基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程设计(编辑修改稿)

基于arm的两轮自平衡车模型系统设计课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 5 系统方框图 主控电路 本设计的两轮自平衡小车采用 K60N512VM100 单片机为主控芯片。 Kiis k60 是基于ARM CortexM4 具有 超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。 主控及其外围电路如图6 所示 图 6 主控芯片 编码器电路 K60 主控芯片 电机驱动 加速度传感 器MMA7260 陀螺仪L3G4200 状态显示 7 K60N512VM100 芯片电源类引脚， BGA封装 22个， LQFP封装 27个，其中 BGA 封装 的芯片有五个引脚未使用（ A B C M5 和 L5）。 芯片使用多组电源引脚分别为内 部电压调节器、 I/O 引脚驱动、 A/D 转换电路等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器 等供电。 为了电源稳定， MCU 内部包含多组电源电路，同时给出多处电源引出脚，便于外 接滤波电容。 为了电源平衡， MCU 提供了内部相连的地 的多处引出脚，供电路设计使用 [5]。 K60系列 MCU具有 IEEE1588以太网、全速和高速 OTG、硬件解码能力和干预发现能力。 芯片从带有 256KBflash的 100引脚的 LQFP封装到 1MBflash的 256引脚的 MAPBGA封装，具有丰富的电路、通信、定时器和控制外围电路。 高容量的 K60系列带有一个可选择的单精度浮点处理单元、 NAND控制单元和 DRAM控制器。 这是一款非常稳定且有潜力的 ARM控制系列的微控制器 [3]。 电机驱动电路 本设计中使用直流有刷电机作为两轮自平衡车的驱 动电机，电机采用 H 桥驱动方式，使用脉宽调制方式调节电机两端电压有效值，达到调速的目的。 电机驱动电路采用 4 片BTS7970 搭载成两个 H 桥来驱动平衡车的两个电机，具有输出功率大，稳定性好，保护措施好等优点 [8]。 一个 H 桥电机驱动电路如图 7 所示。 图 7 电机驱动电路 编码器电路 为了使用闭环控制，我们在模型上附加了编码器。 和其他元件相比，选用编码器可以使电路更加完善，信号更加精确。 编码器功耗低，重量轻，抗冲击抗震动，精度高，寿命长，非常8 实用。 K60 自身具有正交解码功能，因此这里无需使用任何外围 计数辅助器件，只需要将接口连接到单片机上相应的接口即可 [3]，接口如图 8 所示。 图 8 编码器的接口部分电路 供电电路 可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 电源模块由若干相互独立的稳压电路模块组成。 这样做可以减少各模块之间的相互干扰，另外为了进一步减小单片机的5V 电源噪声，可以单独使用一个 5V 的稳压芯片，与其它接口电路分开 [7]。 整个系统需要3 种电源： (1) 电源，为驱动电机供电。 (2) 5V 电源，为 编码器 及相关外设供电。 (3) 电源，为 单片机、 陀螺仪及加速度计供电。 整个系统电源来源为 镍氢电池， 5V 电源由 LM2940 提供。 LM2940 是一种线性低压差三端稳压器件，其输出纹波较小，适合单片机供电。 电源采用 LM1117。 电机供电直接采用电池供电如 下 图所示。 图 9 5V 电源模块 9 图 10 电源模块 系统软件设计 编译环境概述 嵌入式软件开发有别于桌面软件开发的一个显著的特点，是它一般需要一个交叉编译和调试环境，即编辑和编译软件在通常的 PC 机上 进行，而编译好的软件需要通过写入工具下载到目标机上执行，如 MK60N512VMD100 的目标机上。 在开发过程中我们使用IAR Systems 公司的 IAR Embedded Workbench for ARM （简称 IAR环境）JLinkARMV8 仿真器。 Embedded Workbench for ARM 是 IAR Systems 公司为ARM 微处理器开发的一个集成开发环境。 比较其他的 ARM 开发环境， IAR 具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点 [2]。 IAR 中 包含一个全软件的模拟程序 (simulator)。 用户不需要任何硬件支持就可以模拟各种 ARM 内核、外部设备甚至中断的软件运行环境。 从中可以了解和评估 IAR 的功能和使用方法。 调试界面如图所示： 10 图 11 IAR 界面示意图 系统软件总体流程 系统软件总体流程如图 12 所示。 开 始系 统 初 始 化取 出 传 感 器 数 据传 感 器 互 补 滤 波 器P I D 调 节 器控 制 输 出 P W M 电 机 控 制 信 号定 时 1 m s。 是定 时 1 6 m s。 发 送 串 口 数 据是否否 图 12 系统软件总流程图 11 系统上电复位后便开始初始化各个功能模块，并启动了 1ms 定时，每 1ms 进行一次姿态估算和 PID 控制，即 1s 内系统进行了 1000 次姿态 调整。 同时为了前期调试已经查看数据，使用了主控的串口将程序中产生的数据如估算出的最终角度等，上传到电脑，以观察数据的特性，上传周期为 16ms。 系统初始化 系统初始化完成 Kiis K60 单片机的初始化设置，初始化程序流程图如图 13 所示。 开 始上 电 复 位中 断 系 统 初 始 化时 钟 系 统 初 始 化I/O引 脚 配 置IIC接 口 配 置串 口 配 置间 隔 定 时 器 配 置返 回 图 13 系统初始化流程图 PID控制器 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。 反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。 测量系统需要控制的变量，与期望值相比较，用这个误差纠 正调节控制系统的响应。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一 [6]。 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： 12        011 t D d e tu t K p e t e t d t TT d t   (式 1) 其中 Kp 为比例系数； 1T 为积分时间常数； DT 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。 由小车静止时其运动方程可得到系统输入输出传递函数：     21sHsgXs sl。