PAGE2二輪車自控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例綜述1.1單片機電路單片機具有微型計算機的屬性，是由一片半導體硅片集成了中央處理單元（CPU)、存儲器（RAM、RAM）、GPIO、定時器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線。單片機的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)三十余年，單片機相關(guān)技術(shù)也實現(xiàn)了多次突破性進展。對單片機的需求越來越大源自于智能化的產(chǎn)品越來越多。目前用于智能系統(tǒng)開發(fā)的單片機種類繁多，如STM、STC等，它們的操作位數(shù)、運算速度及內(nèi)部資源各有不同，需要根據(jù)不同的需求選擇不同型號的單片機并加以設(shè)計。STM32屬于一個微控制器，適用于控制類，自帶了各種常用通信接口，可接非常多的傳感器，可以控制很多的設(shè)備?，F(xiàn)實生活中，我們接觸到的很多電器產(chǎn)品都有STM32的身影，比如智能手環(huán)、微型四軸飛行器、移動POS機、3D打印機等等。故本次設(shè)計擬選擇STM32F103系列單片機。STM32單片機具有ARM內(nèi)核、運算速度高、函數(shù)代碼易移植、內(nèi)部資源豐富，還具備自帶的AD轉(zhuǎn)換器，功能相對于51單片機來說更加強大，滿足設(shè)計后續(xù)的接口、功耗等方面的需求，因此更加適合于本次設(shè)計。本設(shè)計選擇的單片機型號是STM32F103C8T6，是一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位的微控制器，采用LQFP48封裝，2個12bitADC合計12路通道，37個通用I/O口，4個16bit定時器，2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作電壓2V~3.6V，工作溫度為-40°C~85°C，系統(tǒng)時鐘最高可到72MHz。圖4–1STM32F103C8T6管腳圖1.2電源電路本設(shè)計主要采用了3.3V電壓作為電源進行供電為了保證電源電壓的穩(wěn)定，兩者都需要進行電容濾波。其中，3.3V電源電壓由AMS1117-3.3芯片產(chǎn)生。3.3V電源電路圖如下：圖4–23.3V電源電路圖1.3步進電機電路1.3.1步進電機及其驅(qū)動器的選擇本畢業(yè)設(shè)計的研究對象是平衡小車，需要利用電機驅(qū)動。電機常用的有直流電機、舵機、步進電機三類，三者原理、功能不盡相同，本設(shè)計擬選擇HJ-42混合式步進電機與A4988驅(qū)動模塊。42步進電機具有力矩大、自感電抗小、供電足、響應(yīng)快等優(yōu)勢，額定電流、電壓等參數(shù)符合此次設(shè)計的要求，因此選擇42步進電機。圖4–342步進電機實物圖A4988驅(qū)動模塊輸出阻抗低、功耗低、操作簡單、價格實惠，可調(diào)節(jié)驅(qū)動模式，具有可選擇的自動電流衰減模式，混合和慢速電流衰減模式，模塊上還有一個電位器，便于調(diào)節(jié)輸出電流。輸出電壓：Vref=Imax*Rcs*8輸出電流：Iref=Vref*2尤其是在3D打印以及數(shù)控機床領(lǐng)域，A4988十分常見。這里選擇的是16細分的A4988模塊，控制時更準確、更安靜。通過A4988控制步進電機時，還需要額外的電解電容以保護A4988控制板。注意在A4988模塊上安裝一個散熱片來保證必要的散熱，增大可通過的額定電流。圖4–4A4988引腳說明圖1.3.2步進電機驅(qū)動原理驅(qū)動模塊是介于驅(qū)動器與電機之間的一個模塊，通過控制器控制驅(qū)動板間接控制電機，本設(shè)計選擇A4988驅(qū)動模塊來控制42步進電機。此驅(qū)動過程需要額外的電解電容以保護A4988控制板。并且模塊上安裝一個散熱片來保證必要的散熱，使最大通過電流由1A增大至2A。通過MS1、MS2、MS3三個引腳調(diào)節(jié)A4988驅(qū)動模塊的驅(qū)動模式為全、半、1/4、1/8及1/16步進模式，本設(shè)計選擇十六細分，三個引腳全部上拉。通過A4988驅(qū)動模塊的引腳控制電機的步數(shù)與方向，STEP引腳為步數(shù)控制，控制電機的轉(zhuǎn)動速度、角度大小，接受控制器發(fā)來的脈沖信號，一次脈沖走一步（半步進就走半步，以此類推），通過控制脈沖的次數(shù)來控制電機的轉(zhuǎn)動角度，脈沖間距越短，轉(zhuǎn)速就越快。轉(zhuǎn)動角度=脈沖數(shù)*一步角度*步進模式參數(shù)DIR引腳為方向控制，低電平順時針方向轉(zhuǎn)動，高電平逆時針方向轉(zhuǎn)動。圖4–5步進電機電路圖1.4姿態(tài)解算電路1.1.1MPU6050模塊的選擇本設(shè)計需要捕獲小車實時的姿態(tài)信息，控制系統(tǒng)的角度，以實現(xiàn)小車的自平衡。為求姿態(tài)信息的完整，需獲取小車的角速度以及加速度。已知陀螺儀能輸出被測系統(tǒng)在某一方向上的角速度，通過對速率的積分處理得到系統(tǒng)的角度變化，但是陀螺儀極易被外界噪聲、溫度等因素所干擾，后者甚至會引起溫漂，從而產(chǎn)生較大的誤差。加速度計可以測量物體運動或者地球引力產(chǎn)生的加速度，然而，當系統(tǒng)以加速度運動時，該加速度就會在z軸方向產(chǎn)生一個分量，這個分量會疊加到重力加速度的分量上，進而也產(chǎn)生較大的誤差。綜上，單獨使用陀螺儀和加速度計都會對結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，此時擬選擇MPU6050陀螺儀。MPU6050免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，也減少了安裝空間。其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個第二IIC接口，可用于連接外部磁力傳感器，并自帶的數(shù)字運動處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可利用其硬件加速引擎，同時通過主IIC接口，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。以便更好更方便更精確地實現(xiàn)姿態(tài)解算，從而進一步降低了誤差，提高了設(shè)計的精度。圖4–6MPU6050基本特性圖4–7MPU6050模塊實物圖1.1.2四元互補濾波算法MPU6050陀螺儀由于制作工藝與棲見特性等原因，容易受到如振動、電磁干擾、溫度變化等各種外界因素的影響，導致原始數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、出現(xiàn)偏差等問題。如果不進行及時的過濾誤差，會使得輸出的小車實時姿態(tài)信息混亂，可信度降低。而互補濾波算法可以有效處理慣性器件的高低頻誤差，提高系統(tǒng)的精度與可信度，并且互補濾波器的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、計算量小，實際運用中十分實用。圖4–8四元互補濾波算法流程圖1.1.3PID算法PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)于上世紀30年代，對偏差進行比例、積分、微分的控制。具有算法簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)勢，只要設(shè)置不同的PID參數(shù)，就能適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場，且只要參數(shù)設(shè)置合理就能達到良好效果，精度可達0.1%，甚至更高。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有較大的不可控性，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。 PID由三個單元組成，分別為比例（P）單元、積分（I）單元、微分（D）單元。但在實際應(yīng)用中，并不是每次應(yīng)用都需要三個單元同時使用，可以單獨使用一個單元（微分單元不能單獨使用），也可以兩兩靈活組合使用。比例（P）控制可快速、及時、按比例調(diào)節(jié)偏差，提高控制靈敏度，但有靜差，控制精度低。積分（I）控制能消除偏差，提高控制精度、改善穩(wěn)態(tài)性能，但易引起震蕩，造成超調(diào)。微分（D）控制是一種超前控制，能調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度、減小超調(diào)量、提高穩(wěn)定性，但其時間常數(shù)過大會引入干擾、系統(tǒng)沖擊大，過小則調(diào)節(jié)周期長、效果不顯著。比例、積分、微分控制相互配合，合理選擇PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即比例系數(shù)KP、積分時間常數(shù)i和微分時間常數(shù)D，可迅速、準確、平穩(wěn)的消除偏差，達到良好的控制效果。位置閉環(huán)控制是根據(jù)編碼器的脈沖累加測量電機的位置信息，并與目標值進行比較，得到控制偏差，通過對偏差的比例、積分、微分進行控制，使偏差趨近于零的過程。位置式離散PID公式：速度閉環(huán)控制就是根據(jù)單位時間獲取的脈沖數(shù)測量電機的速度信息，并與目標值進行比較，得到控制偏差，然后通過對偏差的比例、積分、微分進行控制，使偏差趨向于零的過程。位置式離散PID公式:1.5藍牙控制電路1.5.1SPP-CA藍牙模塊的選擇SPP-CA藍牙模塊是專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，遵循V2.1+EDR藍牙規(guī)范支持UART接口、SPP（SerialPortProfile）藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能。圖4–9SPP-CA藍牙模塊實物圖1.5.