【《两轮平衡车控制系统的硬件部分设计案例》3100字】

两轮平衡车控制系统的硬件部分设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u15655两轮平衡车控制系统的硬件部分设计案例 164561.1硬件系统的组成 1210661.2主要电路模块的说明介绍 196471.2.1电机驱动模块 1154551.2.2STM32主控模块 4244871.2.3MPU—6050（姿态检测模块） 5127931.2.4电源开关管理芯片 71.1硬件系统的组成小车系统硬件模块由主控系统以下几个模块组成：STM32主控制器，6轴控制模块（MPU-6050）、OLED模块，电机驱动模块，稳压模块等五个模块组成。其中稳压模块负责给所有的模块进行供电，其余模块均设计为最小系统，并为控制器提供相关数据并保持系统的动态平衡。如下表2-1所示表2-1硬件IO对照表单片机接口硬件PA4蓝色Led灯PB8、PB9IIC接口PB3、PB4、PB5、PA15Oled接口PA9、PA10CH340接口PA5按键主要硬件模块接口在介绍模块时展示1.2主要电路模块的说明介绍本段将介绍小车使用的主要几个模块，并为他们提供一定的使用说明。1.2.1电机驱动模块LV8731模块是一个可以同时运行四个电机的驱动模块其电路图如图2-1所示，它可以很好的去控制工作的电流从而控制小车的速度，下面是该模块的一些使用说明。图2-1LV8731模块运行电流调节

拨码开关S4，S5，S6用来调节运行电流，拨码开关拨至ON表示1，反之表示0。当S4=0，S5=0，S6=1，设定工作电流为0.3A;当S4=0，S5=1，S6=0，设定工作电流为0.6A;当S4=0，S5=1，S6=1，设定工作电流为0.86A;当S4=1，S5=0，S6=0，设定工作电流为1.14A;当S4=1，S5=0，S6=1，设定工作电流为1.43A;当S4=1，S5=1，S6=0，设定工作电流为1.7A;当S4=1，S5=1，S6=1，设定工作电流为1.0A;拨码开关拨至ON表示1，反之表示0。保持电流调节拨码开关S1用来调节保持电流，当0.5秒内无步进脉冲输入时，自动降低流过电机电流，当步进脉冲再次到来，电机电流立即进入工作电流模式.S1=0保持电流为工作电流的50％S1=1保持电流为工作电流的20％拨码开关S1拨至1时为ON反之为OFF

拨码开关S2，和S3用来选择细分模式，共4种模式：细分选择S2=0，S3=0，1细分（整步）；S2=1，S3=0，2细分；S2=0，S3=1，4细分；S2=1，S3=1，16细分；码开关拨至ON表示1，反之表示0信号输入端口CP+：步进脉冲信号+极CP-：步进脉冲信号-极EN+：使能信号+极EN-：使能信号-极DIR-：方向控制信号-极DIR-：方向控制信号-极注意：使能信号与另外两个信号不相同，即使没有信号输入，使能驱动器也可以进入工作模式；一旦有信号输入，驱动器将马上进入休眠模式。上位机控制器的控制信号可以设置为高电平有效也可以设计为低电平有效。如果高电平有效时，所有控制信号的负极连在一起全部接地，反之就把所有控制信号的正极全部连在一起作为信号公共端。现在以集电极开路为例子，其接口电路示意图如图2-2、2-3所示：图2-2输入接口电路共阳极接法图2-3输入接口电路共阴极接法1.有6个输入端接口，有共阳或共阴两种接法

1.输入的脉冲电平正常为5V，如果是12V的电平就要串联一个1KΩ电阻，若是24V电平则需要串联一个1.4KΩ的电阻

3.CP有脉冲时电机转动，如果0.5秒内CP没有脉冲，则进入电流保持状态，当CP脉冲再次传来时，电机电流立即进入工作电流模式

4.DIR方向控制信号为高电平，电机在步进脉冲触发下正转，为低电平或悬空则为反转

5.电源范围为：8-32V

6.通电前要仔细检测1.2.2STM32主控模块主控模块采用的主控芯片是STM32F103C8T6，其该模块的最小系统如下图2-4所示，这款单片机属于M3内核，其最高工作频率为72MHZ，它能够完成收集信号，处理信号和发送信号等多种功能。它的计算速度比较快、范围广和使用的时间很长。官方提供具体的使用说明和库函数，网上有丰富的内容解答。具体的硬件发面有如下需求他均能满足。1.STM32具有12位的数模转换器，其电压转换空间为0到3.6v，其转换的时间仅为1us，它的最高的频率可以达到1MHZ，完全满足我们对于要采集电源电压的要求。不需要我们重新再去设计AD转换电路节省很多时间。1.STM32的主频高达72MHZ远高于51单片机，使得它的运算速度十分的快，且因为他是ARM架构所以它的功耗会较低，且ST公司提高了强大DMA功能，使得AD转换以及串口通信的时间大大下降。3.STM32具有多个通道，对于串口的寄存器存取操作不需要经运算单元，使得操作起来相对简单，且串口通信时不需要考虑CPU的时序问题。4.STM32提供了七个定时器，多个中断系统。并且提供了多种通信方式,如SPI，IIC等，且就有4个PWM脉冲技术。图2-4STMF103最小系统1.2.3MPU—6050（姿态检测模块）小车的平衡非常以为与小车的位置姿态，如果不知道位姿，那么平衡也就无从说起，所以说小车的位姿检测传感器时小车保持平衡的重要因素，也是小车设计过程中最重要的一个模块，本文实验中检测位姿就是检测到小车的倾角和小车的加速度。要使小车保持平衡小车的倾角至关重要，这也表示我们必须要选取对于倾角相对来说比较敏感的传感器。位姿检测需要用到两个传感器分别是陀螺仪和加速度计我们先来看看他们的设计原理及区别。加速度计：主要测的时以平面为X，Y轴水平向上为Z轴，其中Y轴与小车保持平行，但是随着小车的运动，其X轴和Z轴在不断地发生变化，但是我们始终可以读取到三个轴的加速度，而且我们已知小车平行时的角加速度，所以我们把问题转化为一个求斜坡角度的一个物理模型，而这个模型就是我们高中做了无数次的小球求角度问题，那么我们可以直接用它做为陀螺仪测量它的角加速度呢，我设计了这个物理模型其图形如图2-5所示设向下的加速度恒为g，其斜坡处加速度为g1那么其角度就有公式就有。图2-5斜坡物理模型g1=g*sin(α)（2-1）a=arcsin(g1/g)（2-2）这样虽然可以求得小车的倾角，但是因为它的角度在高速不停的发生变化所以，它的姿势在不停的抖动所以它的加速度也在抖动，那么实时处理需要很大的计算量而且数据也不好处理，对于小车保持平衡会有很大的不利之处，所以我认为还是需要用的陀螺仪来准确读取小车的倾角。陀螺仪是时刻测量物体角速度的传感器，即把陀螺仪放在水平面上小车经过一段时间运动后小车便与水平面产生了一定的角度θ我们采集它在运动到一定位置过程中的三次角速度数据分别命名为ω1、ω2、ω3+取它们的对应时间分别为t1、t2、t3。纳那么我就可以算出他在运动中总的倾角θ。即θ=ω1*t1+ω2*t2+ω3*t3·（2-3）那么我们就可以通过这个公式得到车身的倾角，但是我们通过数学公式可以很好的看到这个公式在不停的经行积分的过程而我们每一次读取的数据都是有着一定的误差的。所以随着不停的积分那么每个数据中的误差也在不停的进行积分从而导致系统的误差会越来越大，最后的结果表现为数据会有严重的失真行为，即我们只能够去取它短期的数据。刚刚介绍了两种传感器的原理和他们在测量角度时都有着各自的误差，所以我们在实验中就需要去考虑制作相关的算法取得的平衡。MPU-6050：在文献中我们发现MPU-6050完美的平衡了相关的算法，它是一个6轴的传感器，其电路图和原理图如图2-6、2-7所示，集成了陀螺仪和加速度计且精度和速度的表现相对都表现得比较优秀。许多电子电子设备都有着它的身影，如我们现在做的平衡小车，四轮无人机等，它由一个三轴MEMS陀螺仪，一个三轴MEMS加速度计和一个数字融合处理引擎组成，其数据通过I2C接口进行传输操作简单。它的数据传输能力最高可以到达400Khz且工作电压为1.6～3.3v之间都可以正常运行。图2-6MPU-6050实物图（左）图2-7MPU-6050电路图（右）1.2.4电源开关管理芯片我们选取的稳电源开关管理片为LM2596T其电路内部结构图和电路图如图2-8、2-9所示，LM2596系列是由德州仪器（TI）生产的标准为电流3A的输出降压开关型集成稳压芯片，它自己带有固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有十分完善的电路保护、电流限制、过热自动关断电路等。利用该器件只需要在使用极少的外围器件就可以构成非常高效的稳压电路。该芯片提供了工作状态下的外部控制引脚。其主要特性如