【两轮自平衡小车的电路和程序设计案例分析2800字】

两轮自平衡小车的电路和程序设计案例分析1.1小车的整体电路框图两轮避障蓝牙遥控平衡小车的整体电路框图如图3-1所示。图3-1两轮避障蓝牙遥控平衡小车的整体电路框图两轮避障蓝牙遥控平衡小车的整体电路框图划分为以下几个模块：STM32C8T6单片机的最小系统：包括DSC处理器，程序下载调试接口等；蓝牙模块：接收手机蓝牙控制信号；蓝牙模块作为无线串口，手机蓝牙作为蓝牙主机。一系列ASCII码数据通过手机上位机软件发送到蓝牙模块，然后蓝牙模块通过串口发送到单片机。单片机接收到数据后，对数据进行处理，得到方向信息，控制汽车的加速、减速或转向。陀螺仪和加速度计：mpu6050内置三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计；超声波避障：检测前方时候有障碍物，有障碍物的话会停下；电机驱动：驱动两个电机运行功率电路；电源：电源电压转换，稳压，滤波电路；设置于调试：显示系统运行状态、速度设定、程序下载和监控。1.2单片机最小系统本次设计采用Stm32f103c8t6单片机最小系统。它是一种集成电路。程序存储器容量为64KB，所需电压为2V~1.6V，如图3-2所示。图3-2STM32F103C8T6系统的引脚图单片机最小系统一般由晶体振荡器电路、电源电路、复位电路和调试电路组成。电源电路由两部分组成。一种是电源电路，采用通用USB接口电路，输出5V电源。如图3-3所示。图3-3电源电路的原理图二是降压电路，USB的5V输入，然后输出为1.3V，使用了两种不同的电容。如图3-4所示。图3-4降压电路的原理图大电容与小电容并联的作用：小电容与大容量电解电容并联时，其作用是绕过频率较高的波动电压。由于铝电解电容器的制造工艺使其具有较大的等效电感，不能滤除高频分量，因此需要增加一个小电容。采用晶体振荡器电路为芯片提供时钟信号。示意图如图3-5所示。晶体振荡器的底部应尽量不通过其他分支，以防止信号串扰。图3-5晶振电路的原理图STM32处理器一共有三种复位形式，分别是系统复位、上电复位和备份区域复位，复位电路的原理图如图3-6所示。图3-6复位电路原理图去耦电容电路主要用于滤除杂波，保持管脚电压稳定。这些电容器也尽可能靠近芯片的相关引脚。它可以分布在芯片周围，如图3-7所示。图3-7去耦电容的原理图STM32f103c8t6是一款基于armCortex-M3内核的32位微控制器。采用lqfp48封装，St公司引进，属于STM32系列。程序存储容量64KB，RAM容量20KB，2个12位ADC共12路，37个通用I/O端口，4个16位定时器，2*IIC，2*SPI，3*USART，1*can，工作电压2V~1.6V，工作温度-40℃℃°约85岁°C。系统时钟最高可达72mhz，因此本次设计采用该芯片来设计该车。1.3小车单元电路的设计1.1.1陀螺仪和加速度计传感器电路本两轮平衡小车的设计中，陀螺仪和加速度计电路的主芯片采用的是mpu6050，MPU6050是一个性价比相对来说很好，而且很多很好的实现小车平衡的一个组件，它不仅仅只是一个陀螺仪，他还包含着一个加速度计，用于小车的负反馈机制，MPU6050的I2C还具有着9轴的运动输出，MPU的引脚图如图2-3所示。图2-3mpu6050引脚图所以综上所述，在我们实际上应用两轮自平衡小车的时候，在使用MPU6050我们只是需要去做倾斜角的角度解算，那么我们在接MPU6050的引脚的时候我们只需要使用I2C进行通信就可以了，并且MPU6050里面还内置了一个温度传感器，用于小车组件对温度的感受和变化，同时还存在一个内嵌的振荡器。Vcc接电源正极5V，不过一般模块上都带有1.3V稳压芯片，即接1.3V也可以。GND接地，SCL，SDA为I2c，其他的基本上不用接了。XCL，XDA是辅助I2c，用来接其他的器件的。AD0用来确定mpu6050的物理地址。Mpu6050包含着一个陀螺仪，陀螺仪传感器它始终能够同水平方向保持一致，所以我们在启动程序的时候一定要将陀螺仪初始化，这样的话就能够让陀螺仪去判断初始化之后的水平方向和后面进行方向调整的角度差，通过角度差陀螺仪就能够判断当时的姿态进行姿态检测，才能够给stm32处理器信号，告知处理器当时的角度变化，通过mpu6050产生16个原始位（16位ADC），然后通过算法得到四元数，四元数再通过算法变成欧拉角在给处理器处理数据发出当时的倾斜角角度的信号，使得电机转子转动保持两轮小车的平衡状态。Mpu6050包含一个加速度计传感器，加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。它采用的是压电效应的原理。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获取加速度值。Mpu6050之所以能够将倾斜角的角度转换成四元数等算法数据，是因为MPU6050中包含了一个数据处理模块，该数据处理模块就是DMP，DMP它的功能本身就是包含着卡尔曼滤波的算法，使得它能够在获得陀螺仪传感器和加速度计传感器的数据的同时，进行算法的转换，然后通过融合两顿输出的数据，处理之后通过算法转换输出四元数，MPU6050的系统结构整体框图如图3-8所示。图3-8MPU6050系统结构图我们从理论上就能够看出来，陀螺仪本身的计算就能够很好的保证了小车的平衡，因为从理论上来说我们只需要积分就能够保持两轮自平衡小车的直立稳定，但是在实际情况中，我们还会遇到数据上的误差以及电路上的噪音，或者实际上的摩擦力等等，所以这时候我们一定要使用加速度计进行负反馈调节，保证两轮自平衡小车能够很好地保持一个相对稳定的平衡状态。1.1.2电机驱动电路TB6612FNG电机驱动电路，他是具有相对来说比较大的电脑的一种桥结构，也是一个双通道电路来进行输出的，这个模块能够同时启动两个电机是一个相对比较性能强大，模块较小的电机驱动模块，在它启动的连续脉冲峰值电流还能够达到2A，如果是单脉冲的话能够达到1.2A的峰值；该电机驱动模块的引脚图如图3-9所示。图3-9电机驱动模块引脚图TB6612FNG的用法，双驱动，也就是可以驱动两个电机。STBY:接单片机的IO口，清零，电机全部停止。通过AIN1AIN2,BIN1,BIN2来控制正反转，VM接12V电源，VCC接5V电源，GND接地。1.1.3电源模块电路本次两轮自平衡小车的电源模块电路采用的是ASM1117，我们使用的该系列的电源电流稳压器是拥有可调整的版本和多种固定电压的模块版本，为了能够去保证电源模块的稳定性，在设计上用于去提供相对比较小的电流工作，大概是1A，并且工作的时候产生的压差会低到1V左右，在承受最大输出电流的时候，该电源模块的稳压器最小压差保证不能够超过1.3V，并且会随着负载电流的降低，稳压器的最小压差也在不断地降低，该电流稳压器模块的引脚图如图3-10所示。图3-10电源模块电路AMS1117引脚图1.1.4蓝牙模块电路BT-HC05蓝牙模块电路，它具有小型，快速链接等特性而深受大家的喜爱。本次设计上则是采用该蓝牙模块作为本次小车使用手机链接操作，它是一种蓝牙串口模块，也就是当蓝牙多媒体设备同蓝牙串口模块配对成功时候，建立起连接，就能够使用同通道进行数据的发送和接收BT-HC05的引脚图如图3-10所示，各个引脚为，RXD:接收端；TXD:发送端；VCC:模块供电正极(5V)；GND:模块供电负极；；EN:使能端,需要进入AT模式时接1.3V，MASTER主模式，SLAVE从模式。图3-10蓝牙模块1.1.5超声波模块电路本次得超声波模块采用Hc-sr04，通过IO口触发器触发测距，产生至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40KHz方波，检测是否有信号返回；有一个回波信号，通过端口的回波输出到IOa高电平，高电平持续时间是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平