单机片的双轮平衡车控制系统设计
本次课题研究了基于智单片机的双轮平衡车控制系统，通过单片机STC12C5A60S2最小系统结合单片机外围MPU6050加速度传感器、LM2596-5开关式稳压器、TB6612双电机驱动模块、以及GM25-370直流减速电机等器件构成的电路实现整个双轮控制系统的驱动。当启动系统后MPU6050加速度传感器开始检测双轮小车的平衡状态，并将采集的小车运行状态反馈给单片机，单片机接收信号后，主控制模块发出命令，驱动TB6612双电机模块来实现2个GM25-370直流减速电机的驱动，以此达到控制双轮小车前进或者后退的目的，利用PID平衡算法，对小车的速度倾斜角度平衡状态来进行检测，并通过单片机来控制电机来实现双轮小车自如平衡地运动。从当下智能机器人技术发展的角度来看，研究一款智能的双轮小车控制系统，对未来智能机器人的研究开发将起到促进和推动作用，对其技术的发展有益处。
目 录
一、 绪论 1
(一) 研究背景机器意义 1
（二）研究现状 1
（三）研究内容 2
二、系统方案设计 3
(一)总设计方案 3
(二)功能要求? 3
(三)单片机芯片 4
（四）LM25965.0开关式稳压器模块 5
(五)MPU6050三轴加速度模块 5
(六) TB6612电机驱动模块 6
三、硬件设计 7
(一)双轮平衡小车总电路设计框图 7
(二)单片机时钟电路 7
(三)单片机复位电路 8
(四)小车驱动电路设计 8
(五)指示系统电路 10
(六)MPU6050加速度传感器检测电路 11
四、软件设计 13
(一)主程序流程图 13
(二)PWM脉冲流程 14
(三)PID控制流程 14
五、系统调试 16
（一）软件仿真设计 16
（二）仿真调试设计 16
（三）实物制作 18
（四）系统调试 19
六、总结与展望 21
参考文献 22
致 谢 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
附录1原理图 24
附录2实物图 26
附录3源代码 27
绪论
研究背景机器意义
技术的不断进步，改变人们的生活水平，同时也改变了人们的生活方式。移动机器人的到来，更是丰富了人们的生活，增加了人们的眼界。目前，智能家居中，移动机器人越来越多，比如：移动式的拖地机器人，以及移动式的擦窗机器人，还有移动式的搬运机器人。移动机器人的到来减少了人力消耗，工作更加的有效率、加快了工作的进程，减少了一些人工去实现控制的危险性作业。随着时代的不断进步，机器人技术已经成为当下最热门的一个产业技术之一，为此，很多的世界上的学者、和科研专家一致致力于机器人的研究中，本次课题设计的是双轮平衡小车机器人，采用一个单片机主控制器，类似于人体的大脑，通过该主控制器来实现平衡小车机器人外部驱动电路、传感器检测电路的驱动，以此来实现小车的的可靠运行，保证双轮平衡机器人在倾斜运行中，能自我恢复平衡，这种控制方式以及智能的平衡小车，对电子通信的学生设计来说是一次设计的挑战，但同时也是自我学识的增加的一个契机，风雨之中才能见到彩虹，为此，研究平衡小车的控制系统，对未来智能机器人的发展和应用可以起到促进作用。
（二）研究现状
智能机器人这个设想，起源于外国，美国人首先提出机器人的构想，如何产业平衡系统实现机器热的可靠运行，并能将移动式的双轮机器人运用到生活中来解决生活中人力不能实现的工作面设计。在经过长时间的不断努力和科研者的研发下，美国研究出第一款智能的可移动式平衡机器人。在美国的影响下，许多国家开始走上了自主研发的道路，国内目前有关机器人的研究如下：
2012年，美国南卫理公会大学的 David P.Anderson独自一人研制出双轮移动机器人nBot，他的研究成果获得了美国国家航天局的认可和表扬。机器人结构nBot复杂且体积较大，其主要设计思想是：在机器人上半部分倾斜时，驱动电机让其向倾斜方向转动，使倾斜的上半部分恢复到直立状态，即机器人恢复平衡状态。nBot的重心的倾斜程度通过倾角传感器来测量，位置信息由车轮上安装的编码器获取，通过这两种传感器构成反馈控制。机器人nBot利用了模糊控制方法来完成自平衡运行，它与机器人Joe具有共同的特点，都可以实现直立运行，但不能独自从倒地状态恢复到直立。
2014年，西安电子科技大学研究出了自平衡二轮机器人，他是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个MAXSON电机作为执行文件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡；哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用DSP作为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。
2016年李星宇对单轴双轮自平衡机器人的设计进行了设计的分析和讲解，设计中主要阐述了通过物理建模得到了单轴双轮自平衡系统的运动学特性，并结合传感器技术和自动控制理论提出了一个单轴双轮自平衡小车的设计方案。采用了陀螺仪和加速度传感器分别对车体倾角进行检测，利用对称互补滤波算法对检测到的数据进行融合得到精确的车体倾角，再引入PID技术对车体姿态进行精确控制，从而实现小车的平衡运动。
（三）研究内容
基于单片机的双轮平衡车控制系统设计在完成的过程中，本次设计课题中，为了实现单片机控制双轮小车的平衡的系统，需要完成的主要内容以下几点：
（1）单片机的双轮平衡车控制系统的方案设计。
（2）单片机的双轮平衡车控制系统的原理图设计。
（3）单片机的双轮平衡车控制系统的软件程序。
（4）单片机的双轮平衡车控制系统的实物，并进行实物和软件的整体调试。
（5）单片机的双轮平衡车控制系统的论文。
二、系统方案设计
(一)总设计方案
智能化的产品不断的突破，改变了人们的生活，为此，需要跟上社会的步伐，与时俱进。根据这种理念，本次从智能平衡小车的技术出发，研究了双轮平衡小车控制系统，平衡原理：以小车倾角为输入量，通过控制两个电机的正反转保持小车平衡可靠的行驶，设计的系统方案框图如图21所示：
图21 系统方案框图
从设计的方案框图21中可知：整个系统以单片机STC12C5A60S2作为整个系统的控制核心，利用该单片机来实现平衡小车外围电路的驱动控制。外围电路在设计共计有5部分组成：（1）MPU6050加速度传感器模块；（2）LM25965开关式稳压器模块；（3）TB6612双电机驱动模块；（4）GM25370直流减速电机模块；（5）电源指示系统等5个部分组成。
双轮控制系统中，通过MPU6050加速度传感器开始检测双轮小车的运行状态，小车在运行中出现重心偏移时，加速度传感器会检测到小车重心移位信号，当单片机接收到小车重心偏移信号后，对电机驱动模块发出命令，通过PWM脉冲的控制方式来实TB6612双电机驱动模块的驱动，实现GM25370直流减速电机的驱动快、慢的驱动控制，以此达到控制双轮小车前进或者后退的目的，保证小车在行驶的过程中，能保持平衡状态的行驶。
目 录
一、 绪论 1
(一) 研究背景机器意义 1
（二）研究现状 1
（三）研究内容 2
二、系统方案设计 3
(一)总设计方案 3
(二)功能要求? 3
(三)单片机芯片 4
（四）LM25965.0开关式稳压器模块 5
(五)MPU6050三轴加速度模块 5
(六) TB6612电机驱动模块 6
三、硬件设计 7
(一)双轮平衡小车总电路设计框图 7
(二)单片机时钟电路 7
(三)单片机复位电路 8
(四)小车驱动电路设计 8
(五)指示系统电路 10
(六)MPU6050加速度传感器检测电路 11
四、软件设计 13
(一)主程序流程图 13
(二)PWM脉冲流程 14
(三)PID控制流程 14
五、系统调试 16
（一）软件仿真设计 16
（二）仿真调试设计 16
（三）实物制作 18
（四）系统调试 19
六、总结与展望 21
参考文献 22
致 谢 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
附录1原理图 24
附录2实物图 26
附录3源代码 27
绪论
研究背景机器意义
技术的不断进步，改变人们的生活水平，同时也改变了人们的生活方式。移动机器人的到来，更是丰富了人们的生活，增加了人们的眼界。目前，智能家居中，移动机器人越来越多，比如：移动式的拖地机器人，以及移动式的擦窗机器人，还有移动式的搬运机器人。移动机器人的到来减少了人力消耗，工作更加的有效率、加快了工作的进程，减少了一些人工去实现控制的危险性作业。随着时代的不断进步，机器人技术已经成为当下最热门的一个产业技术之一，为此，很多的世界上的学者、和科研专家一致致力于机器人的研究中，本次课题设计的是双轮平衡小车机器人，采用一个单片机主控制器，类似于人体的大脑，通过该主控制器来实现平衡小车机器人外部驱动电路、传感器检测电路的驱动，以此来实现小车的的可靠运行，保证双轮平衡机器人在倾斜运行中，能自我恢复平衡，这种控制方式以及智能的平衡小车，对电子通信的学生设计来说是一次设计的挑战，但同时也是自我学识的增加的一个契机，风雨之中才能见到彩虹，为此，研究平衡小车的控制系统，对未来智能机器人的发展和应用可以起到促进作用。
（二）研究现状
智能机器人这个设想，起源于外国，美国人首先提出机器人的构想，如何产业平衡系统实现机器热的可靠运行，并能将移动式的双轮机器人运用到生活中来解决生活中人力不能实现的工作面设计。在经过长时间的不断努力和科研者的研发下，美国研究出第一款智能的可移动式平衡机器人。在美国的影响下，许多国家开始走上了自主研发的道路，国内目前有关机器人的研究如下：
2012年，美国南卫理公会大学的 David P.Anderson独自一人研制出双轮移动机器人nBot，他的研究成果获得了美国国家航天局的认可和表扬。机器人结构nBot复杂且体积较大，其主要设计思想是：在机器人上半部分倾斜时，驱动电机让其向倾斜方向转动，使倾斜的上半部分恢复到直立状态，即机器人恢复平衡状态。nBot的重心的倾斜程度通过倾角传感器来测量，位置信息由车轮上安装的编码器获取，通过这两种传感器构成反馈控制。机器人nBot利用了模糊控制方法来完成自平衡运行，它与机器人Joe具有共同的特点，都可以实现直立运行，但不能独自从倒地状态恢复到直立。
2014年，西安电子科技大学研究出了自平衡二轮机器人，他是一种两轮式左右并行布置结构的自平衡系统。它利用伺服放大器ADS作为控制器，选择两个MAXSON电机作为执行文件，采用自适应神经模糊控制器对小车这一非线性对象进行大范围控制，从而实现系统的自平衡；哈尔滨工业大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用DSP作为控制核心。车体倾斜角度检测采用加速度传感器和陀螺仪。利用PWM技术动态控制两台直流电机的转速。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了该系统的平衡控制。
2016年李星宇对单轴双轮自平衡机器人的设计进行了设计的分析和讲解，设计中主要阐述了通过物理建模得到了单轴双轮自平衡系统的运动学特性，并结合传感器技术和自动控制理论提出了一个单轴双轮自平衡小车的设计方案。采用了陀螺仪和加速度传感器分别对车体倾角进行检测，利用对称互补滤波算法对检测到的数据进行融合得到精确的车体倾角，再引入PID技术对车体姿态进行精确控制，从而实现小车的平衡运动。
（三）研究内容
基于单片机的双轮平衡车控制系统设计在完成的过程中，本次设计课题中，为了实现单片机控制双轮小车的平衡的系统，需要完成的主要内容以下几点：
（1）单片机的双轮平衡车控制系统的方案设计。
（2）单片机的双轮平衡车控制系统的原理图设计。
（3）单片机的双轮平衡车控制系统的软件程序。
（4）单片机的双轮平衡车控制系统的实物，并进行实物和软件的整体调试。
（5）单片机的双轮平衡车控制系统的论文。
二、系统方案设计
(一)总设计方案
智能化的产品不断的突破，改变了人们的生活，为此，需要跟上社会的步伐，与时俱进。根据这种理念，本次从智能平衡小车的技术出发，研究了双轮平衡小车控制系统，平衡原理：以小车倾角为输入量，通过控制两个电机的正反转保持小车平衡可靠的行驶，设计的系统方案框图如图21所示：
图21 系统方案框图
从设计的方案框图21中可知：整个系统以单片机STC12C5A60S2作为整个系统的控制核心，利用该单片机来实现平衡小车外围电路的驱动控制。外围电路在设计共计有5部分组成：（1）MPU6050加速度传感器模块；（2）LM25965开关式稳压器模块；（3）TB6612双电机驱动模块；（4）GM25370直流减速电机模块；（5）电源指示系统等5个部分组成。
双轮控制系统中，通过MPU6050加速度传感器开始检测双轮小车的运行状态，小车在运行中出现重心偏移时，加速度传感器会检测到小车重心移位信号，当单片机接收到小车重心偏移信号后，对电机驱动模块发出命令，通过PWM脉冲的控制方式来实TB6612双电机驱动模块的驱动，实现GM25370直流减速电机的驱动快、慢的驱动控制，以此达到控制双轮小车前进或者后退的目的，保证小车在行驶的过程中，能保持平衡状态的行驶。
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