基于飞思卡尔单片机的两轮车控制系统设计

时间:2022-03-17作者:佚名

1.前言

本文以飞思卡尔的小车模型为对象,设计了以飞思卡尔单片机MC9S12XS128为核心,自主循迹的两轮车自平衡控制系统。

实验证明该方案在摄像头导航的两轮车系统中具有准确、快速、稳定的自主寻迹效果。

2.系统设计与原理

本系统以飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128单片机为控制核心,主要由电源管理模块、路径检测模块、车速检测块、加速度检测模块、角速度检测模块、直流电机驱动模块、液晶显示模块、串口调试等功能模块构成。在电源管理模块为系统提供稳定电源的基础上,单片机把加速度和角速度检测模块获得的小车姿态信息、路径信息检测模块获得的小车前进方向信息、车速检测模块返回的车速信息通过PID算法控制直流电机驱动模块,以使得小车在保持直立的前提下快速地行驶。

液晶显示模块可以实时地显示系统相关参数,串口调试模块把接收到单片机的数据送往上位机,方便相关参数及波形的实时观察和调试。系统框图如图1所示。

3.系统硬件设计

3.1 主控制器模块

本系统的主控制器是飞思卡尔公司生产的16位MC9S12XS128单片机,它负责对智能车所采集到的信号进行处理并向各个功能模块发送控制信号。MC9S12XS128单片机最高总线频率可达40MHz,片内资源包括8KRAM、8K EEPROM和128K Flash,拥有4路8位或2路16位脉宽调制模块(PWM)、2个8路10位A/D转换器和带有16位计数器的8通道定时器、UART、PIT、I2C、FTM等外部接口模块。

3.2 电源管理模块

可靠的电源是系统稳定运行的前提。

本系统采用额定电压7 . 2 V 、额定容量2000mAh的镍镉电池作为动力 源。为减小电源纹波,获得更稳定的供电电压,本系统选用串联线性稳压芯片LM2940搭建5V稳压电路,并分别向主控制器模块、路径信息检测模块、车速检测模块、加速度检测模块、角速度检测模块、液晶显示模块和串模口调试模块供电,再经过AMS1117稳压到3.3V,向无线传输模块供电。直流电机驱动模块则直接由电池供电。系统电源管理模块框图如图2示。

3.3 路径信息检测模块

由C O M S摄像头和硬件二值化电路组成的路径信息检测模块通过检测跑道两边2.5cm宽的黑线来拟合赛道中心以实现路径信息检测。COMS摄像头是按固定分辨率以隔行扫描的方式采集图像上的点,并将这些点的灰度值通过图像传感芯片转换成模拟电压信号,然后采用二值化电路把此信号转换成数字信号,通过单片机I/O口采集获得赛道信息。硬件二值化检测电路如图3所示。

硬件二值化电路的工作原理是通过图像传感芯片获得的模拟信号经R1、R2限流后输出到三极管Q1,使三极管Q1始终处于不饱和放大状态。R3上的电流大小随此模拟信号的变化而成反比变化,从R3采样出来的电压信号即为通过图像传感芯片获得模拟信号的镜像信号,最后通过比较器输出表征赛道信息的数字信号。

3.4 车速及运动方向检测模块

为了实现系统的闭环控制,在车模运行过程中需要实时监控其速度。本系统在左右电机上各安装一个500线两相光电编码器。在固定周期内,利用单片机内部计数器测量由编码器返回的脉冲信号个数以获得车模的运动速度大小;由于编码器A、B两相相位差为90°,可通过比较A、B两相信号先后顺序来判断电机的正反转,便可知道小车的运动方向。

3.5 加速度检测模块

加速度计可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。本系统选用MMA7260作为加速度检测器件,MMA7260是一款低成本单芯片三轴高灵敏度加速度传感器,可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号,具有功耗低、工作范围宽等特点,并且具有4种不同的高灵敏度选择模式以适应不同的加速度的测量要求。

通过软件设置让加速度传感器采用800mV/g的工作模式,使MMA7260各轴信号输出灵敏度为800mv/g,这时信号不需要进行放大,可以直接送到单片机进行A/D转换。同时由于MMA7260采用了开关电容滤波器,会有时钟噪声产生,所以需要在传感器输出端采用RC滤波电路,以改善信号的质量。加速度传感器在受外界振动时易带来测量误差,并且测量误差的大小和传感器在车模上安装的高度成正比。为减小由于安装高度带来的测量误差,加速度传感器在小车上应尽可能安装得低一些,但是依然不能彻底消除由于小车振动带来的误差,因此需要角速度传感器的辅助来获得车模直立平衡控制所需要的倾角信息。

3.6 角速度检测模块

本系统选用陀螺仪ENC-03来测量物体在旋转时的角速度。陀螺仪的输出信号是相对灵敏轴的角速度,通过角速率对时间积分可得到围绕灵敏轴旋转过的角度值,即小车的倾斜角度。因为陀螺仪易受温度和震动等因素的影响而产生微小的漂移和偏差,经积分后形成累计误差,最终导致电路饱和,无法得到准确的角度信号。因此,本系统采用互补滤波算法把加速度传感器获得的角度信号与陀螺仪输出经积分后的角度进行融合,最后得到较准确的车模倾角信息。

3.7 直流电机驱动模块

车速控制单元采用脉宽调制技术( P W M ),加上P I D算法实现闭环控制。系统利用单片机输出PWM信号通过隔离芯片LM244来控制直流电机驱动芯片BTS7960,通过改变PWM波的占空比调节电机的转速,加上PID算法对电机转速进行闭环控制。直流电机驱动芯片BTS7960是大电流、半桥、低通态电阻的集成芯片,它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC.P沟道高边开关省去了电荷泵的需求从而减小了EMI.集成驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和欠压、过压、过温、过电流及短路保护的功能。采用BTS7960搭建的电机驱动电路如图4所示。

相关阅读

控制系统在景观照明中的应用

照明是一个系统工程,作为一个景观照明 设计师,在设计照明方案时,不仅要考虑光源灯具质量,光色,灯具的投射方向等,还要结合辅助工具,实现照明的节能。 1)用光色突出景观...
2022-07-15

LED显示屏的散热问题解决方法

LED 全彩显示屏灯壳散热依据功率大小及使用场所,会有不同的考量。 1、空气流体力学,利用灯壳外形,制造出对流空气,这是最低成本的加强散热方式。 2、导热塑料壳,在塑料外壳...
2022-07-15

森林公园夜景照明这样设计能够提高客流量

森林公园是一个天然的森林环境景观系统,它使城市中心线完美地融于天然森林之中,同时兼顾了短期与长期的结合,绿色生态与娱乐的结合。森林公园是市民的森林和休闲天堂。 森林...
2022-08-07
森林公园夜景照明这样设计能够提高客流量

明亮照明-网络部50公里徒步团建活动圆满落幕

2020年11月14日,在公司总经理荆总的带领下,郑州明亮照明工程有限公司网络部成员50公里徒步团建活动正式开始。 在徒步开始之初,公司贴心的为大家准备了水和食物补充体力,在进...
2022-09-21
明亮照明-网络部50公里徒步团建活动圆满落幕

节能环保做好景观照明

景观照明 中最重要的并且永远的话题就是节能环保,但是随着亮化与能源之间的问题激化,矛盾也越来越明显,所以景观照明应当得以控制它的表达方式,这点我们要推崇以及要重视。...
2022-07-15

热销商品

拷边机 包缝机内六角上针匙 开刀 上针内6角螺丝刀扳手 1.5 1.6

拷边机(包缝机)专用内六角上针匙及开刀工具,适用于精确调整机针位置与维护设备。配备1.5mm与1.6mm两种规格的内六角螺丝刀扳手,专为紧固或拆卸上针螺丝设计,确保机针安...
1.65

暗装开关插座面板单开双控一开五孔二三极USB快充肤感超薄家用4开

暗装开关插座面板,简约设计,完美融入家居环境。单开双控,轻松实现远程控制,方便实用。一开五孔,满足多种电器插孔需求;二三极USB快充,快速充电,高效便捷。超薄设计,节省空...
1.2

鸿雁开关插座面板旗舰店家用暗装墙壁86型一开带五孔多孔X86-1

鸿雁开关插座面板旗舰店推出的家用暗装墙壁86型一开带五孔多孔X86-1,是一款设计精良、功能齐全的家居电气产品。该产品采用86型标准面板尺寸,安装方便,适用于各种暗...
4.71

不锈钢加厚镊子维修工具夹子圆头弯头防滑带齿止血烧烤夹茶杯水草

不锈钢加厚镊子维修工具夹子圆头弯头防滑带齿止血烧烤夹茶杯水草 这款不锈钢加厚镊子维修工具夹子是设计用于各种专业场合的多功能工具。它拥有一个厚实的手柄,确...
0.8

三色变光led筒灯2.5寸3W5瓦开孔6 7.5 8公分家用客厅嵌入式天花灯

三色变光LED筒灯,2.5寸精巧设计,功率可选3W/5W,适用于开孔直径6.7–8公分的家用嵌入式安装。采用高亮LED光源,支持暖光、自然光、白光三色切换,满足不同场景氛围需求。...
7.2

网站栏目