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电动车跷跷板设计毕业设计论文
摘要
本方案以STM32F103RB单片机、直流电机驱动电路、MPU-6050、反射式红外传感器、稳压模块等电路构成。
小车采用前方的左中右三个反射式红外传感器，能沿着黑线在跷跷板上往返行驶，并始终保持在跷跷板上；同时，利用MPU-6050对小车当前所在位置的倾斜角进行测量。
小车控制程序主要对采集信号分析转换，结合PWM调速控制电机转速和转向，从而使小车快速在跷跷板上取得平衡；小车通过蜂鸣器来实现平衡指示以及实时显示，从而完成整个设计过程。
实验结果验证了该系统的性能满足设计要求。
关键词：
STM32F103RBMPU-6050反射式红外传感器PWM调速
Abstract
TheprogramstoSTM32F103RBmicrocontroller,DCmotordrivecircuit,MPU-6050,reflectiveinfraredsensor,voltageregulatormodulesandothercircuits.Carusedleft,rightinfrontofthreereflectiveinfraredsensorthatcantravelbackandforthalongtheblacklineonaseesaw,andkeeptheseesaw;Meanwhile,MPU-6050tiltangleofthetrolleycurrentlocationismeasured.Carcontrolprogramfocusesontheacquisitionsignalanalysisconversion,combinedwithPWMspeedcontrolmotorspeedanddirection,allowingthecartoquicklystrikeabalanceonaseesaw;trolleybuzzertoachievebalancethroughinstructionsandreal-timedisplay,thuscompletingtheentiredesignprocess.Experimentalresultsdemonstratetheperformancetomeetthedesignrequirementsofthesystem.
Keyword:
STM32F103RBMPU-6050PWMSpeed
Reflectiveinfraredsensor
目录
1系统方案1
1.1姿态检测模块的论证与选择1
1.2电机驱动模块的论证与选择1
1.3稳压模块的论证与选择1
1.4测量模块的论证与选择2
2系统理论分析与计算3
2.1PID控制器设计3
2.2基于卡尔曼滤波的数据融合3
3电路与程序设计4
3.1电路的设计4
3.1.1电路系统总体框图4
3.1.2电源系统电路4
3.1.3电机驱动模块电路原理图4
3.2程序的设计5
3.2.1程序流程图5
4测试方案与测试结果8
4.1测试方案8
4.2测试条件与仪器8
4.3测试结果及分析8
4.3.1测试结果（数据）8
4.3.2测试分析与结论9
5总结9
附录10
1.电路原理图10
2.元器件清单12
3.主要源程序13
1系统方案
本系统主要由姿态检测模块、电机驱动模块、测量模块、稳压模块、电源模块组成。
下面分别论证各个模块的选择。
1.1姿态检测模块的论证与选择
方案一：
ENC-03。
这是一款利用科里奥利力原理输出一个与角速度成正比的模拟电压信号的角速度传感器。
方案二：
MPU-6050。
MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。
它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。
MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。
方案一所用模块功能较单一，只是单独的陀螺仪。
方案二所用模块功能较多，不仅有陀螺仪功能，且有加速度计的功能。
且方案一所用模块较为精密，容易损坏，故选用方案二。
1.2电机驱动模块的论证与选择
方案一：
TB6612FNG。
TB6612FNG是一款新型直流电机驱动器，它具有集成度高、驱动能力强以及控制方式灵活等特点。
方案二：
L298N。
具有信号指示，转数可调，抗干扰能力强，具有过电压和过电流保护，可单独控制两台直流电机，可单独控制一台步进电机。
方案三：
ULN2003，ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。
最高接5V电压。
方案一所用电机体积小，重量小。
本实验要求小车自重不能过轻。
切方案一所用电机体内电子元件较为精密，易损坏，故不用方案一。
方案三所用电机电压范围太小，本实验要求电压要稳定在较高值，故不选用方案三。
所以选择方案二。
1.3稳压模块的论证与选择
方案一：
LM2596。
LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。
利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
方案二：
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
方案一所用稳压模块开关频率高，效率更高。
方案二所用稳压模块太过昂贵，性价比比方案一所用稳压模块低。
所以选用方案一。
1.4测量模块的论证与选择
方案一：
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到跷跷板上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在跷跷板和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，并且不能够稳定的工作。
因此我们考虑其他更加稳定的方案。
方案二：
用红外光电对管寻迹传感器。
现有的封装好的红外对管应用电路简单，工作稳定，再加上控制芯片的电压比器功能模块处理采集信号，容易实现题目要求。
方案一受光照影响很大，并且不能够稳定的工作，本实验要求测量模块能稳定工作，故不选用方案一。
方案二容易实现题目要求。
因此本系统选择方案二。
在平衡系统中，根据要求，只要跷跷板两端与地面的距离差小于40mm即可认为平衡，本设计通过倾角传感器检测跷跷板水平倾角，所以只要水平倾角保持在0°附近的某个角度范围之内即认为跷跷板达到平衡状态。
其闭环结构框图如图所示。
该系统的工作原理是:
小车驶上跷跷板后，通过倾角传感器不断测量跷跷板的倾角（即实际倾角），该实际倾角与给定倾角作比较，形成倾角偏差，通过直流电机控制小车前后微移，不断修正该倾角偏差，最终使倾角保持在给定范围之内，此时跷跷板便达到平衡状态。
2系统理论分析与计算
2.1PID控制器设计
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为：
其中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。
PID控制器具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强、对模型依赖少等特点，因此使用PID控制器实现两轮自平衡车的控制是完全可行的。
2.2基于卡尔曼滤波的数据融合
卡尔曼滤波器解决离散时间控制过程的一般方法，首先定义模型线性随机微分方程。
假设卡尔曼滤波模型k时刻真实状态是从（k-1）时刻推算出来，如下式
式中，是k时刻状态；A是k-1时刻状态变换模型；B是作用在控制器向量上的输入控制模型；是过程噪声，假设其均值为零，协方差矩阵符合多元正态分布：
～
k时刻对应真实状态的测量满足下式：
式2-17中是观测模型，将真实控制映射为观测空间；为观测噪声，其均值为零，协方差矩阵符合正态分布：
~
初始状态以及每一时刻的噪声都认为是互相独立的。
卡尔曼滤波器的操作主要包括两个阶段：
预估与更新。
在预估阶段，滤波器根据上一时刻状态，估算出当前时刻状态；在更新阶段，滤波器利用当前时刻观测值优化在预估阶段获得的测量值，以获得一个更准确的新估计值[11][12][13]。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1电路系统总体框图
3.1.2电源系统电路
3.1.3电机驱动模块电路原理图
3.2程序的设计
3.2.1程序流程图
1、主程序流程图
当小车复位时，开始运行主程序流程。
开始-调用平衡子程序-进入判断-是（否）-调用平衡指示子程序（回到上一步）-延时-电机运行向前-调用测量子程序-进入判断-是（否）-延时（回到上两步）-电机运行向后-结束
2、平衡子程序流程图
开始-平衡测量模块检测-进入判断-是（否）-调用电机驱动-电机正转（电机反转）-进入判断-是（否）-结束（回到第一步）
3、平衡指示子程序流程图
开始-平衡测量模块检测-进入判断-是（否）-调用计数器（回到上一步）-进入判断-是（否）-调用蜂鸣器（回到第一步）-结束
4、测量子程序流程图
开始-三组光线测量模块检测-进入判断-是（否）-调用电机驱动（回到上一步）-电机运行通过控制转速调整方向-进入判断-是（否）-结束（回到第一步）
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1.硬件测试
检测跷跷板的尺寸；
检测跷跷板的可用性；
检测小车线路连接状态；
2.运行测试
检测小车在跷跷板上面的运行情况；
检测小车对题目各项要求的完成度。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚接。
小车要能完成题目要求。
测试仪器：
测试跷跷板：
卷尺。
测试小车：
跷跷板（需检测合格），秒表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据）
硬件：
检查多次，硬件电路与系统原理图完全相同，硬件电路无虚接
以下为硬件检测数据：
跷跷板总体长度：
1600mm；
跷跷板总体宽度：
300mm；
跷跷板中心轴部分高度：
83mm；
小车整体宽度：
200mm；
小车整体长度：
300mm；
运行：
不加配重情况下
表1：
从A点到C点的时间测试
测试项目
第1次
第2次
第3次
第4次
A→C所用时间/s
15
12
12
9
表2：
平衡点测试
测试项目
第1次
第2次
第3次
第4次
寻找平衡点时间/s
30
40
24
20
d=∣dA-dB∣/mm
30.5
20.5
22.8
14.7
表3：
平衡点到B的时间测试
测试项目
第1次
第2次
第3次
第4次
平衡点→B所用时间/s
4
3
2
3
车头到B点的距离/mm
35
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