 系统组成直流电机 系统组成框图如图1-1所示：STM32C8T6最小系统版控制模块MPU6050电机驱动模块OLED显示模块稳压电源模块图1-1 系统组成框图1.2 系统工作原理本小车使用STM32C8T6最小系统版作为主控单元，当小车在平地（倾角范围-5+5）行驶时，PMW的值为1000，这时小车会以相对较慢的速度匀速行驶。上坡时，随着倾角范围不断增大（+6+80），PWM的值也会逐渐增加，电机的转速随之变快，当倾角达到最大值时（+80），PWM的值也达到峰值6000（可更改），为了保护车身不受损坏，倾

3、角大于+80，电机停止运转。下坡时，随着倾角范围不断增大（-6-80），PWM的值会逐渐减小，电机的转速随之变慢，当下坡倾角达到最大值时（-80），PWM的值也达到最小值800（可更改），为了保护车身不受损坏，倾角大于-80，电机停止运转。在这个过程中，可通过OLED液晶屏随时查看小车的运动状态，包括车身周围的温度，倾斜角度，PWM值和加速度等信息。2.硬件设计2.1 主控电路设计STM32C8T6最小系统版内有最新一代的嵌入式ARM处理器。因此，这种芯片构成的最小系统功能部件种类全，功能强。用STM32C8T6最小系统版时，只要将相关模块接上时钟电路和复位电路即可。如图2-1所示STM32C

4、8T6单片机最小系统。其应用特点：(1)有可供用户使用的大量I/O口线。(2)内部存储器容量有限。(3)应用系统开发具有特殊性。图2-1 STM32C8T6单片机最小系统2.2 电机驱动电路的设计 像直流电机这样大功率的外部器件，能耗大，对单片机的驱动能力有很高的要求，而往往单片机提供不了那么大的驱动能力，所以需要接驱动电路。电机驱动芯片的种类也有很多，在此次设计中，使用TB6612FNG作为电机驱动芯片。因为它的驱动能力强，能耗低，不易发热，抗干扰能力强，能够提供稳定的性能。TB6612FNG电机驱动芯片可以同时驱动两个直流电机，而且它反应快速，可以通过VCC引脚接电源后给芯片和电机供电。2

5、.3 倾角传感器电路三轴加速度传感器主要是对它所采集到的信号进行放大滤波，同时还可以检测环境温度等。MPU6050模块原理图如图2-3所示。图2-3 MPU6050模块原理图陀螺仪的输出信号放大了10倍左右，并将零点偏置电压调整到工作电源的一半（1.65V）左右。MPU6050它是一款6轴运动处理组件。它集成了陀螺仪和加速度计于一体的芯片，它极大程度上免除了独立使用的陀螺仪和加速度计在时间上的误差，而且减少了占用 PCB板的空间。3.软件设计简介本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由主程序模块、驱动模块、显示模块等四大部分组成，每一部分都针对相应的硬件电路。3.1 主程序模

6、块3.1.1 程序控制设计小车的程序控制系统是由主程序模块、电机驱动模块、MPU6050三轴加速度传感器驱动模块、OLED显示模块四大模块组成，编写程序，让各个模块组成的系统能够顺利运行，验证电路板的正确性。各个程序的功能不一样，其中PWM波产生子程序是利用单片机的定时器产生的占空比，进而控制电机的转速。电机控制子程序则是通过定义TB6612FNG的IN端口信号分别控制电机的起、停、前进。加、减速程序则是单片机检测P17端口信号当信号由高电平变为低电平时开始控制左右电机的转速，使小车转弯自动加速和减速。本次小车程序是利用C语言进行编程通过不同子模块的调用来实现小车自动加速和减速。3.1.2 主

7、程序流程图上电运行1ms中断启动车模速度控制中断服务程序完成车模初始化、速度、方向控制车模继续运行读取倾角设定开始速度控制车模匀速行驶发送监控数据是检测是否有倾角否图3-1系统主程序流程图首先小车进行上电，对单片机各个应用模块进行初始化，还有对程序中的变量进行初始化。接下来单片机控制小车开始前进，前进过程中单片机通加速度传感器模块不断检测小车与地面的倾角，并将检测到的相关数据传送给单片机。当检测到小车与地面存在的倾角在程序规定范围内，单片机控制电机驱动模块驱动电机完成小车的加速、减速，OLED显示实时数据，完成本设计的要求。3.2 主要控制函数说明3.2.1 角度计算函数本程序读取MPU605

8、0模块的AD采用数值，然后计算车模的倾角。对于读取的陀螺仪和加速度计的数值需要减去零偏值。在车模保持水平时，读出两个通道的数值，便是相应的零偏值。由于本函数调用的时间周期为5ms。详细程序请参见程序3-1代码：void AngleCalculate(void) float fDeltaValue;g_fGravityAngle = (VOLTAGE_GRAVITY - GRAVITY_OFFSET) g_fGyroscopeAngleSpeed = (VOLTAGE_GYRO - GYROSCOPE_OFFSET)fDeltaValue = (g_fGravityAngle - g_fCarA

9、ngle) GRAVITY_ADJUST_TIME_CONSTANT;g_fGyroscopeAngleIntegral += (g_fGyroscopeAngleSpeed + fDeltaValue) GYROSCOPE_ANGLE_SIGMA_FREQUENCY;程序3-2-1角度计算函数3.2.2 PWM输出设置函数最终电机驱动信号是通过单片机的PWM模块产生的。本函数计算两路电机的 PWM输出占空比，并设置 PWM 模块的寄存器。详细程序请参见程序3-2代码：void Xianfu_Pwm(void) int Amplitude1=7000; /=PWM满幅是7200 限制在7100

10、if(angle>=-1&&angle<=6) Moto1=Moto2=Amplitude1-5000; /平地行驶 if(angle>=-10&&angle<-1) Moto1=Moto2=Amplitude1-6000; /下坡 if(angle>=-20&&angle<-10) Moto1=Moto2=Amplitude1-6200;if(angle>=-40&&angle<-20) Moto1=Moto2=Amplitude1-6500; if(angle>-70&am

11、p;&angle<-40) Moto1=Moto2=Amplitude1-6700;if(angle>6&&angle<=15) Moto1=Moto2=Amplitude1-4500; /上坡 if(angle>15&&angle<=20) Moto1=Moto2=Amplitude1-4000;if(angle>20&&angle<=40) Moto1=Moto2=Amplitude1-3000;if(angle>40&&angle<70) Moto1=Moto2=

12、Amplitude1; 程序3-2-2 PWM输出函数结论此次设计是以STM32C8T6最小系统版为核心，以飞思卡尔C型车模为基础，自己设计制作车架，在结合MPU6050三轴加速度传感器、电机驱动模块、OLED显示模块等相关电路，通过最后的安装、调试等工作，完成智能小车硬件安装、软件调试，实现了智能小车能够自动完成加速、减速等功能。参考文献1 胡寿松. 自动控制原理（第五版）M. 北京:科学出版社, 20072 丹尼斯,克拉克等. 机器人设计与控制. 北京:科学出版社，20043 蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势J.南京化工大学报，2000，22（4）：73-794 肖南峰.智能机器人M.广州：华南理工大学出版社，2008.1:7-85 陈永真主编.全国大学生电子设计竞赛试题精解选M.北京：电子工业出版社，2007年6月6 高枫.基于ARM 的智能寻迹小车的设计与实现D.山西：中北大学 2012.67 黄智伟主编.全国大学生电子