题图：自平衡小车系统摘要：本自平衡小车由单片机芯片STC80C52为主控制器。
通过电机驱动和寻迹电路完成三轮（两轮为驱动，一轮为万向轮）寻迹来按照竞赛要求来完成基本部分；在运用MMA7455数字加速度传感器和角速度传感器（ENC03陀螺仪）以及运用电磁线性偏差来完成两驱动轮的直立寻迹。
关键词 STC80C52、小车寻迹、自平衡小车。
Abstract:The self balancing car by single-chip microcomputer chip STC80C52 primarily controller. Through the motor drive and tracing circuit complete three (two wheel for drive, round for universal wheel) tracing to according to the competition requirements to complete basic parts; Using MMA7455 digital acceleration sensor and angular velocity sensor (ENC03 gyroscope) and the use of electromagnetic linear deviation to complete two driving wheel of upright tracing.Keywords STC80C52, car tracing, self balancing car1系统方案 (3)1.1模块方案比较与论证 (3)1.2车体设计 (3)1.3控制器模块 (3)1.4寻迹模块 (4)1.5直流电机驱动模块 (4)1.6小车直立 (5)1.7小车速度控制 (5)1.8小车方向控制 (6)1.9最终方案 (6)2 理论分析和计算 (6)2.1直流电机的转速如何控制？(建立数学模型) (6)2.2电磁线性偏差检测数学模型建立 (8)3电路设计1（两轮为驱动轮，一轮为万向轮） (9)3.1电路总设计框图 (9)3.2介绍单片机最小系统原理图及其功能 (9)3.3介绍驱动模块原理图及其功能 (10)3.4介绍寻迹模块原理图及其功能 (11)3.5怎样来控制车模直立？（建立数学模型） (12)3.6车模的方向控制 (14)3.7车模倾角测量 (14)4 电路设计2（两驱动轮直立行走） (17)4.1整个电路的框架接结构 (17)4.2介绍数字三轴加速度传感器模块与陀螺仪原理图及其功能 (18)4.3介绍电磁线偏差检测系统电路及其原理 (20)4.4 整个过程的注意事项 (21)5 测试方案与结果分析 (22)5.1寻迹测试方案（7个红外对管用TCR5000） (22)5.2电机驱动测试方案（主芯片L298N） (22)6.结论 (23)*参考文献 (23)*附录 (24)附录1主要元器件芯片 (24)附录2仪器设备清单 (24)附录3主要程序清单 (24)1系统方案1.1模块方案比较与论证根据设计要求，本系统主要有控制器模块、寻迹模块，直流电机模块、电压比较器模块等构成。
为了更好地实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案分别进行了论证。
1.2车体设计方案一：购买一辆具有电力驱动模块、寻迹模块和传感器模块、电压比较器模块等的完整小车进行研究设计。
但是考虑到价格和本身想在设计中学到更多的知识出发，这种方案不是很合适。
方案二：买一个小车底盘和电力驱动模块（本身做了两个，但不理想），两轮作为驱动，一轮为万向轮。
车体重心设计在驱动轮轴和万向轮之间，当小车前进时，左右驱动轮与前万向轮形成三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳。
而循迹模块和传感器模块等通过制作PCB板，不仅从中更充分的了解其中的原理，还能够省去一些费用。
通过对这两种方案的比较，觉得方案二可以更好地丰富合我们的学识，又比较经济。
综上所述，我们选择方案二。
1.3控制器模块方案一：控制器模块，主控芯片用单片机（STC80C52）,具有体积小、集成度高、容易扩展、可靠性高、低功耗、结构简单、中断处理能力强等特点。
STC80C52具有以下特点：5个中断源、2个16位可编程定时计数器、2个全双工串行通信I/O口、40个引脚（其中P3口还有第二功能定义）、看门口电路，片内时钟振荡器等特点。
这些特点可以达到本系统的要求，而且也比较经济，我们也比较熟悉该芯片的原理，使用起来又方便。
方案二：通过上网查质料采用可变成逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、稳定性高、体积小、I/0资源丰富、容易进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，合适作为大规模控制系统的控制核心。
但基于本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是很高。
且从经济的角度考虑，用这种方案有点大材小用的感觉。
所以，综上所述，我们选择方案一。
1.4寻迹模块方案一：用光敏电阻组成光明探测器。
由于光敏电阻的阻值可以随周围环境的变化而变化。
当光线照在白线上面时，光线发射强烈，当光线照射到黑线上时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生变化。
将阻值的变化经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方式受光的影响很大，不能够稳定的工作。
这样就会给实验带来不稳定的因素。
使得实验不稳定。
方案二：用红外对管（TCR5000）。
TCR5000光电传感器模块是基于TCR5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。
传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
输出信号经过施密特电路整形，稳定可靠。
而且它应用也比较广阔，比如：障碍检测、黑白线检测等。
（TCR5000）传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。
本实验正好可用其黑白线检测的功能进行寻迹。
综上所述，我们采用方案二。
1.5直流电机驱动模块方案一：自行设计一块驱动模块。
驱动芯片用L298N。
比较器用LM7805。
L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
LM7805芯片里含有两个比较器。
通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。
基于制作过L298N，对这块芯片有所了解，用起该制作模块来比较顺手，还可以更方便的理解其工作原理。
方案二：买一块完整的直流电机驱动模块。
主芯片也是L298N。
在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L298N)在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式，半导体功率器件工作在线性区，选用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。
由于考虑到经济和学习方面，我们舍弃这种方案。
综上所述，我们选择方案一。
1.6小车直立通过控制两个电机正反向运动保持小车直立状态。
要想保持车模直立必须要满足连个条件：（1）、能够精确测量车模倾角的大小和角速度的大小(2)、可以控制车轮的加速度。
如何让车模稳定在垂直位置呢？方案一：改变重力的方向；方案二：增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行；方案一显然不行。
所以我们选择方案二。
1.7小车速度控制小车运行速度是通过控制车轮速度实现的，车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动，因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。
电机的运动控制有多种方案。
方案一：电机运动控制通过改变施加在其上的驱动电压实现；方案二：通过电机速度控制，实现小车恒速运行和静止；由于本实验没有要求实现小车恒速运行和静止，所以我们选择方案一。
1.8小车方向控制实现小车方向控制是保证小车沿着比赛道路行走的关键。
通过道路电磁中心线偏差检测与电机差动控制实现方向控制。
下面给出两种小车方向控制方案方案一：通过道路电磁中心线的偏差检测；方案二：通过电机差动控制；由于在全面有用到电机，所以考虑到经济和难易方面，我们选择方案二。
1.9最终方案经过我们小组成员谈论最终确定方案如下：(1)、买一个小车底盘和电力驱动模块，两轮作为驱动，一轮为万向轮；(2）、采用STC80C52单片机作为主控制器；（3）、用红外对管（TCR5000）进行寻迹；（4）、自行制作直流电机驱动模块（主芯片为L298N；（5）、电源使用的是用两个3.7V的充电电池串联在一起组成电源模块；（6）、小车直立通过增加额外的受力，使得恢复力与位移方向相反才行；（7）、小车速度控制通过电机运动控制通过改变施加在其上的驱动电压实现；（8）、小车方向控制通过电机差动控制。
2 理论分析和计算2.1直流电机的转速如何控制？(建立数学模型)电机通过PWM（脉冲宽度调制）。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。
当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U。
t1秒后，驱动信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
t2秒后，驱动信号重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程PWM输出波形和计算如下：电动机的电枢绕组两端的电压平均值U为：U =（t1×U）/（t1＋t2）=( t1×U)/T=D*U 式中D为占空比，D= t/T占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。
D的变化范围为0≤D≤1。
当电源电压U不变的情况下，输出电压的平均值U取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了输出电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。
但是在用PWM调速时，也有分单极性PWM和双极性PWM。
为了提高电源的应用效率，驱动电机的PWM 波形采用了单极性的驱动方式。
也就是在一个PWM 周期内，施加在电机上的电压为一种电压。
如下图所示：在PWM调速时，占空比D是一个重要参数。
改变占空比的方法有定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法等。
常用的定频调宽法，同时改变t1和t2，但周期T（或频率）保持不变。
2.2电磁线性偏差检测数学模型建立通过双水平检测方案：在车模前上方水平方向固定两个相距L的线圈，两个线圈的轴线为水平，高度为，如下图所示：双水平线圈检测为了讨论方便，我们在跑道上建立如下的坐标系，假设沿着跑道前进的方向为z 轴，垂直跑道往上为y轴，在跑道平面内垂直于跑到中心线为x轴。