基于飛思卡爾單片機的兩輪車(chē)控制系統設計

　　硬件二值化電路的工作原理是通過(guò)圖像傳感芯片獲得的模擬信號經(jīng)R1、R2限流后輸出到三極管Q1,使三極管Q1始終處于不飽和放大狀態(tài)。R3上的電流大小隨此模擬信號的變化而成反比變化，從R3采樣出來(lái)的電壓信號即為通過(guò)圖像傳感芯片獲得模擬信號的鏡像信號，最后通過(guò)比較器輸出表征賽道信息的數字信號。

　　3.4 車(chē)速及運動(dòng)方向檢測模塊

　　為了實(shí)現系統的閉環(huán)控制，在車(chē)模運行過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監控其速度。本系統在左右電機上各安裝一個(gè)500線(xiàn)兩相光電編碼器。在固定周期內，利用單片機內部計數器測量由編碼器返回的脈沖信號個(gè)數以獲得車(chē)模的運動(dòng)速度大??；由于編碼器A、B兩相相位差為90°，可通過(guò)比較A、B兩相信號先后順序來(lái)判斷電機的正反轉，便可知道小車(chē)的運動(dòng)方向。

　　3.5 加速度檢測模塊

　　加速度計可以測量由地球引力作用或者物體運動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。本系統選用MMA7260作為加速度檢測器件，MMA7260是一款低成本單芯片三軸高靈敏度加速度傳感器，可以同時(shí)輸出三個(gè)方向上的加速度模擬信號，具有功耗低、工作范圍寬等特點(diǎn)，并且具有4種不同的高靈敏度選擇模式以適應不同的加速度的測量要求。

　　通過(guò)軟件設置讓加速度傳感器采用800mV/g的工作模式，使MMA7260各軸信號輸出靈敏度為800mv/g,這時(shí)信號不需要進(jìn)行放大，可以直接送到單片機進(jìn)行A/D轉換。同時(shí)由于MMA7260采用了開(kāi)關(guān)電容濾波器，會(huì )有時(shí)鐘噪聲產(chǎn)生，所以需要在傳感器輸出端采用RC濾波電路，以改善信號的質(zhì)量。加速度傳感器在受外界振動(dòng)時(shí)易帶來(lái)測量誤差，并且測量誤差的大小和傳感器在車(chē)模上安裝的高度成正比。為減小由于安裝高度帶來(lái)的測量誤差，加速度傳感器在小車(chē)上應盡可能安裝得低一些，但是依然不能徹底消除由于小車(chē)振動(dòng)帶來(lái)的誤差，因此需要角速度傳感器的輔助來(lái)獲得車(chē)模直立平衡控制所需要的傾角信息。

　　3.6 角速度檢測模塊

　　本系統選用陀螺儀ENC-03來(lái)測量物體在旋轉時(shí)的角速度。陀螺儀的輸出信號是相對靈敏軸的角速度，通過(guò)角速率對時(shí)間積分可得到圍繞靈敏軸旋轉過(guò)的角度值，即小車(chē)的傾斜角度。因為陀螺儀易受溫度和震動(dòng)等因素的影響而產(chǎn)生微小的漂移和偏差，經(jīng)積分后形成累計誤差，最終導致電路飽和，無(wú)法得到準確的角度信號。因此，本系統采用互補濾波算法把加速度傳感器獲得的角度信號與陀螺儀輸出經(jīng)積分后的角度進(jìn)行融合，最后得到較準確的車(chē)模傾角信息。

　　3.7 直流電機驅動(dòng)模塊

　　車(chē)速控制單元采用脈寬調制技術(shù)（ P W M ），加上P I D算法實(shí)現閉環(huán)控制。系統利用單片機輸出PWM信號通過(guò)隔離芯片LM244來(lái)控制直流電機驅動(dòng)芯片BTS7960,通過(guò)改變PWM波的占空比調節電機的轉速，加上PID算法對電機轉速進(jìn)行閉環(huán)控制。直流電機驅動(dòng)芯片BTS7960是大電流、半橋、低通態(tài)電阻的集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅動(dòng)IC.P溝道高邊開(kāi)關(guān)省去了電荷泵的需求從而減小了EMI.集成驅動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節、死區時(shí)間產(chǎn)生和欠壓、過(guò)壓、過(guò)溫、過(guò)電流及短路保護的功能。采用BTS7960搭建的電機驅動(dòng)電路如圖4所示。

　　3.8 串口調試模塊

　　調試模塊用于建立良好的人機交互界面，便于對系統相關(guān)波形及參數的觀(guān)察和調試。本系統的調試模塊采用RS-232串口通信，其最遠傳輸距離可達到50英尺，最高傳輸速率是20Kbps.能做到雙向傳輸，全雙工通信。因為RS-232上傳輸的數字量采用負邏輯，只與地對稱(chēng)，所以與單片機連接時(shí)需要加入電平轉換芯片MAX232.

　　4.系統軟件設計

　　系統軟件使用C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，采用模塊化設計思想，以主程序為核心，設計了單片機初始化模塊、平衡控制模塊、速度控制模塊、轉向模塊、串口發(fā)送模塊、液晶顯示等模塊。

　　4.1 系統主函數

　　系統進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)主函數首先進(jìn)行系統初始化、發(fā)送系統相關(guān)參數到上位機、液晶顯示、讀取小車(chē)傾角參數等功能。初始化工作結束后便等待各個(gè)中斷函數的執行。主程序流程圖如圖5所示。

　　4.2 中斷函數