自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 基于單片機(jī)的兩輪平衡車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 課題名稱(chēng) 基于單片機(jī)的平衡車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要：用控制器MC9S12XS128，再結(jié)合陀螺儀ENC-03和三軸加速度計(jì)MMA7260芯片，設(shè)計(jì)了一種工作穩(wěn)定、體積小、運(yùn)動(dòng)均勻的平衡車(chē)。通過(guò)介紹平衡車(chē)的平衡原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計(jì)，講述了平衡車(chē)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。最后，通過(guò)系統(tǒng)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的合理性和可行性。 關(guān)鍵詞：雙輪平衡車(chē) MC9S12XS128 Module design 調(diào)試策略 ABSTRACT ABSTRACT：With MC9S12XS128 as t

2、he controller, combined with gyroscope ENC-03 and triaxial accelerometer MMA7260 chip, a two-wheel self-balancing vehicle with stable operation, small size and uniform motion was designed. By introducing the balancing principle, system structure, software and hardware design of the balancing car, th

3、e main points of the balancing car design are expounded. Finally, the rationality and feasibility of the design method are verified by system theoretical analysis and experiments. Key?words:A two-wheeled balanced vehicle MC9S12XS128 Debugging policy. 目錄 摘要

4、3 ABSTRACT 3 1緒論 3 1.1平衡車(chē)的研究背景 3 1.2平衡車(chē)的研究意義 3 2 課題任務(wù)與關(guān)鍵技術(shù) 3 2.1 主要任務(wù) 3 2.2關(guān)鍵技術(shù) 3 3. 控制原理分析 4 3.1控制系統(tǒng)任務(wù)分解 4 3.2控制原理 4 4. A/D模塊 5 4.1 A/D轉(zhuǎn)換原理 5 4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊功能結(jié)構(gòu) 5 4.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的編程步驟 6 5.PWM模塊 6 5.1PWM的主要特點(diǎn) 7 6. ECT模塊 7 6.2 PID控制算法 8 6.3 PID控制原理 8 6.4 PID參數(shù)的整定 9 7. 人機(jī)交互 10 7.1 LCD液

5、晶顯示 10 7.2 矩陣鍵盤(pán)按鍵識(shí)別 10 7.3 串口與上位機(jī)的通訊 11 7.4 雙輪平衡小車(chē)的系統(tǒng)調(diào)試 11 7.5 調(diào)試策略 11 7.6 監(jiān)控調(diào)試 12 7.8 無(wú)線調(diào)試 13 結(jié)論 15 致謝 16 附錄1：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)原理圖 19 附錄2：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)電路圖 20 附錄3：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)PCB圖 21 1緒論 1.1平衡車(chē)的研究背景 近21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人的研究不斷地進(jìn)步，成為目前機(jī)器人研究領(lǐng)域一個(gè)重要的部分，而且它的應(yīng)用領(lǐng)域特別廣泛，它的任務(wù)也很復(fù)雜，所以移動(dòng)機(jī)器人需要很高要求。比如，戶(hù)外的移動(dòng)機(jī)器人需要凹凸不平的路

6、面上行駛，有時(shí)候機(jī)器人需要在很窄的地方使用運(yùn)行。如何解決這類(lèi)問(wèn)題，已經(jīng)成了現(xiàn)實(shí)中所面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。 這個(gè)機(jī)器人與其他機(jī)器人相比，他是通過(guò)兩個(gè)輪子的形式采用兩輪共軸，各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，車(chē)身重心位于車(chē)輪軸上方，通過(guò)車(chē)輪的前后滾動(dòng)來(lái)控制車(chē)身的穩(wěn)定平衡，并且可以在直立條件下完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎。 1.2平衡車(chē)的研究意義 平衡車(chē)具有體積小巧，結(jié)構(gòu)特殊，靈活輕便，適應(yīng)變化環(huán)境地形強(qiáng)，適合在擁擠路面活動(dòng)，可以在一些復(fù)雜環(huán)境下工作運(yùn)動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)在人們經(jīng)濟(jì)水平的提高，平衡車(chē)逐漸的流行開(kāi)來(lái)。因此平衡車(chē)具有很好的研究意義。 2 課題任務(wù)與關(guān)鍵技術(shù) 2.1 主要任務(wù) 本文對(duì)平衡車(chē)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)

7、現(xiàn)了平衡車(chē)的自立控制和藍(lán)牙控制功能。主要采用的是單片機(jī)MC9S12XS128。使用不同的傳感器，相對(duì)設(shè)計(jì)電路，編寫(xiě)相應(yīng)編程，完成平衡。利用此系統(tǒng)加速度計(jì)和陀螺儀來(lái)取得車(chē)體的傾角和角速度，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)。通過(guò)編碼器獲取兩個(gè)輪子的速度消息。根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了速度和傾角的閉環(huán)控制。通過(guò)藍(lán)牙通信控制來(lái)添加，將一切輸出數(shù)據(jù)疊加到輸出驅(qū)動(dòng)芯片，最終使平衡車(chē)得到控制。 2.2關(guān)鍵技術(shù) 2.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 這個(gè)平衡車(chē)程序系統(tǒng)：車(chē)身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上使車(chē)身保持車(chē)身的重心穩(wěn)定；軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)車(chē)身的平衡。 2.2.2數(shù)字建模 模型的建立有助于平衡車(chē)控制器的設(shè)計(jì)，有

8、助于牛頓力學(xué)定律，有助于提高觀賞。 3. 控制原理分析 3.1控制系統(tǒng)任務(wù)分解 根據(jù)系統(tǒng)要求，小車(chē)只能在沒(méi)有外界干預(yù)的條件下依靠?jī)蓚€(gè)同軸車(chē)輪保持平衡，并且能夠使它向前進(jìn)，向后退，向左向右。相對(duì)于四輪的車(chē)子，控制系統(tǒng)的任務(wù)更加的復(fù)雜，為了能夠解決這個(gè)問(wèn)題，將復(fù)雜的問(wèn)題解剖成簡(jiǎn)單的問(wèn)題進(jìn)行商量。 (1) 控制小車(chē)站立:控制電機(jī)轉(zhuǎn)向保持小車(chē)的直立狀態(tài)。 (2) 控制小車(chē)車(chē)速:控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)車(chē)速控制。 (3) 控制小車(chē)轉(zhuǎn)向:控制電機(jī)轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。 3.2控制原理 圖3.1保持木棍治理反饋控制系統(tǒng) 平衡車(chē)的垂直位置是

9、通過(guò)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的，但與上圖相比相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，因?yàn)槠胶廛?chē)落在兩個(gè)輪子上，所以車(chē)身只可以在一個(gè)平面上保持傾斜。使車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，才能讓汽車(chē)在傾斜的狀態(tài)下能夠保持直立。 圖3.2通過(guò)車(chē)輪控制車(chē)子的平衡 4. A/D模塊 4.1 A/D轉(zhuǎn)換原理 模擬信號(hào)按序通過(guò)抽樣和保持（S/H ）電路和模擬轉(zhuǎn)換器（A/D ）后轉(zhuǎn)換為數(shù)字的format。抽樣和保持電路以均勻間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，并且在每個(gè)抽樣運(yùn)算后有充足的time保持抽樣值穩(wěn)定，來(lái)確保輸出值可以被A/D 轉(zhuǎn)換器精確的轉(zhuǎn)變。下一步是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將抽樣和保持電路的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出通常表

10、示為二進(jìn)制編碼的樣式[5]。 4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊功能結(jié)構(gòu) 課題所使用的兩個(gè)方塊是在MC9S12XS128中A/D轉(zhuǎn)換，每個(gè)方塊各有八種輸入通道。 它的功能結(jié)構(gòu)圖如下圖14所示，這個(gè)功能模塊被劃分成圖所示虛線隔離的三部分：IP總線接口、自定義模擬量，轉(zhuǎn)換模式控制。 IP總線接口的功能是；負(fù)責(zé)模塊與總線的連接，實(shí)現(xiàn)A/D模塊和通用I/O的分頻作用。 圖1.4 功能結(jié)構(gòu)框圖 4.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊的編程步驟 1.將ADPU設(shè)置為1以啟動(dòng)ATD。 2. 按照要求對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)目、掃描的方式、采樣time、時(shí)鐘的頻率及標(biāo)志

11、檢查等方式進(jìn)行設(shè)置； 3.發(fā)出啟動(dòng)命令； 5.PWM模塊 PWM調(diào)制波有八個(gè)輸出通道，每個(gè)通道可以獨(dú)立輸出。每個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖數(shù)）、一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)備用時(shí)鐘源。每個(gè)脈寬調(diào)制輸出通道都能調(diào)制占空比在0～100%之間的波形。 5.1PWM的主要特點(diǎn) 1、 它有8 個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過(guò)編程可控制其輸出波形的周期。 2、 每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器。 3、 每一個(gè)通道的PWM 輸出使能都可以由編程來(lái)控制。 4、 PWM 輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 5、 周期和脈寬可以被雙緩沖。當(dāng)通道關(guān)閉或PWM 計(jì)數(shù)器為0 時(shí)，改變周期和

12、脈寬才起作用。 6、 8 字節(jié)或16字節(jié)的通道協(xié)議。 7、 有 4 個(gè)時(shí)鐘源可供選擇（A、SA、B、SB），他們提供了一個(gè)寬范圍的時(shí)鐘頻率。 8、 通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)希望的時(shí)鐘周期。 9、 具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。 10、 每一個(gè)通道都可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)左對(duì)齊輸出還是居中對(duì)齊輸5.2PWM應(yīng)用及初始化 脈寬調(diào)制模塊有8個(gè)獨(dú)立的8位脈寬調(diào)制通道，可設(shè)置周期和占空比。每個(gè)通道都配有一個(gè)專(zhuān)用計(jì)數(shù)器。該模塊有四個(gè)時(shí)鐘源，分別控制8個(gè)信號(hào)。通過(guò)配置寄存器，可以設(shè)置脈寬調(diào)制的啟用、每個(gè)通道的工作脈沖極性、每個(gè)通道的輸出對(duì)準(zhǔn)、時(shí)鐘源和使用模式（8個(gè)8位通道或4個(gè)16位通道）。 在車(chē)輛模

13、型控制系統(tǒng)中，共有四個(gè)PWM輸出來(lái)控制電機(jī)。由于8位輸出精度能滿足應(yīng)用要求，采用一個(gè)PWM輸出控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，一個(gè)PWM輸出控制電機(jī)反制動(dòng)。因?yàn)閮蓚€(gè)電機(jī)需要四個(gè)PWM信號(hào)。其初始化的步驟總結(jié)為： 1、禁止PWM Disable PWM PWME=0 ； 2、選擇時(shí)鐘 Select clock (prescaler and scale) for the PWM PWMPRCLK ，PWMSCLA ，PWMSCLB ，PWMCLK； 3、選擇極性 Select polarity PWMPOL ； 4、選擇對(duì)齊模式 Select center or left al

14、igned mode PWMCAE ； 5、對(duì)占空比和周期編程Program duty cycle and period PWMDTYx，PWMPERx； 6、使能PWM 通道 Enable used PWM channels PWME MCU。 6. ECT模塊 ECT有8個(gè)IC/OC通道，4個(gè)8位或2個(gè)16位脈沖累加器（PAD通道，其OC部分與第6章中的TIM模塊相同，但I(xiàn)C和PAI部分與TIM模塊不同。四個(gè)IC通道類(lèi)似于TIM模塊，當(dāng)相關(guān)管腳計(jì)劃運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器的值由各自的捕獲寄存器TCN記錄；另外四個(gè)IC通道除了捕獲寄存器外，還用于記錄定時(shí)器的值。TCN，每個(gè)都有一

15、個(gè)緩沖區(qū)TCNH，稱(chēng)為保持寄存器，它可以連續(xù)兩次捕獲計(jì)時(shí)器的值，而不會(huì)中斷。四個(gè)8位PAL通道0-3與四個(gè)緩沖IC通道IC0-3相關(guān)聯(lián)，共享輸入引腳端口t0-3。每個(gè)脈沖累加器通道都有一個(gè)緩沖區(qū)PACNH，也稱(chēng)為保持寄存器，當(dāng)外部引腳上發(fā)生預(yù)定動(dòng)作時(shí)，它可以存儲(chǔ)其累積值。兩對(duì)8位脈沖累加器也可以通過(guò)級(jí)聯(lián)形成16位脈沖累加器PACA和PACB。 其運(yùn)行模式為： 停止：由于時(shí)鐘停止，計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器均關(guān)閉。 凍結(jié)：計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器均保持運(yùn)行，直到TSCR($06)的TSFRZ位被置1。 等待：計(jì)數(shù)器保持運(yùn)行，直到TSCR($06)的TSWAI位被置1。 正常：計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器均保持運(yùn)行，

16、直到TSCR($06)的TEN 位和MCCTL($26)的MCEN位被分別清0。 在本項(xiàng)目中，我們使用通道7輸出比較來(lái)產(chǎn)生脈沖周期，而通道6和4輸出比較來(lái)產(chǎn)生不同的脈寬波形。該方法產(chǎn)生的波形不僅可以改變周期，而且可以改變脈沖寬度。因此，測(cè)量輸入波形，同時(shí)生成輸出波形。波形的脈沖寬度可以從幾微秒到幾秒不等。 操作方式是通過(guò)一系列可設(shè)置讀寫(xiě)的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器擴(kuò)展端口功能，實(shí)現(xiàn)輸入捕獲和輸出波形生成兩個(gè)功能。在車(chē)輛模型控制系統(tǒng)中，ECT模塊主要用于檢測(cè)車(chē)速。利用輸入捕獲功能可以捕獲相鄰脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿之間的時(shí)間差，并且可以方便地計(jì)算車(chē)速并反饋給單片機(jī)。 6.2 PID控制算法

17、車(chē)體控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在經(jīng)過(guò)對(duì)傳感器信息的處理后，利用個(gè)陀螺儀和編碼器采集的信息來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出量，控制采用PID控制算法。 6.3 PID控制原理 PID（比例、積分和微分）控制是一種基于經(jīng)典控制理論的控制算法，它可以估計(jì)過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的信息。該P(yáng)ID控制策略具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將理想輸入和實(shí)際輸出的誤差信號(hào)發(fā)送給PID控制器，控制器分別計(jì)算誤差信號(hào)的比例（P）、積分（I）和微分（D），并對(duì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)。 圖1.5 單位反饋的PID控制原理框圖 比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)系統(tǒng)的偏差按比例作出反應(yīng)。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，

18、比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié)的主要功能是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。它的強(qiáng)度取決于積分時(shí)間常數(shù)的界限。微分環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有可預(yù)測(cè)性，能夠預(yù)測(cè)偏差變化的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生先進(jìn)的控制效果，在偏差形成之前通過(guò)微分調(diào)整消除了這種影響。 6.4 PID參數(shù)的整定 運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整Kp，Ti和Td三個(gè)比例系數(shù)，Kp為比例系數(shù)，Ti不為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，即參數(shù)整定。實(shí)際執(zhí)行中，用試湊法進(jìn)行參數(shù)整定[12]： 1、設(shè)置比例部分，比例系數(shù)由小變大，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到響應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)靜態(tài)誤差在允許范圍內(nèi)，響應(yīng)曲線滿足要求，則只需

19、要比例控制來(lái)確定比例系數(shù)。 2、在比例控制的基礎(chǔ)上，如果系統(tǒng)靜態(tài)誤差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則增加積分環(huán)節(jié)。首先將積分時(shí)間設(shè)為大值，并將第一步得到的比例系數(shù)略減（如減至原值的0.8）。在保持系統(tǒng)處于良好動(dòng)態(tài)狀態(tài)的同時(shí)，減少了積分時(shí)間，消除了靜態(tài)誤差。在這個(gè)過(guò)程中，可以根據(jù)原始值消除靜態(tài)誤差。響應(yīng)曲線反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以獲得滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。 3、如果采用比例積分控制消除了靜態(tài)誤差，但經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整后動(dòng)態(tài)過(guò)程仍不理想，則可以加入微分環(huán)節(jié)，形成比例、積分和微分控制器。在設(shè)定過(guò)程中，預(yù)微分時(shí)間為零，在第二步的基礎(chǔ)上增加微分時(shí)間。并對(duì)比例系數(shù)和微分時(shí)間進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，從而逐步獲得滿意的

20、調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 7. 人機(jī)交互 人機(jī)交互中需要對(duì)各串口的調(diào)試進(jìn)行編程，主要針對(duì)有數(shù)碼管顯示、矩陣鍵盤(pán)調(diào)試、上位機(jī)調(diào)試等。 7.1 LCD液晶顯示 為了更好地顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用液晶顯示屏作為系統(tǒng)的顯示模塊，是人機(jī)交互界面的重要組成部分。觀察率是汽車(chē)的開(kāi)啟重量。設(shè)計(jì)中選擇了較亮的LCD。型號(hào)為DM1260B，采用16個(gè)接頭，其中VSS Sister和Brother，VDD與5V電源連接，VO為L(zhǎng)CD比較調(diào)節(jié)端子，正電流連接。接地時(shí)光源對(duì)比度最低，對(duì)比度最高。對(duì)比度可通過(guò)20K電位計(jì)調(diào)節(jié)。rs是寄存器選擇。高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。當(dāng)RS和RW都是低電平

21、時(shí)，它們可以寫(xiě)指令或顯示地址。當(dāng)rs為低電平時(shí)，rw為高電平，可以讀取忙信號(hào)。當(dāng)rs為高位時(shí)，rw為低位時(shí)，可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。電子終端是啟用程序。當(dāng)電子終端從高電平跳轉(zhuǎn)到低電平時(shí)，LCD模塊執(zhí)行該命令。D0-D7是一條8位雙向數(shù)據(jù)線。數(shù)碼管顯示電路由兩個(gè)鎖存器74HC573通過(guò)共陰極實(shí)現(xiàn)，分別與端口A和端口B連接。 7.2 矩陣鍵盤(pán)按鍵識(shí)別 MC9S12XS128單片機(jī)的I/O口采用4*4行列式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)。通過(guò)程序掃描識(shí)別密鑰號(hào)。按鍵時(shí)，按鍵號(hào)顯示在LCD共陰極顯示屏上。電路如圖5.4所示。在鍵盤(pán)按鍵識(shí)別中，通常采用“行掃描法”（逐行或逐列）掃描查詢(xún)法。為了判斷鍵盤(pán)上是否有按鍵，將線pt0-pt

22、3設(shè)置為輸出，一條線設(shè)置為低電平，另三條線設(shè)置為高電平，然后檢測(cè)線的狀態(tài)。只要一條線的電平較低，鍵盤(pán)上的鍵就會(huì)被按下，而閉合鍵就是拉出來(lái)的低電平平行線與該行四條低電平線交叉的對(duì)應(yīng)鍵。如果所有的線路都被判定為高電平，則無(wú)鍵按下鍵盤(pán)。 然而，這種方法需要單片機(jī)連續(xù)掃描和查詢(xún)，才能準(zhǔn)確地檢測(cè)出鍵值。考慮到PP端口的中斷功能，可以將這四個(gè)端口設(shè)置為中斷模式，得到關(guān)鍵值。在這種設(shè)計(jì)中，四個(gè)位通過(guò)一個(gè)門(mén)通過(guò)中斷連接到管腳。當(dāng)按下任何鍵時(shí)，將發(fā)生低電平中斷。此時(shí)，單片機(jī)將再次進(jìn)行按鍵判斷，不必一直查詢(xún)，減少了單片機(jī)的負(fù)載。 圖1.6 矩陣鍵盤(pán)原理圖 7.3 串口與上位機(jī)的通

23、訊 矩陣車(chē)輛模型在運(yùn)行過(guò)程中有許多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是調(diào)試的基礎(chǔ)。如果用液晶顯示器來(lái)顯示，那是不現(xiàn)實(shí)的。由于單片機(jī)具有串行接口，并經(jīng)過(guò)MAX232級(jí)轉(zhuǎn)換，因此可以直接與計(jì)算機(jī)通信。 7.4 雙輪平衡小車(chē)的系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個(gè)部分。只有按照一定順序操作才能保證系統(tǒng)真正達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 7.5 調(diào)試策略 調(diào)試策略是保證軟硬件正常工作所不可缺少的方法，它包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。 7.5.3綜合調(diào)試 根據(jù)模型所附圖紙，建立車(chē)輛模型，加工PCB板，方便車(chē)輛安裝。在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩輪的配合有問(wèn)題。最后，汽車(chē)的最終安裝完成了。 7.6 監(jiān)控調(diào)試 為了保

24、證調(diào)試的順利進(jìn)行，一般需要配合上位機(jī)的串行口監(jiān)控程序，該程序可以實(shí)時(shí)、通過(guò)曲線或數(shù)字顯示顯示程序采集的各種數(shù)據(jù)，幫助確定一些不確定的參數(shù)，判斷程序錯(cuò)誤，加快程序調(diào)試的速度。并確定控制參數(shù)的最優(yōu)值。 監(jiān)控軟件功能包括： l 顯示車(chē)模實(shí)時(shí)返回的參數(shù)； l 設(shè)定車(chē)模各種運(yùn)行參數(shù)； l 具備Bootloader 下載車(chē)模程序。 圖1.9 監(jiān)控軟件界面 7.8 無(wú)線調(diào)試 7.8.1無(wú)限遙控開(kāi)關(guān) 車(chē)模在初期調(diào)試過(guò)程中容易不受控制。為了避免車(chē)模因碰撞而損壞，在車(chē)模上安裝一個(gè)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)，能夠及時(shí)停止車(chē)模運(yùn)行，避免車(chē)模因撞擊損壞。 無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)可以直接控制車(chē)模電機(jī)驅(qū)

25、動(dòng)電源，也可以給控制單片機(jī)一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，由單片機(jī)檢測(cè)該信號(hào)啟動(dòng)或停止運(yùn)行。如下圖20，為遙控開(kāi)關(guān)實(shí)物參照 圖2.0 遙控開(kāi)關(guān)實(shí)物參照 7.8.2無(wú)線通信模塊 無(wú)線通信模塊的應(yīng)用，便于對(duì)車(chē)輛模型的動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，可以動(dòng)態(tài)地改變車(chē)輛模型的各種運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。車(chē)輛模型的運(yùn)行狀態(tài)主要由控制參數(shù)決定。因此，車(chē)輛模型的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)都被定義為存儲(chǔ)在單片機(jī)閃存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每次修改都只會(huì)改變這些參數(shù)，從而加快了單片機(jī)的更新速度?？刂茀?shù)存儲(chǔ)54字節(jié)的控制參數(shù)。這些參數(shù)可以直接通過(guò)無(wú)線通信模塊下載到單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)，避免了繁瑣

26、的程序更新的過(guò)程[18]。 圖2.1 無(wú)線通信模塊進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控 結(jié)論 硬件的部分是用模塊化來(lái)設(shè)計(jì)的，主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊、電源管理模塊、測(cè)速編碼模塊和人機(jī)交互模塊組成。 軟件模塊是承擔(dān)硬件的部分，并依次對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)主要包括：A/D模塊、PWM模塊、ECT模塊、PID控制算法、人機(jī)交互控制等。 控制算法主要是速度控制。速度控制采用模糊控制設(shè)定速度，PID控制調(diào)節(jié)速度。通過(guò)PID控制的調(diào)整，使車(chē)輛的動(dòng)態(tài)性能良好，總體控制效果良好。采用分段比例控制，可以更好地實(shí)現(xiàn)平衡，移動(dòng)平衡也得到了一定程度的改善。 系統(tǒng)的調(diào)試主要圍繞硬件和軟件進(jìn)行。首先，從串行調(diào)試、監(jiān)控

27、調(diào)試、無(wú)線調(diào)試等方面闡述了系統(tǒng)的整個(gè)軟硬件調(diào)試策略。 由于時(shí)間限制，還有許多方面需要改進(jìn)。例如，考慮到轉(zhuǎn)向和反饋信號(hào)的閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向更精確；使用MOS晶體管驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以獲得更好的加速性能；由于設(shè)計(jì)的局限性，在路徑上不可能進(jìn)行電磁檢測(cè)和并行驅(qū)動(dòng)，因此如果增加了相應(yīng)的電磁傳感器和相關(guān)的路徑識(shí)別裝置，使自平衡車(chē)具有更好的機(jī)動(dòng)性。 致謝 經(jīng)歷了三個(gè)月的努力，我終于完成了這次畢業(yè)論文。在這次論文寫(xiě)作中，讓我學(xué)到了很多單片機(jī)有關(guān)的知識(shí)。從什么都不知道，開(kāi)始努力的學(xué)習(xí)和查找資料，讓自己有了更加清晰的思路。在論文指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)下，本設(shè)計(jì)才得以完成，十分感謝

28、蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院5年來(lái)對(duì)我的細(xì)心教育，特別感謝我的論文指導(dǎo)老師秦培亮，感謝老師的耐心督促讓我完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn) [1] 邵貝貝．單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004 [2] 劉克成．C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社,2007. [3] 王宜懷,曹金華．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基于飛思卡S12X微控制器［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011 [4] 孫同景．Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008 [5] 智能車(chē)比賽相關(guān)材料: [6] 第七屆飛思卡爾智能車(chē)競(jìng)賽官網(wǎng): [

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