两轮自平衡电动车的无线遥控和显示接口设计及制作(附件)
现在，平衡车作为一种代步和娱乐工具已经越来越流行。本文对平衡车上增加了无线遥控和显示功能。这样平衡车关于速度、电量的数据就可以显示在上位机界面上，人们便可以及时了解平衡车的状态，便于安全驾驶。另外，平衡车可以通过无线遥控设置“密码锁”，增加其防盗功能。在本文中，硬件设计基于Protel DXP 2004软件实现的。软件设计是基于MSP430单片机在IAR环境下利用C语言编程实现的。本文对平衡车的无线遥控功能设计了两种方案，一种是基于蓝牙模块，另一种是基于无线串口模块。显示接口的设计是基于触摸屏实现的。另外，在触摸屏中安装了SD卡，从而可以实现数据的掉电存储也扩大了单片机的数据存储空间。本文成功完成了平衡车的无线遥控和显示接口的设计及制作。本次设计最终根据设计的PCB制作出了电路板，并把程序下载至电路板中，成功的完成了调试。在上位机界面也就是触摸屏上输入正确密码后，下位机接收到指令，平衡车才能启动。触摸屏可以显示不同的界面。下位机通过无线遥控模块可以将平衡车的速度、电量及时的反映在触摸屏上。关键词：平衡车；MSP430单片机；无线遥控；触摸屏Keywords: balance car; MSP430 SCM; wireless remote control; touch screen 目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外发展状况 1
1.3 课题研究内容 3
第二章 平衡车的控制系统设计 4
2.1 控制系统的方案设计 4
2.2 微处理器的选型及简介 5
2.3 基于Protel DXP 2004 的控制系统的电源模块设计 8
2.3.1 Protel DXP 2004 的简介 8
2.3.2 控制系统电源模块的设计
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展状况 1
1.3 课题研究内容 3
第二章 平衡车的控制系统设计 4
2.1 控制系统的方案设计 4
2.2 微处理器的选型及简介 5
2.3 基于Protel DXP 2004 的控制系统的电源模块设计 8
2.3.1 Protel DXP 2004 的简介 8
2.3.2 控制系统电源模块的设计 9
第三章 平衡车的无线遥控接口设计 13
3.1 无线通信方案的选择 13
3.2 基于无线蓝牙模块的无线遥控接口设计 15
3.2.1 蓝牙硬件结构 15
3.2.2 基于蓝牙模块的无线遥控控制系统的电路设计 16
3.2.3 蓝牙的AT指令集 17
3.2.2 基于蓝牙模块的无线遥控控制系统软件设计 19
3.3 基于无线串口模块的无线遥控控制系统设计 22
3.3.1 无线串口模块硬件结构 22
3.3.2 基于无线串口模块控制系统电路设计 23
3.3.3 基于无线串口模块的无线遥控控制系统软件设计 24
3.4 无线遥控方案的最终选定 25
第四章 平衡车终端显示接口设计 27
4.1 显示接口方案的选择 27
4.2 基于TFT触摸屏的终端显示接口介绍 27
4.2.1 TFT触摸屏硬件介绍 27
4.2.2 TFT触摸屏的工作原理 28
4.2.3 TFT触摸屏的SD卡接口电路 29
4.2.4 TFT触摸屏模块输入输出接口电路 30
4.3 终端显示接口电路设计 31
4.4 SD卡模块 31
4.4.1 SD卡硬件结构 31
4.4.2 SD卡的数据存储 33
4.4.3 SD卡的SPI通信原理 33
4.5 SPI与UART共用寄存器导致冲突的编程处理 34
4.6 终端显示接口的软件系统设计 35
4.6.1 图片的存储与显示 35
4.6.2 速度显示界面的设计 38
4.6.3 界面切换软件设计 40
4.6.4 密码输入、重设、以及掉电存储的软件设计 40
第五章 实验测试及分析 43
5.1 无线遥控接口实验及分析 43
5.2 无线遥控和显示接口的整体实验和分析 44
结论与展望 48
致谢 49
参考文献 50
附录 52
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
现在，人们对两轮自平衡电动车的研究已经趋于成熟。人们驾驶平衡车不再担心它的安全性，但是平衡车的相关辅助功能几乎还处于空白阶段。由于两轮自平衡电动车已经成为一个成熟的产品，已经成功的应用于一些场合。而众所周知，最近几年来智能手机的发展已经强烈冲击人们的生活习惯，人们越来越感觉到一切电气设备都可以实现远程通信和控制，一切的显示屏幕都是具有触摸控制功能的。为了迎合市场的需求，两轮自平衡电动车的无线遥控和显示接口的设计与制作迫在眉睫。
上面已经提到，人们对两轮自平衡电动车的研究在安全性和可行性上。关于自平衡电动车无线遥控和显示接口的研究少之又少。所以，本课题的研究具有深刻的意义。首先，本课题的研究进一步增加了对两轮自平衡电动车的控制功能，而且是无线遥控，使得人们对平衡车的控制更加方便。我们对平衡车显示接口的研究，使得人们可以在屏幕上可以看到平衡车的速度和电量的性能指标，这样人们可以更好更快的掌握平衡车的性能，便于安全驾驶。也是说，本课题的研究既丰富了平衡车的功能又增强了驾驶的安全性，使两轮自平衡电动车融入到智能化潮流化中。
1.2 国内外发展状况
两轮自平衡电动车主要是建立在一种被称为“动态约束”的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确的驱动电机进行相应的调整，以保持系统平衡的一种电动车[1]。目前作为娱乐和代步工具，已经在民用和警用等领域得到应用。
两轮自平衡系统的设计思想最先是由日本东京电信大学自动化系山藤一雄教授提出的。美国发明家Dean Kaman 于1995年开始研究，在2003年产品终于在美国上市。最近几年，人们对两轮自平衡电动车的研究取得了飞跃的进展。2002年，瑞士以Felix Grasser 为首的一个研究小组，设计制作了一个钢结构的可以远程控制的两轮自平衡机器人，实验结果令人满意。美国科学家David Anderson 研制的两轮自平衡机器人，如下图1所示，可以实现更为复杂的运行环境[2]。
图11：两轮自平衡机器人
2005年，日本的村田制作所向公众展示了两轮自平衡电动车的最新成果，把对自平衡系统的研究推入了一个新的高度。
近年来，我国紧随科技发展的步伐，也自主研制了不同类型的两轮自平衡电动车。2005年，哈尔滨工业大学的一个研究小组研制出了一个两轮自平衡机器人的样机。现在，两轮自平衡车电动车的技术已经基本成熟，安全性也很有保障。我国的很多公司已经研制了各种样式新颖，携带方便而又性能优越的两轮自平衡电动车，而且已经投入市场。
但是，无论是国内还是国
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外发展状况 1
1.3 课题研究内容 3
第二章 平衡车的控制系统设计 4
2.1 控制系统的方案设计 4
2.2 微处理器的选型及简介 5
2.3 基于Protel DXP 2004 的控制系统的电源模块设计 8
2.3.1 Protel DXP 2004 的简介 8
2.3.2 控制系统电源模块的设计
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展状况 1
1.3 课题研究内容 3
第二章 平衡车的控制系统设计 4
2.1 控制系统的方案设计 4
2.2 微处理器的选型及简介 5
2.3 基于Protel DXP 2004 的控制系统的电源模块设计 8
2.3.1 Protel DXP 2004 的简介 8
2.3.2 控制系统电源模块的设计 9
第三章 平衡车的无线遥控接口设计 13
3.1 无线通信方案的选择 13
3.2 基于无线蓝牙模块的无线遥控接口设计 15
3.2.1 蓝牙硬件结构 15
3.2.2 基于蓝牙模块的无线遥控控制系统的电路设计 16
3.2.3 蓝牙的AT指令集 17
3.2.2 基于蓝牙模块的无线遥控控制系统软件设计 19
3.3 基于无线串口模块的无线遥控控制系统设计 22
3.3.1 无线串口模块硬件结构 22
3.3.2 基于无线串口模块控制系统电路设计 23
3.3.3 基于无线串口模块的无线遥控控制系统软件设计 24
3.4 无线遥控方案的最终选定 25
第四章 平衡车终端显示接口设计 27
4.1 显示接口方案的选择 27
4.2 基于TFT触摸屏的终端显示接口介绍 27
4.2.1 TFT触摸屏硬件介绍 27
4.2.2 TFT触摸屏的工作原理 28
4.2.3 TFT触摸屏的SD卡接口电路 29
4.2.4 TFT触摸屏模块输入输出接口电路 30
4.3 终端显示接口电路设计 31
4.4 SD卡模块 31
4.4.1 SD卡硬件结构 31
4.4.2 SD卡的数据存储 33
4.4.3 SD卡的SPI通信原理 33
4.5 SPI与UART共用寄存器导致冲突的编程处理 34
4.6 终端显示接口的软件系统设计 35
4.6.1 图片的存储与显示 35
4.6.2 速度显示界面的设计 38
4.6.3 界面切换软件设计 40
4.6.4 密码输入、重设、以及掉电存储的软件设计 40
第五章 实验测试及分析 43
5.1 无线遥控接口实验及分析 43
5.2 无线遥控和显示接口的整体实验和分析 44
结论与展望 48
致谢 49
参考文献 50
附录 52
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
现在，人们对两轮自平衡电动车的研究已经趋于成熟。人们驾驶平衡车不再担心它的安全性，但是平衡车的相关辅助功能几乎还处于空白阶段。由于两轮自平衡电动车已经成为一个成熟的产品，已经成功的应用于一些场合。而众所周知，最近几年来智能手机的发展已经强烈冲击人们的生活习惯，人们越来越感觉到一切电气设备都可以实现远程通信和控制，一切的显示屏幕都是具有触摸控制功能的。为了迎合市场的需求，两轮自平衡电动车的无线遥控和显示接口的设计与制作迫在眉睫。
上面已经提到，人们对两轮自平衡电动车的研究在安全性和可行性上。关于自平衡电动车无线遥控和显示接口的研究少之又少。所以，本课题的研究具有深刻的意义。首先，本课题的研究进一步增加了对两轮自平衡电动车的控制功能，而且是无线遥控，使得人们对平衡车的控制更加方便。我们对平衡车显示接口的研究，使得人们可以在屏幕上可以看到平衡车的速度和电量的性能指标，这样人们可以更好更快的掌握平衡车的性能，便于安全驾驶。也是说，本课题的研究既丰富了平衡车的功能又增强了驾驶的安全性，使两轮自平衡电动车融入到智能化潮流化中。
1.2 国内外发展状况
两轮自平衡电动车主要是建立在一种被称为“动态约束”的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确的驱动电机进行相应的调整，以保持系统平衡的一种电动车[1]。目前作为娱乐和代步工具，已经在民用和警用等领域得到应用。
两轮自平衡系统的设计思想最先是由日本东京电信大学自动化系山藤一雄教授提出的。美国发明家Dean Kaman 于1995年开始研究，在2003年产品终于在美国上市。最近几年，人们对两轮自平衡电动车的研究取得了飞跃的进展。2002年，瑞士以Felix Grasser 为首的一个研究小组，设计制作了一个钢结构的可以远程控制的两轮自平衡机器人，实验结果令人满意。美国科学家David Anderson 研制的两轮自平衡机器人，如下图1所示，可以实现更为复杂的运行环境[2]。
图11：两轮自平衡机器人
2005年，日本的村田制作所向公众展示了两轮自平衡电动车的最新成果，把对自平衡系统的研究推入了一个新的高度。
近年来，我国紧随科技发展的步伐，也自主研制了不同类型的两轮自平衡电动车。2005年，哈尔滨工业大学的一个研究小组研制出了一个两轮自平衡机器人的样机。现在，两轮自平衡车电动车的技术已经基本成熟，安全性也很有保障。我国的很多公司已经研制了各种样式新颖，携带方便而又性能优越的两轮自平衡电动车，而且已经投入市场。
但是，无论是国内还是国
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