巧用单片机系统开发两轮平衡车案例分享

在国外，两轮载人平衡车早已被用于一些公共场合了，如今很多机场、火车站、汽车站等公共场所都运用了两轮载人平衡车。研究两轮平衡车小车有利于研究两轮载人平衡车。

本作品主要由一块IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，一个电源和传感器模块来采集角度数据并为系统供电，一个测速模块来测得电机的速度信息，最后把角度信息转化成PWM输出给一个电机驱动模块来控制两个空心杯电机。

本设计是基于IAP15F2K61S2单片机系统开发的两轮平衡车，采用IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，用MPU6050 陀螺仪和加速度传感器采集加速度和角速度，通过计算得出角度以确定小车姿态，再通过光电门传感器测出小车电机转速，以计算出车速，运用PID算法再根据传感器测得数据处理后对电机驱动进行PWM输出，调节合适的PID参数使小车能稳定直立起来。

本作品使用简单，打开总开关小车即可直立。两轮载人平衡车在一些公共场合有一定的优势，研究两轮平衡小车对开发两轮载人平衡车有一定的帮助，本作品具有结构简单清晰，使用方便等特点。

设计特色：

小车底盘是我们用游标卡尺量出电机支架的孔径和位置，用Altium Designer 软件画出底盘模型，再用雕刻机和亚克力板雕刻出底盘。车上面传感器模块和电池盒的安装具有对称性，使小车重心在电机上方，传感器安装比电机稍微高点，大概在重心处，这样有助于小车的平衡和稳定性。在算法上我们采用精简PID算法和卡尔曼滤波算法来控制电机，使系统更稳定可靠。

平台选型说明：

本系统采用IAP15F2K61S2单片机开发板做主控板，IAP15F2K60S2是1T的8051单片机。是真正意义上的单片微机，宽工作电压，不 需要外部复位电路和外部晶振，内部晶振5—33.1776M可选。片上外设丰富，具有3通道捕获比较单元（CCP/PCA/PWM），8通道10位高速 AD，3个定时器/计数器，双串口，高速串行通信ISP接口，大容量片内EEPROM。电机驱动采用LM298N，测速采用透射式光电门，信号经反向器输 出稳定脉冲，电机采用空心杯，频率可达十几千赫兹。

本作品用到IAP15F2K61S2单片机的内部资源有定时器1、定时器2、串口1、ADC、外部中断0、外部中断1、PWM等这些资源。定时器1以10ms的周期处理数据，定时器2作为串口1的波特率发生器，串口1用于调试时与上位机软件通讯，ADC是采集电位器可调端的电压用于调试 PID参数，外部中断0、1用于计数测速模块的脉冲，PWM作为使能电机驱动输入信号。

MPU6050采用IIC通讯传输数据，电源模块采用LM7805（＄0.2053）做稳压芯片给单片机和传感器供电。

每个电机尾部都有两个光电门用以测速，光电门输出信号经反向器输出后更稳定可靠。电机接线用转接板转接有利于保护电机接线。

keep out层画边框、顶层画辅助线，用雕刻机先打孔再割边。

设计说明：

本设计在IAP15F2K61S2单片机开发板的基础上，利用陀螺仪和加速度传感器以周期为10ms测出角度信息，经卡尔曼滤波算法滤波处理后再经PD算法处理输出，测速模块以周期为100ms测出速度信息，在经互补滤波算法滤波后再经PI算法处理输出，将角度环的输出量与速度环的输出量融合作为PWM的设定值对电机驱动输入从而控制电机。