毕业论文基于msp430f149单片机的两轮自平衡小车的设计与研究(编辑修改稿)

毕业论文基于msp430f149单片机的两轮自平衡小车的设计与研究(编辑修改稿)内容摘要：

w(t) = 1( 1 )tTmEK e ()ut （ 29） 式中， E 为电压； ()ut 为单位阶跃函数； 1T 为惯性环节时间常数； mK 为电机转速常数。 对不同的电压，电机的速度变化曲线如图 23所示。  eK IRUn泰山学院本科毕业论文（设计） 5 图 23 电机在不同电压下的速度 由图 23 可以看出，电机运动明显分为两个阶段： 第一个阶段是加速阶段；第二个阶段为恒速阶段。 其中，加速度阶段，电机带动小车后轮进行加速度运动，加速度近似和施加在电机上的电压成正比，加速阶段的时间长度取决于时间常数1T ，该常数由电机转动惯量、减速箱、小车的转动惯量决定；在恒速阶段，电机电动小车后轮进行恒速运行，运行速度与施加在电机上的电压成正比。 调整小车直立时间常数很小，此时电机基本上运行在加速度阶段。 由上一节式（ 25）计算所得到的加速度控制量 a 再乘以 一个比例系数，即为施加在电机上的控制电压，再有式（ 27）便可以计算出 。 从而由 MSP430F149 输出相应占空比  的 PWM 波形，这样便可以控制小车保持直立状态。 要使的电机能够快速稳定在给定速度，必须要克服外部的扰动，就要引入带有 PID 调节器的反馈控制。 式中， E 为电压； ()ut 为单位阶跃函数； 1T 为惯性环节时间常数； mK 为电机转速常数。 对不同的电压，电机的速度变化曲线如图 23所示 [2]。 W ( s )A S K+n ( s )U 图 24 直流电机反馈控制方框图 泰山学院本科毕业论文（设计） 6 图 中， ()Ws为直流电机的传递函数； ASK 为 PID 调节器； ()ns 为直流电输出的转速（ rad/s）； U 为给定的电压值。 在系统硬件设计时，需要把直流电机运行速度作为反馈量反馈到输入端。 由于数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点，因此，这里我们就引入光电编码器作为电机测速装置。 自平衡小车倾角的测量 在 节分析了自平衡小车直立控制的算法，通过测量小车的倾角和角速度控制小车车轮的加速的来消除小车的倾角。 因此小车的倾角以及角速度的测量成为控制小车直立的关键。 加速度传感计用于测量物体的线性加速度 [3]，加速度计的输出值与倾角呈非线性关系，随着倾角的增加而表现为正弦函数 变化。 因此对加速度计的输出进行反正弦函数处理，才能得到其倾角值。 测量数据噪声与宽带的平方根成正比，即噪声会随宽带的增加而增加。 noicsV = * wug B （ 210） 式中， wB 为传感器宽带（单位为 HZ），如果要得到精确的倾角值，宽带就需要设置的比较小，而这时速度加速计动态响应慢，不适合跟踪动态角度运动，如果期望快速的响应，又会 引入较大的噪声。 再加上其测量范围的限制，使得单独应用加速度计倾角并不合适，需要与其他传感器共同使用。 陀螺仪是用来测量角速度信号的，通过对角速度积分，便能得到角度值，陀螺仪本身极易受到噪声干扰，微机械陀螺仪不能承受较大的震动，同时由于温度变化、不稳定力矩等因素，陀螺仪会产生漂移误差，并会随着时间的推移而累加变大，通过积分会使得误差变得很大。 因此，不能单独使用陀螺仪作为测量角度器件，我们引入了减速传感器，辅助陀螺仪工作。 测量车模倾角和倾角加速度通过加速度传感器和陀螺仪共同实现，但是，在组合加速度传感器和陀螺 仪的时候就会出现轴间差的问题，这就增加了设定给予的影响与感测器的漂移。 所以我们就选用了 MPU6050。 MPU6050 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 轴泰山学院本科毕业论文（设计） 7 MEMS 加速计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（ Digital Motion Processor)，可用 I2C接口输出一个 9轴的信号。 MPU6050 对陀螺仪和加速度计分别用了三个 16 位的 ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。 为了精确耿总快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为 250， 500，  1000，  20xx176。 /秒（ dps），加速度计可测范围为 2， 4， 8，  16g。 增加的数字运动处理引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。 基本引脚图如图 25 所示。 图 25 MPU6050 输出三个方向的加速度模拟信号，三个方向的加速度模拟信号，如图 26所示。 图 26 输出三轴方向 通过卡尔曼滤波有效的补偿传感器漂移与测量噪声等因素对加速度计与陀螺泰山学院本科毕业论文（设计） 8 仪的影响，从而有效的将加速度计与陀螺仪信号融合。 从而能够 得到准确的倾角值，然后通过一些算法，就可以控制电机转速，从而控制自平衡小车的平衡状态。 总控制流程图 本系统结构的总控制流程图，如图 27所示。 陀 螺 仪加 速 度 计LK+M+A S K W ( s )N ( s )U ( s )θw图 27 系统总控制流程图 根据系统总流程图来设计自平衡小车的电路和程序来控制小车达到平衡状态。 3 自平衡小车硬件电路的设计 MSP430F149 单片机最小系统 单片机选择 TI 公司 MSP430F149，它体积小（ 64PIN TQFP），超低功耗，系统工作稳定，有强大的处理能力，并且丰富的片上 外围模块，使用起来非常的灵活，所以，很适合做一些较为复杂的控制系统。 自平衡小车单片机最小系统电路如图 31 所示。 所使用 F149 单片机的资源包括：  电机转速脉冲接口： a) TA1（ PIN14）：右侧电机光电码盘脉冲； b) TA2（ PIN15）：左侧电机光电码盘脉冲。  电机 PWM 驱动接口： a) PWM03（ PIN37,38,39,40）：电机驱动。  程序下载接口： a) （ PIN13）； 泰山学院本科毕业论文（设计） 9 b) TCK（ PIN56）； c) REST（ PIN57）； d) （ PIN22）。  串口监控接口： a) UTXT0（ PIN32）； b) URXT0（ PIN33）。  MPU6050 模块接口 a) SDA（ PIN20）； b) SCL（ PIN33）。 图 31 MSP430F149最小系统电路图 电机驱动电路 由于自平衡小车具有两个电机，因此需要两组电机驱动电路。 图 32选用了L298N 驱动芯片组成。