2016年第8淛y信息疼甲文章编号=1009 -2552 (2016)08 -0025 -04 DOI：10.13274/ki.hdzj.2016. 08. 007基于单片机的两轮平衡车设计孙传开，罗飞(华南理工大学自动化科学与工程学院，广州510640)摘要：采用单片机MC9S12XS128作为控制器，结合陀螺仪ENC-03、三轴加速度计MMA7260 芯片，设计一个运行稳定、体积小、可匀速运动的两轮自平衡车。
通过介绍平衡车的平衡原理、系统架构以及软硬件设计，阐明两轮自平衡车的设计要点。
最后，通过系统理论分析以及实验 测试表明了这种设计方式的合理性和应用的可行性。
关键词：单片机；两轮自平衡；加速度计；陀螺仪；飞思卡尔中图分类号：TP368. 1文献标识码：AD e s ig n o f tw o-w h e e l c a r s y s te m b a s e d o n m ic r o c o n tr o lle rS U N C h u a n-k a i，L U O F e i(School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640,China) Abstract ：This article mainly discusses design ol a small two-wheel sell-balancing car which can run stably in uniform motion,with microcontroller MC9S12XS128 as the controller and integrating an ENC-03 gyroscope as well as three-axis accelerometer MMA7260 chip.By introducing the balance principle of two-wheeled car control system，the overall structure of instrument and hardware as well as software design，it explains the design point of two-wheeled car control system.Finally，through the theoretical analysis and experimental tests it shows the feasibility and rationality of this design approach.Key words：microcontroller;two-wheeled car system；accelerometer；gyroscope;freescale0引言从交通工具到机器人研究，两轮车一直都广受 人们的关注，它不但可以大幅减少硬件成本而且对 空间以及能源的占用量也很少，具有很高的使用价 值和很大的应用前景。
本文的目的就是研究设计一 种基于陀螺仪和加速度计的性能可靠，运行稳定的 两轮自平衡车。
1平衡车原理两轮平衡车是类似倒立摆的一种非线性、自然 不稳定的系统,想要系统保持稳定需要使得系统的 重心与两个轮子保持在同一垂线上。
姿态传感器可 以用来实时地获得系统的姿态信息,控制系统的角 度。
本文采用的姿态传感器是陀螺仪和加速度计。
陀螺仪可以输出被测系统在某一方向上的角度 变化速率，通过对速率的积分处理可获得系统的角 度变化。
由于陀螺仪易受外界噪声干扰，尤其是受温度影响时容易产生温飘，导致通过积分获得的角 度存在积累误差。
所以，只使用陀螺仪是不行的。
加速度计是一种可以测量由物体运动或者地球 引力产生的加速度。
图1所示为三轴加速度传感 器,在静止状态时y轴、Z轴输出为〇,*轴输出为重 力加速度g;当传感器向图1方向倾斜时，重力加速 度g就会沿着z轴方向产生一个加速度分量，当传 感器将加速度分量转换成z轴电压后，电压的大小 和倾斜角度的关系式为：AU = ^gsin^ (1)式中,为传感器输出电压，&为加速度传感器的 敏感系数，g为重力加速度，^为倾角。
事实上,当两轮车稳定时倾角变化范围很小，此收稿日期：2015 -09 -07基金项目：惠州产学研结合项目（2012B050013004)作者简介：孙传开（1990 -),男，硕士研究生,研究方向为信号处理与控制。
一25—时可以将siM ^ ^。
据此，在倾角变化时可快速求 出倾角。
但是，当系统以加速度运动时，该加速度值就会在Z轴方向产生一个分量，这个分量会叠加到 重力加速度的分量上，从而对测量结果产生较大的误差，因此只使用加速度计也是不行的。
由上文分析可知，陀螺仪动态性能好而加大速度计静态性能较好，所以，可以通过将两者的输出信号进行数据融合从而获得在动态、静态时都较好的测量结果。
本文使用的融合算法是互补滤波算法。
算法主要原理如下：Q= kx Qx + k2Q2⑵式中，h、A:2是系数且h +众2 = 1，认、仏分别为加速 度以及陀螺仪的输出。
2系统方案设计2.1硬件方案两轮平衡车采用模块化设计，它的硬件结构主要 有MC9S12XS128单片机模块，加速检测模块，角速度 检测模块，车速度检测模块，串口调试模块，电机驱动 模块，液晶显示模块，电源管理模块等部分组成。
系统原理:单片机模块负责控制检测时间，信息计算，电机、液晶控制等。
角速度与加速度检测模块主要用来检测小车的俯仰角速度和直线加速度，以便由单片机计算出姿态控制信息；车速检测模块负责检测小车的真实速度以便系统形成闭环；串口模块主要用于单片机和上位机之间的通信。
以便可以通过上位机进行调试和控制；液晶模块主要用于显 示一些控制参数。
图2为系统的硬件结构框图。
2.2处理器及显示模块本系统的主控制器是Freescale公司生产的16 位MC9S12XS128单片机，它负责对传感器模块的数 据采集、处理，并向其他功能模块提供控制信号。
MC9S12XS128单片机拥有丰富的片上资源，可提供 40MHz总线频率，可级联的4路8位PWM模块，最高 精度可达12位的A/D转换模块，UART模块，以及 8k的RAM、EEPROM和128k Flash等外部接口模块。
系统采用了 Nokia 5110作为液晶模块，该液晶 模块一共8个引脚，使用SPI串行接口。
传输速度 一 26 —传感器微控制器电机驱动q车速检测模块图2系统结构框图高达4MbPs，而且可以显示6 x14个英文字符或者 3 x7个汉字，其所需引脚如图3所示。
图3液晶模块接线图2.3姿态检测模块姿态检测模块用来检测当前车体姿态状态。
为 达到平衡控制必须提供准确的姿态信息，因此检测 模块是否精准对系统的平衡控制影响极大。
本系统 采用惯性传感器MEMS陀螺仪ENC-03和加速度计 MMA7260作为姿态检测传感器。
ENC-03是村田公司的一款低成本陀螺仪，可以 输出正比于角速度的模拟电压信号，电源电压可选 择2.7V到5.25V之间，输出最大角速度为300deg/ sec，比例系数为0. 67mV/deg/sec。
本系统米用LM358构成负反馈同相放大电路，增益约为10。
考 虑到陀螺仪存在温飘等变化因素，为此在放大电路 中利用LM358设计了零点偏置电压校正电路，并将 陀螺仪静态输出电压调整为模拟电压的一半（此处 为1.65V)。
图4为陀螺仪放大电路。
MMA7260是一款微型电容式的高性价加速度传 感器，内部使用了温度补偿、信号调理和单极低通滤 波器技术，它拥有四种精度模式:800mV/g、600mV/g、300mV/g、200mV/g，分别对应的量程范围是1.5g、2g、4g、6g。
这四中精度模式可通过设置引脚g-select1和 g-select2的状态来选择。
本系统通过同时将g-select1示、口块显器串模电源模块图4 ENC-03放大电路电路图和g-SeleC t2两个引脚接地，从而选择了 800mV/g的精度。
加速度计模块电路原理图5所示。
g_sl XOUT g_s2YOUTvcc ZOUT GND SLEEP MMA726015141312ACC XACC YACC Z]33V图5 MMA7260加速度计电路图2.4驱动模块本系统的电机驱动模块采用了 ST公司的双H 桥电机驱动芯片L298N。
该芯片为15引脚封装，工 作电压最高可达46V，最高工作电流可达2A，逻辑 控制电路采用5V供电的TTL电平，支持PWM脉宽 调速功能。
该模块具有两个使能端，一次可以驱动 两台直流电机便于实现平衡车的差速控制。
驱动电 路如图5所示。
2.5串口通行模块由于单片机采用的TTL电平和P C端的232电压不同，系统采用了 MAX232芯片来实现串口通信 的电压转换。
MAX232 —款由美信公司推出专为解 决TTL到232电压的单电源电平转换芯片，使用 + 5V直流供电。
图7为MAX232电路设计图。
3系统程序设计系统软件总体设计流程如图8所示。
当系统上电后，首先对控制系统各模块进行初 始化，然后使能计数器以及定时中断，并开启定时开 关开始定时;当达到定时时间便产生中断，在中断处 理程序中对传感器进行AD采样;当中断次数达到5 时，把所采集的数据进行平均值滤波，并将滤波后的 角速度、加速度通过互补滤波得到最终的倾斜角度，控制器根据角度大小控制电机的转动，从而使小车 保持平衡。
当中断次数达到20时，通过计数器计算GND图6驱动电路图图7 MAX232电路图图8系统流程图小车速度，然后与设定速度比较，进而控制电机以达 到速度控制。
4实验结果分析为了验证系统性能和稳定性，本文通过查看系一 27—统滤波前后的信息失真、滞后以及平滑情况。
图9 为数据滤波前后的波形情况，由图可知滤波前后的 角度信息失真度较小，滞后不明显，波形平滑，符合 系统设计需求。
图9数据滤波前后对比根据以上的设计，实现了如图10的平衡车，通 过对平衡车的前进、后退、旋转、静止等测试可知系 统可以很好地长时间平稳的运行。
5 结束语本文基于 MC 9S 12XS 128、ENC -03 和 MMA 7260设计的自平衡两轮车，实现了两轮平衡，以及在某一 速度下的运动，这对未来交通以及机器人等领域具 有一^定的研究意乂。
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