畢業(yè)論文——兩輪平衡車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

1、<p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文</p><p>　　兩輪平衡車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作</p><p>　　The Design and Production of Two Rounds of Balanced Car Drive System</p><p><b>

2、;　　VI</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　兩輪平衡車是一種新型的交通工具，它與傳統(tǒng)的兩輪車不同，采用兩輪并排固定的</p><p>　　方式組成了平衡車的基本模型。就像一種兩輪平行的機(jī)器人一樣。這種兩輪平衡小車還可

3、</p><p>　　以直立移動(dòng)，具有轉(zhuǎn)彎半徑小，操作方便，移動(dòng)軌跡靈活的特點(diǎn)。在各個(gè)領(lǐng)域都有非常廣</p><p>　　泛的應(yīng)用前景。另外，與汽車、摩托車相比，它采用電瓶驅(qū)動(dòng)兩輪，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率小，為</p><p>　　電瓶長(zhǎng)時(shí)間供電提供了可能，也為推進(jìn)環(huán)保事業(yè)建設(shè)提供了一種新思路。本文旨在研究一</p><p>　　種兩輪平衡小車的驅(qū)動(dòng)系

4、統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要架構(gòu)是由兩個(gè)平行的小輪組成的，如同倒立擺</p><p>　　一樣，本身就是一個(gè)自然不穩(wěn)定體[1]，必須施加強(qiáng)有力的控制手段才能使之穩(wěn)定。它的工</p><p>　　作原理主要是通過陀螺儀，加速度計(jì)，角度傳感器[2]等傳感器來檢測(cè)平衡車所處的運(yùn)動(dòng)狀</p><p>　　態(tài)，然后將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)街醒敫咚偬幚砥鹘?jīng)過計(jì)算之后，處理器發(fā)出指令，&l

5、t;/p><p>　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出適當(dāng)轉(zhuǎn)矩，使小車產(chǎn)生前進(jìn)或后退的加速度來達(dá)到小車動(dòng)態(tài)平衡的效果。</p><p>　　本文在查閱和整理了國(guó)內(nèi)外研究平衡小車的相關(guān)資料后，在擁有平衡車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前</p><p>　　提下，選用適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)、半橋驅(qū)動(dòng)器、場(chǎng)效應(yīng)管等主體電子元器件設(shè)計(jì)出兩輪自平衡小</p><p>　　車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，完成了兩輪

6、自平衡小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制的硬件搭建。</p><p>　　整個(gè)硬件系統(tǒng)制作完成后，各個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)正常工作。MSP430 單片機(jī)通過檢</p><p>　　測(cè)到陀螺儀，加速度計(jì)，角度傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，采用 PID 控制策略吧輸出精準(zhǔn)的 PWM</p><p>　　波，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。從而使小車可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速、減速、轉(zhuǎn)彎</p>

7、<p>　　等簡(jiǎn)單的一系列基本動(dòng)作。</p><p>　　關(guān)鍵字：兩輪自平衡小車；驅(qū)動(dòng)電路；SP430 單片機(jī)</p><p><b>　　VII</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　Abstract</b></p>&

8、lt;p>　　Balanced car is a new means of transport. It is different from the traditional two-wheelers because it uses the way of two rounds of fixed side by side consisting of the basic model of balanced car which is lik

9、e two parallel robots. This two-wheeled balanced robot has vertical movement, turning radius small, easy to operate and the movement trajectory flexible. It has a very wide range of applications in various fields. In add

10、ition, compared with cars and motorcycles, it uses a battery driven tw</p><p>　　Based on the inspection and sorting of domestic and foreign research information about the balanced car, under the premise of t

11、he experimental platform of balanced car and the choice of the most appropriate device, half-bridge driver, FET and other electronic components to design the main two-wheeled self -balancing vehicle drive circuit system,

12、 we complete two rounds of self- control hardware to build a balanced vehicle drive system .</p><p>　　After the entire hardware system is created, each module can achieve coordination work. Through gyroscope

13、s, accelerometers, angle sensors transmit signals, and using PID control strategy it accurate PWM wave output, MSP430 microcontroller realize to drive DC motor drive system. So that the car can move forward, backward, ac

14、celeration, deceleration, turning and the basic operation of a simple series .</p><p>　　Keywords：balanced car；drive circuit；MSP430 microcontroller</p><p><b>　　VII</b></p><

15、p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　VIII</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　IX</b></p><p>&l

16、t;b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 兩輪平衡車的研究意義</p><p>　　近年來，隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快，交通變得擁堵、空氣污染也愈來愈嚴(yán)重，環(huán)保輕型車的誕生顯得更為迫切。兩輪平衡車的設(shè)計(jì)理念就是在這樣的一個(gè)背景下提出來的。兩輪平衡車車體是一個(gè)非常不穩(wěn)定的兩輪交通工具，它與傳統(tǒng)的兩輪電瓶車車輪前后排列方式不同，采用兩輪并排排列的方式，使其能夠直

17、立移動(dòng)，大大減少了占地面積。具有體積小，移動(dòng)靈活，零轉(zhuǎn)彎半徑的特點(diǎn)，它在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，這種平衡車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率小，大大降低了能耗，為電池長(zhǎng)時(shí)間供電提供了良好的保障。</p><p>　　作為交通工具，外觀上簡(jiǎn)約時(shí)尚，既可以作為平時(shí)上下班的短途交通工具。也可以作為平時(shí)鍛煉出游的娛樂工具。正是其具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小的特點(diǎn)，為研發(fā)未來機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中快捷靈活的執(zhí)行任務(wù)提供了一種新思路

18、。因?yàn)樗染哂欣碚撗芯恳饬x又有實(shí)際使用價(jià)值，所以兩輪子平很小車的研究近十年來引起了大量機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的廣泛關(guān)注。</p><p>　　1.2 兩輪平衡車的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀</p><p>　　在兩輪自平衡小車的研究領(lǐng)域，美國(guó)、瑞士和日本等國(guó)家投入的研究比較多，而</p><p>　　且達(dá)到了一個(gè)很高的水準(zhǔn)，取得了不少的研究成果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究還比<

19、;/p><p>　　較少，以下分別介紹一些國(guó)內(nèi)外的研究成果。</p><p>　　1.2.1 國(guó)外研究成果</p><p>　　在兩輪自平衡小車的研究領(lǐng)域方面，國(guó)外的專家以及愛好者已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果。</p><p>　　1-1 所示的JOE 機(jī)器人是由瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的研究人員基于倒立擺控制原理的基礎(chǔ)上研制的，利用的微控制器是

20、 DSP 單片機(jī)，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。JOE 機(jī)器人的最大移動(dòng)速度可以達(dá)到 1.51m/s,超過了人類正常的行走速度。它由車架上方的重物模擬實(shí)際中的駕駛員，能在惡劣的環(huán)境中移動(dòng)并且保持平衡。</p><p><b>　　1</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　1-1 JOE 機(jī)器人</p&

21、gt;<p>　　由美國(guó)科學(xué)家 David P.Anderson 研發(fā)的兩輪自平衡機(jī)器人 Nbot，是基于倒立擺的</p><p>　　小型兩輪自平衡車的模型，是由 HC11 robort controller 進(jìn)行控制的，其外觀圖如圖 1-2</p><p><b>　　所示。</b></p><p><b>　　1-

22、2 Nbot</b></p><p>　　2002 年初, 美國(guó)發(fā)明家迪安·卡門將新發(fā)明的一種被稱為將對(duì)未來人類旅游出行</p><p>　　方式產(chǎn)生革命性影響的自動(dòng)平衡滑行設(shè)備—-“Segway 人類運(yùn)輸機(jī)”—-公諸于眾，其外</p><p>　　觀如圖 1-3 所示?！癝egway 人類運(yùn)輸機(jī)”是一個(gè)更為實(shí)用、成熟以及商業(yè)化的兩輪平<

23、;/p><p>　　衡車版本。他可以承載站在平衡車平臺(tái)上的駕駛者，并在保持平衡的狀態(tài)下可以在多</p><p>　　種復(fù)雜的路面上迅速平穩(wěn)地行駛。它使用了五個(gè)陀螺儀和一個(gè)收集其他角度傳感器的</p><p>　　集成器，可以在各種路面條件下來保持自身的直立狀態(tài)。</p><p><b>　　2</b></p>

24、<p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　圖 1-3SEGWAY 人類運(yùn)輸機(jī)</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究成果</p><p>　　我們國(guó)家在兩輪自平衡小車的研究方面也取得了一系列的成果。</p><p>　　2003 年，臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)電機(jī)工程研究所研發(fā)出了一種兩輪自平衡機(jī)器人，</p

25、><p>　　如圖1-4 所示。圖1-4 中的機(jī)器人寬500mm，高440mm，其主控芯片采用的是DSP2812，</p><p>　　主頻可達(dá) 150MHz，傳感器采用的是傾角計(jì)和陀螺儀。其頂端還帶有一塊液晶顯示屏，</p><p>　　實(shí)時(shí)反映機(jī)器人所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。</p><p>　　圖 1-4 兩輪自平衡機(jī)器人</p>&l

26、t;p>　　2004 年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，丁學(xué)明、楊興明等研究人員對(duì)移動(dòng)式倒立擺的運(yùn)動(dòng)控制問題進(jìn)行了相關(guān)深入的研究。通過建立 Lagrange 方程確立了兩輪自平衡機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，通過模糊規(guī)則和遺傳算法[3]對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制來達(dá)到機(jī)器人的平衡。 2012 年 9 月 30 日，中國(guó)南京國(guó)際車展上亮相的 Robin 智能平衡車為徒步觀賞豪</p><p>　　車的觀眾帶來了專屬的便利。如圖 1-5 所示。

27、這款由易步科技研發(fā)的平衡車，投影面</p><p>　　積與人的肩寬相仿，總重量不超過 20kg，便于出門攜帶，在馬路上行駛靈活便捷，</p><p><b>　　3</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　完全依靠身體重力的平衡來控制行駛的速度與方向。Robin 智能平衡車憑借

28、鋰電池提</p><p>　　供行車動(dòng)力，充電 3 小時(shí)可續(xù)航 20 公里。在充滿電的狀態(tài)下，駕駛 Robin 智能平衡</p><p>　　車足以在 7 萬平方米的展會(huì)上觀賞各路名車，同時(shí)又緩解了徒步逛展會(huì)的勞累。Robin</p><p>　　智能平衡車第二代 Robin-M1S 還能通過安卓系統(tǒng)手機(jī)客戶端進(jìn)行自動(dòng)平衡遙控控制，</p><p

29、>　　并且可以直接查看其自身的運(yùn)行參數(shù)。</p><p>　　圖 1-5 Robin 智能平衡車圖 1-6 獨(dú)輪平衡車</p><p>　　最近在大學(xué)校園里，流行一種獨(dú)輪平衡車，外觀小巧時(shí)尚，為大學(xué)生上下課和外</p><p>　　出購物提供了不少方便。如圖 1-6 所示。它的工作原理和兩輪平衡車的工作原理大致</p><p>　　相

30、仿，但是駕駛難度要高一些。</p><p>　　1.3 本論文的主要工作</p><p>　　本文的主要研究課題是兩輪平衡車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制作，通過深入學(xué)習(xí)和比對(duì)</p><p>　　國(guó)內(nèi)外對(duì)這個(gè)領(lǐng)域研究的相關(guān)資料上，初步設(shè)計(jì)出了一種可以載人的兩輪平衡車的驅(qū)</p><p>　　動(dòng)系統(tǒng)。因此，本文將會(huì)在以下幾個(gè)方面展開研究：</p&g

31、t;<p>　　綜合分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有兩輪平衡機(jī)器人研究領(lǐng)路的成果，并結(jié)合兩輪平衡車的的特點(diǎn)，初步擬定出兩輪平衡車的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。</p><p>　　根據(jù)兩輪平衡車在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用，并結(jié)合擬定的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電路中的一些相關(guān)參數(shù)。完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電子元器件的選用工作。</p><p>　　對(duì)擬定的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行修改和完善，并結(jié)合選用電子元器件的實(shí)際尺寸，

32、完成 PCB 電路圖的繪制，然后將 PCB 圖發(fā)廠實(shí)現(xiàn) PCB 電路板的打樣。</p><p><b>　　4</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　將選用的電子元器件正確地焊接在設(shè)計(jì)的 PCB 電路板上，完成兩輪平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路板的的制作。</p><p>　　將制作好

33、的平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，保證各個(gè)電路模塊能夠正常協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，完成兩輪自平衡小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。</p><p><b>　　5</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　第二章 平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1

34、平衡車電機(jī)拖動(dòng)</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的兩輪平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是蓄電池供電，蓄電池是一種直流電源，</p><p>　　所以該平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以選擇的電機(jī)只有：步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)和直流無刷電</p><p><b>　　機(jī)[4]。</b></p><p>　　雖然步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制性能良好，有較好

35、的位置精度、出色的起停特性和反轉(zhuǎn)響應(yīng)特性、較寬的轉(zhuǎn)速范圍、較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。但是控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，不利于平衡車保持穩(wěn)定。而且，難以運(yùn)動(dòng)到較高的轉(zhuǎn)速和獲得較大的轉(zhuǎn)矩。另外，步進(jìn)電機(jī)在體積和重量方面也沒有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低，不利于平衡車對(duì)于小空間的需求。</p><p>　　直流有刷電機(jī)控制線路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、造型美觀，大大節(jié)省了平衡車空間。并且傳動(dòng)比分級(jí)精細(xì)，選擇范圍廣，轉(zhuǎn)速型譜寬，響應(yīng)速度快

36、，滿足自平衡小車的靈敏性要求和速度要求。他的低速平穩(wěn)性好，能夠滿足平衡車的穩(wěn)定性要求。直流有刷電機(jī)的能耗低，性能優(yōu)越，減速器的工作效率高達(dá)百分之九十以上，振動(dòng)小，噪音低。另外，它采用新型的密封裝置，保護(hù)性能好，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可在有腐蝕、潮濕等惡劣的環(huán)境中連續(xù)工作。它承受載荷的能力也比較強(qiáng)，能夠滿足平衡車上坡和越障的要求。</p><p>　　雖然直流無刷電機(jī)[5]不僅完全具備普通直流有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且還不需

37、要換向器和電刷，可靠性高，大大提高了電機(jī)的使用壽命。但是，由于無刷直流電機(jī)造價(jià)過于昂貴，并且有刷直流電機(jī)的維護(hù)成本低，維護(hù)也很方便。</p><p>　　綜上所述，基于成本的考慮，同時(shí)考慮到系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用需求。本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)額定電壓為 24V，額定功率為 500W，最高可達(dá) 800W 的直流有刷電機(jī)作為平衡車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。它的減速比為 19.3:1，可以提供相當(dāng)強(qiáng)勁的動(dòng)力，最高可以上 35 度的大坡，完全可

38、以滿足平衡車的需求。</p><p>　　2.2 平衡車電機(jī)驅(qū)動(dòng)</p><p>　　2.2.1 直流有刷電機(jī)工作原理</p><p>　　任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)這個(gè)基礎(chǔ)上的，直流電機(jī)也不</p><p><b>　　6</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（

39、論文)</p><p><b>　　例外。</b></p><p>　　直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀的永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生洛倫磁力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖?，但是此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而使線圈上的電流方向也發(fā)生改變，所以產(chǎn)生的洛倫磁力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p&g

40、t;　　2.2.2 直流有刷電機(jī)調(diào)速</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，就是在一定的附在條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的一種技術(shù)。直流有刷電機(jī)的調(diào)速方法主要有三種：</p><p>　　改變電樞電路串接電阻 直流有刷電機(jī)電樞電路串接電阻后，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。這種調(diào)速方法缺點(diǎn)較多，如：機(jī)械特性比較軟，串接的電阻越大則機(jī)械特性越軟，穩(wěn)定性越低；電機(jī)在空載或輕載時(shí)可調(diào)

41、速范圍不大；實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速困難；在調(diào)速電阻上消耗大量電能；等等。特別值得注意的是，啟動(dòng)電阻不能當(dāng)調(diào)速電阻用，否則將被燒壞。正因?yàn)槿秉c(diǎn)不少，這種調(diào)速方法已經(jīng)很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用[6]。</p><p>　　改變電動(dòng)機(jī)主磁通 這種調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)平滑無極調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；調(diào)速特性軟，且受到電動(dòng)機(jī)換向條件等的限制，普通他勵(lì)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過其額定

42、轉(zhuǎn)速的 1.2 倍，所以調(diào)速范圍不大。這種調(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積和所消耗的材料量都比普通電機(jī)大得多。</p><p>　　改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓 這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速可以平滑無級(jí)調(diào)節(jié)，一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；調(diào)速特性與固有特性相互平行，機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定性比較高，調(diào)速范圍較大；屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適合對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載進(jìn)行調(diào)速；可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓而不用啟動(dòng)設(shè)備來啟動(dòng)電機(jī)。</p&g

43、t;<p>　　比較上述三種調(diào)速方法，同時(shí)考慮到直流電機(jī)本身的特性，本文對(duì)直流無刷電機(jī)選擇改變電樞供電電壓調(diào)速。由于調(diào)節(jié)電樞電壓需要專門的可控直流電源，所以本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制調(diào)速又稱 PWM 調(diào)速，其調(diào)速原理圖如圖 2-1 所是。</p><p><b>　　7</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><

44、p><b>　　Us C1</b></p><p><b>　　24V</b></p><p>　　2-1 PWM 調(diào)速原理圖</p><p>　　Q1-Q4 為四只場(chǎng)效應(yīng)管，工作在開關(guān)狀態(tài)，其中，處于對(duì)角線的一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的</p><p>　　柵極因接受同一控制信號(hào)而同時(shí)導(dǎo)通或截止。若 Q

45、1 和 Q4 導(dǎo)通，則電動(dòng)機(jī)電樞上加</p><p>　　載正向電壓；若 Q2 和 Q3 導(dǎo)通，則電動(dòng)機(jī)電樞上加載負(fù)向電壓。當(dāng)它們以較高的頻</p><p>　　率交替導(dǎo)通時(shí)，電樞兩端的電壓波形如圖 2-2 所示。由于機(jī)械慣性的作用，決定電動(dòng)</p><p>　　機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的是電樞電壓的平均值。</p><p>　　圖 2-2 電動(dòng)機(jī)電樞電

46、壓波形圖</p><p>　　設(shè)矩形波的周期為 T，正向脈沖的寬度為t1 ，并設(shè) D= t1 /T 為次電樞電壓導(dǎo)通的占空比。由圖 2-2 可求出電樞電壓的平均值。</p><p>　　Uav Us /T[t1 (T t1)] Us /T(2t1 T)</p><p><b>　　8</b></p><p>　　

47、江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　由式 2-1 可知，在 T 為常數(shù)時(shí)，人為地改變正向脈沖的寬度可以改變導(dǎo)通占空比</p><p>　　D，即可改變 Uav，來達(dá)到調(diào)速的目的。當(dāng) D=0.5 時(shí)，Uav=0，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 0；當(dāng) D>0.5</p><p>　　時(shí)，Uav 為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，且在 D=1 時(shí)，Uav=Us，電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)速達(dá)到

48、最高；當(dāng)</p><p>　　D<0.5 時(shí)，Uav 為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且在 D=0 時(shí)，Uav=-Us，反向轉(zhuǎn)速為最高。連續(xù)地</p><p>　　改變脈沖寬度，就可實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。</p><p>　　2.3 平衡車蓄電池</p><p>　　由于電機(jī)選用的是額定電壓為 24V 的直流有刷電機(jī)，所以選擇的蓄電池的額定&l

49、t;/p><p>　　電壓也應(yīng)該是 24V 的?？紤]到平衡車本身就需要一個(gè)穩(wěn)定平衡的車體，所以本設(shè)計(jì)</p><p>　　采用兩個(gè)可充電的 12V 鋰電池串聯(lián)連接為電動(dòng)機(jī)供電，分別安裝在平衡車的兩側(cè)，</p><p>　　幫助平衡車保持平衡，如圖 2-3 所示。</p><p>　　圖 2-3 平衡車蓄電池</p><p>

50、;　　2.4 平衡車主控板電流保護(hù)</p><p>　　為了防止因?yàn)殡娏鬟^大燒毀平衡車主控板和電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)必須</p><p><b>　　9</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　要考慮到電流保護(hù)的問題。因此在蓄電池供電電路中必須加入保險(xiǎn)絲。電動(dòng)機(jī)的額定功率為

51、 500W，最高功率可 800W。為保證電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量和使用壽命，這里我們選</p><p>　　30A 的保險(xiǎn)絲。普通保險(xiǎn)絲可耐電流值小，保險(xiǎn)絲插座體積大不易在平衡車車體上安裝。所以本設(shè)計(jì)選擇 30A 的中號(hào)汽車插片保險(xiǎn)絲，不僅體積小，價(jià)格低廉，還便于日后更換。</p><p>　　平衡車沒有冗余電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng) MOS 管如果意外燒斷，或者短路，電機(jī)或會(huì)全負(fù)荷輸出，那平衡車會(huì)高速失控或旋

52、轉(zhuǎn)，那是非常危險(xiǎn)的。所以我們需要在電路板上設(shè)計(jì)了 MOS 管燒斷檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)電機(jī)輸出不是由 CPU 控制的，立刻通過某種裝置切斷電源，保證安全。如果電流達(dá)到極限也能夠切斷電源，很好的保護(hù) MOS 管，這樣電路板的安全性就會(huì)有很好保障。經(jīng)過反復(fù)推敲，最終選擇松樂繼電器</p><p>　　SLB-24VDC-SL-C。它是一種汽車?yán)^電器，它的工作原理是當(dāng)檢測(cè)到的電流過大時(shí)，通過給繼電器中的銜鐵通電，把供電電源的開

53、關(guān)關(guān)斷。它的具體參數(shù)如表 2-1 所示。</p><p>　　表 2-1 松樂繼電器</p><p><b>　　2.5 單片機(jī)選型</b></p><p>　　本文所選用的控制器是 TEAXS INSTRUMENTS 公司的 MSP430F149 單片機(jī)。</p><p>　　TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī)是一

54、個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī)品種，很適合應(yīng)用于像平衡車這種采用電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合。MSP430F149 主要有以下特點(diǎn)：</p><p>　　具有非常低的供電電壓。它的最低電源供電電壓僅為 1.8V，供電電壓的范圍在 1.8V 至 3.6V 之間。</p><p>　　超低的功耗，小巧靈活，能方便地組裝成各種智能式的控制設(shè)備以及各種智能儀器儀表。</p><p>

55、;　　抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍廣，能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作。</p><p>　　快速的喚醒時(shí)間。從休眠狀態(tài)到喚醒狀態(tài)只需要 6us。</p><p>　　快速的指令執(zhí)行時(shí)間。它采用的是 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，執(zhí)行指令的時(shí)間只需要</p><p>　　150ns，比傳統(tǒng)單片機(jī)快得多得多。</p><p>　　片內(nèi)具備提供參考電壓的

56、12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器還具有采樣保持和自動(dòng)</p><p><b>　　10</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　掃描特點(diǎn)。</b></p><p>　　位的 Timer_B 定時(shí)器帶有七個(gè)捕獲/比較寄存器。片內(nèi)提供溫度傳感器。

57、</p><p>　　具有靈活的時(shí)鐘設(shè)置。主要由以下幾種方式：32kHz 的晶體方式、高頻率晶體方</p><p>　　式、諧振器方式和外部時(shí)鐘源方式。這樣就可以根據(jù)實(shí)際的功率和速度要求進(jìn)行靈活</p><p><b>　　的時(shí)鐘設(shè)置。</b></p><p>　　位的 Timer_A 定時(shí)器帶有 3 個(gè)捕獲/比較寄存器

58、。片內(nèi)提供模擬信號(hào)比較器。</p><p>　　片內(nèi)提供較多的存儲(chǔ)器，MSP430F147 提供的片內(nèi) FLASH 為 32KB，MSP430F149提供的片內(nèi) FLASH 為 60KB，同時(shí)片內(nèi)還提供較多的 RAM，以便經(jīng)行運(yùn)算處理。</p><p>　　提供較多的外圍接口，提供 P1.0～P6.0 共 6 個(gè)數(shù)據(jù)端口，能為用戶提供更多的處</p><p>　　理

59、功能。在提供的外圍數(shù)據(jù)端口中，P1 和 P2 兩個(gè)端口具有中斷功能，這樣能豐富硬</p><p>　　件系統(tǒng)的中斷資源，也為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)提供了方便。</p><p>　　代碼保護(hù)功能。單片機(jī)的安全熔絲功能可以對(duì)單片機(jī)中程序的代碼進(jìn)行保護(hù)，從而可以保護(hù)開發(fā)人員的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。</p><p>　　具有 JTAG 仿真調(diào)試接口，這樣非常便于軟件的下載和調(diào)試[7]。&l

60、t;/p><p>　　MSP430F149 具有的這些特點(diǎn)非常適合應(yīng)用在平衡車上，該單片機(jī)一共擁有 64</p><p>　　個(gè)管腳，控制平衡車顯得更為游刃有余，管腳圖如圖 2-4 所示。</p><p>　　系統(tǒng)中主要用到了下列的一些單片機(jī)端口：</p><p>　　XIN、XOUT/TCLK： 8MHz 晶振的輸入輸出端。</p>

61、<p>　　XT2IN、XT2OUT：32.768KHz 晶振的輸入輸出端。</p><p>　　VeREF+：A/D 轉(zhuǎn)換器外部基準(zhǔn)電壓。</p><p>　　P1.1～P1.3：指示燈控制輸出口。</p><p>　　P2.0～P2.3：平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)邏輯電路控制輸出口。</p><p>　　P4.1：平衡車?yán)^電器控制輸出口

62、。</p><p>　　P4.5：半橋驅(qū)動(dòng)器電源開關(guān)控制輸出口。</p><p>　　TDO、TDI、TMS、TCK、RST/NMI：器件編程和測(cè)試的輸入端。</p><p>　　P6.0：接電流傳感器的輸出端。</p><p><b>　　11</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)

63、計(jì)（論文)</p><p>　　P6.1、P6.7：接角度傳感器。</p><p>　　P6.2：作為電壓檢測(cè)的 A/D 口輸入端。</p><p>　　P6.3～P6.6：作為 A/D 口接陀螺儀模塊。</p><p>　　2-4 MSP430F149 單片機(jī)管腳圖</p><p><b>　　12<

64、/b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　第三章 平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 平衡車電源電路</p><p>　　兩輪自平衡小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源模塊總共提供四種電壓供給平衡車主控電路板使</p><p>　　用。一路是直接由蓄電池供給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分 MO

65、S 功率管使用的 24V 直流電源；一路是供給邏輯 IC 和陀螺儀使用的 5V 直流電源；一路是供給單片機(jī)使用的 3.3V 直流電源；還有一路是供給板橋驅(qū)動(dòng)器使用的 15V 直流電源。</p><p>　　3.1.1 邏輯 IC 及陀螺儀供電電路</p><p>　　邏輯 IC 和陀螺儀供電電路用的是 5V 直流電源，它是通過一個(gè)直插型四色環(huán)電阻和一個(gè)12V 轉(zhuǎn)5V 的DC-DC 正電壓穩(wěn)

66、壓器L7805CD2T 來完成5V 直流電源轉(zhuǎn)換的。該供電電路的原理圖如圖 3-1 所示。</p><p>　　圖 3-1 邏輯 IC 陀螺儀供電電路</p><p>　　圖中的 U10 芯片為 L7805CD2T，該芯片的最大輸入電壓為 35V，理論上來說在</p><p>　　輸入電壓為 24V 的情況下是可以正常輸出 5V 的電壓。但是在如此高的輸入電壓下工&

67、lt;/p><p>　　作，芯片會(huì)產(chǎn)生非常高的熱量，必須加一個(gè)散熱片才能解決芯片溫度過高的問題。然</p><p>　　而，加了散熱片之后，會(huì)大大增加電路板的面積，這樣的做法是不可取的。本文決定</p><p>　　在電路中串接一個(gè)額定功率為 1W 電阻值為 150 歐姆的四色環(huán)電阻，即圖中的 R17。</p><p>　　該四色環(huán)電阻不是一般的

68、小四色環(huán)電阻，耐壓值達(dá)到了 220V。該四色環(huán)電阻的額定</p><p>　　功率為 1W 電阻值為 150 歐姆，可以在電路中分掉 12V 左右的電壓。這樣一來，</p><p><b>　　13</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　L7805CD2T 芯片的輸入電壓就變成

69、了 12V，解決了芯片發(fā)熱過高的問題。</p><p>　　為了使 L7805CD2T 芯片輸出電壓的波紋小，在芯片的輸出管腳用了一個(gè) 47uF</p><p>　　的電解電容 C18 和一個(gè) 0.1uF 的貼片電容 C19 進(jìn)濾波處理，。另外，在芯片的輸入管</p><p>　　腳也放置了一個(gè) 220uF 的電解電容 C17，來減小輸入管腳受到電壓波動(dòng)的干擾。&l

70、t;/p><p>　　3.1.2 單片機(jī)供電電路</p><p>　　單片機(jī)供電電路采用的 3.3V 直流電源供電的，它是通過采用貼片式的</p><p>　　REG1117-3.3 芯片作為電源芯片來實(shí)現(xiàn) 5V 轉(zhuǎn) 3.3V 電壓的。該系統(tǒng)的供電電路如圖</p><p><b>　　3-2 所示</b></p>

71、<p><b>　　+3.3V</b></p><p><b>　　C19</b></p><p><b>　　Cap</b></p><p><b>　　0.1uF</b></p><p>　　圖 3-2 單片機(jī)供電電路</p>

72、<p>　　圖中電源芯片的輸入管腳接 L7805CD2T 的輸出管腳，即接+5V 地源電壓，輸出</p><p>　　電壓為 3.3V，能滿足系統(tǒng)單片機(jī)的功耗要求。</p><p>　　由圖 3-2 可以看出；單片機(jī)供電電路非常簡(jiǎn)單，只需要外圍的簡(jiǎn)單電子元器件。</p><p>　　為了減小電源芯片輸入輸出管腳的電源波紋干擾，在兩個(gè)管腳都加上了適當(dāng)?shù)碾?/p>

73、容進(jìn)</p><p>　　行濾波處理。在芯片的輸出管腳用了一個(gè) 22uF 的電解電容 C35 和一個(gè) 0.1uF 的貼片</p><p>　　電容 C36 進(jìn)濾波處理，。另外，在芯片的輸入管腳也放置了一個(gè) 0.1uF 的貼片電容 C34，</p><p>　　來減小輸入管腳受到電壓波動(dòng)的干擾。另外，在該電源芯片的輸出端還并聯(lián)了一個(gè)發(fā)</p><p

74、>　　光二極管電路，該電路主要由一個(gè)貼片發(fā)光二極管 D6 和一個(gè)貼片式的小電阻 R37 組</p><p>　　成，小電阻起保護(hù)電路的作用，可以防止二極管燒壞引起的電源短路。并聯(lián)一個(gè)這樣</p><p>　　的發(fā)光二極管是為了便于觀察該單片機(jī)供電電路能否正常工作。</p><p>　　3.1.3 半橋驅(qū)動(dòng)器供電電路</p><p>&l

75、t;b>　　14</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　半橋驅(qū)動(dòng)器供電電路使用的 MICREL 公司生產(chǎn)的 MIC2941ABU 電源芯片。該芯</p><p>　　片一共有五個(gè)管腳：Output、Input、GND、Shutdown、Adjust.。Output 為該電源芯片</p>&l

76、t;p>　　的輸出管腳，Input 為輸入管腳，GND 管腳接地，Shutdown 管腳起開關(guān)作用，Ajust</p><p>　　管腳的輸出電壓決定 Output 管腳的輸出電壓。設(shè) Ajust 管腳的電壓為 VREF，Output</p><p>　　管腳的電壓為 VOUT;則輸出電壓為：</p><p>　　圖 3-3 半橋驅(qū)動(dòng)器供電電路</p&g

77、t;<p>　　該電源芯片的輸入管腳通過松樂汽車?yán)^電器接+24V 直流電源電壓，經(jīng)過圖中的</p><p>　　電路轉(zhuǎn)換后可以輸出 15V 的直流電源電壓。此外，該電源芯片還具有管段輸出管腳</p><p>　　電源電壓的功能。當(dāng) Shutdown 管腳輸入高電平的時(shí)候，電源芯片輸出的電壓為 0，</p><p>　　Shutdown 管腳輸入高電平的

78、時(shí)候，電源芯片的輸出電壓為+15V，由圖 3-3 可以看出，Shutdown 管腳的輸入電平由單片機(jī)的 P4.5 口控制。這樣樣一來就可以靈活地控制板橋驅(qū)動(dòng)器，在必要的時(shí)候可以通過單片機(jī) P4.5 口輸出高電平來關(guān)斷</p><p>　　MIC2941ABU 電源芯片，進(jìn)而來關(guān)斷半橋驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　　3.2 平衡車單片機(jī)外圍電路</p><p>　　本次

79、設(shè)計(jì)選用的是 MSP430F149 單片機(jī)，其外圍電路圖如圖 3-4 所示，主要包括</p><p>　　單片機(jī)電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、電機(jī)控制電路、指示燈反饋電路和鋰電池電</p><p><b>　　壓檢測(cè)電路。</b></p><p><b>　　15</b></p><p>　　江蘇科

80、技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　C39 C38</b></p><p>　　104 CP2</p><p><b>　　+3.3V</b></p><p>　　0.1uF10uF</p><p><b>　　Y2</b>

81、;</p><p><b>　　32.768K</b></p><p><b>　　C37</b></p><p><b>　　CP1</b></p><p><b>　　+3.3V</b></p><p><b>　　1

82、0uF</b></p><p><b>　　DVcc1</b></p><p><b>　　P6.32</b></p><p><b>　　P6.43</b></p><p><b>　　P6.54</b></p><

83、;p><b>　　P6.65</b></p><p><b>　　P6.76</b></p><p><b>　　7</b></p><p><b>　　XT1IN8</b></p><p><b>　　XT1OUT 9</b

84、></p><p><b>　　J610</b></p><p><b>　　GND11</b></p><p><b>　　12</b></p><p><b>　　P1.113</b></p><p><b&g

85、t;　　P1.214</b></p><p><b>　　P1.315</b></p><p><b>　　16</b></p><p><b>　　C15</b></p><p><b>　　Cap</b></p><

86、p><b>　　20pF</b></p><p><b>　　C16</b></p><p><b>　　Cap</b></p><p><b>　　20pF</b></p><p><b>　　P5.4/MCLK</b><

87、;/p><p>　　P5.3/UCLK1</p><p>　　P5.2/SOMI1</p><p>　　P5.1/SIMO1</p><p><b>　　P5.0/SET1</b></p><p>　　P4.7/TBCLK</p><p><b>　　P4.6/TB6

88、</b></p><p><b>　　P4.5/TB5</b></p><p><b>　　P4.4/TB4</b></p><p><b>　　P4.3/TB4</b></p><p><b>　　P4.2/TB2</b></p>

89、<p><b>　　P4.1/TB1</b></p><p><b>　　P4.0/TB0</b></p><p>　　P3.7/URXD1</p><p>　　P3.6/UTXD1</p><p>　　P3.5/URXD0</p><p><b>　

90、　U1</b></p><p><b>　　48</b></p><p><b>　　47</b></p><p><b>　　P5.2</b></p><p><b>　　P5.1</b></p><p><b&

91、gt;　　P5.0</b></p><p><b>　　P4.5</b></p><p><b>　　P4.4</b></p><p><b>　　P4.3</b></p><p><b>　　P4.2</b></p><p

92、><b>　　P4.1</b></p><p><b>　　P4.0</b></p><p>　　3.2.1 電源電路</p><p>　　圖 3-4 平衡車單片機(jī)外圍電路</p><p>　　單片機(jī)電源電路如圖 3-5 和圖 3-6 所示。圖 3-5 和圖 3-6 分別是單片機(jī)數(shù)字電源<

93、;/p><p>　　電路和模擬電源電路。這兩個(gè)電路都是通過并聯(lián)一個(gè) 0805 封裝的 0.1uF 的貼片電容</p><p>　　和一個(gè) 1210 封裝的 10uF 的貼片電容進(jìn)行濾波的。</p><p>　　DVcc：?jiǎn)纹瑱C(jī)數(shù)字電源輸入端，接+3.3V。</p><p>　　DVss：?jiǎn)纹瑱C(jī)數(shù)字電源接地端。</p><p&g

94、t;　　AVcc：?jiǎn)纹瑱C(jī)模擬電源輸入端，接+3.3V。</p><p>　　AVss：?jiǎn)纹瑱C(jī)模擬電源接地端。</p><p><b>　　16</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　圖 3-6 單片機(jī)模擬電源電路</p><p>　　3.2.2 晶振電路

95、</p><p>　　單片機(jī)外圍電路中的晶振電路主要由兩個(gè)晶振電路組成，一個(gè)是 32.768KHz 的</p><p>　　無源晶振電路，如圖 3-7 所示，一個(gè)是 8MHz 的無源直插型晶振電路，如圖 3-8 所示。</p><p><b>　　Y2</b></p><p><b>　　32.768K<

96、/b></p><p><b>　　XT1IN</b></p><p><b>　　XT1OUT</b></p><p>　　3-7 32.768KHz 晶振電路</p><p><b>　　XT2IN</b></p><p>　　XT2OUT2

97、1</p><p>　　3-8 8MHz 晶振電路</p><p><b>　　17</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　32.768KHz 是一個(gè)比較容易分頻以便于產(chǎn)生一秒鐘的時(shí)鐘頻率，因?yàn)?32768 是 2</p><p>　　的 15 次方，

98、是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率。</p><p>　　8MHz 晶振在其兩個(gè)引腳上分別接兩個(gè) 20pF 的負(fù)載電容，這兩個(gè)電容可以幫助</p><p><b>　　晶振起振。</b></p><p>　　3.2.3 復(fù)位電路</p><p>　　單片機(jī)有的時(shí)候會(huì)遇到一些預(yù)想不到的情況，例如在調(diào)試單片機(jī)程序的時(shí)候會(huì)遇</p>

99、<p>　　到一些毫無預(yù)兆的死機(jī)或者程序跑飛的問題，而使用單片機(jī)仿真器下載和調(diào)試單片機(jī)</p><p>　　程序時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生此類情況。有時(shí)在關(guān)閉單片機(jī)的供電電源后，短時(shí)間內(nèi)又很快啟</p><p>　　動(dòng)單片機(jī)，單片機(jī)可能就會(huì)不能正常工作。以上所述的種種情況大都是因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)</p><p>　　位電路設(shè)計(jì)不正當(dāng)所引起的。本文針對(duì)這些現(xiàn)象設(shè)計(jì)的單片機(jī)復(fù)

100、位電路可以保證單片</p><p>　　機(jī)正常穩(wěn)定地工作。單片機(jī)硬件復(fù)位電路[8]圖如圖 3-9 所示。</p><p>　　圖 3-9 單片機(jī)復(fù)位電路</p><p>　　3.2.4 指示燈反饋電路</p><p>　　為了使用戶在使用平衡車的時(shí)候可以實(shí)時(shí)了解平衡車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，本設(shè)計(jì)添加了</p><p>　　三個(gè)平

101、衡車工作指示燈。這三個(gè)指示燈是由紅、綠、黃三個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的，這三</p><p>　　個(gè)發(fā)光二極管都是采用 5V 電壓驅(qū)動(dòng)的。由于發(fā)光二極管不在平衡車主控電路板上，</p><p>　　為了可以讓用戶方便觀察到指示燈，所以這次三個(gè)發(fā)光二極管必須單獨(dú)做成一塊小電</p><p>　　路板外界在平衡車主控電路板上。正是由于它是單獨(dú)外接的電路板，所以這三個(gè)發(fā)光<

102、/p><p>　　二激光的公共端是接地的而不是接的+5V 的直流電源電壓。如果公共端采用接+5V 的</p><p>　　直流電源，就需要從主控電路板另外接 5V 電源線，這樣一來就大大加大了線路的復(fù)</p><p><b>　　雜程度。</b></p><p>　　由于本設(shè)計(jì)選用的是 MSP430 系列的單片機(jī)，它輸出的高

103、電平只有 3.3V,不足以</p><p>　　驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。所以決定采用三極管作為 5V 電源的開關(guān)器件，其電路圖如圖 3-10</p><p><b>　　所示。</b></p><p><b>　　18</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p>&l

104、t;p>　　從圖 3-10 可知，三極管[9]集電極接 5V 直流電源，基極通過一個(gè)小電阻接在單片機(jī)的一個(gè) I/O 口上，二極管正極接在三極管發(fā)射極上，負(fù)極接地。當(dāng)基極輸入 3.3V 的高電平的時(shí)候，基極電壓大于發(fā)射極電壓，三極管集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，二極管可</p><p>　　以正常發(fā)光。但是，當(dāng)三極管兩極導(dǎo)通的瞬間，5V 的電壓會(huì)全部加載在發(fā)光二極管</p><p>　　上，此時(shí)

105、發(fā)射極電壓就大于基極電壓，三極管此時(shí)關(guān)斷。如此反復(fù)，發(fā)光二極管就會(huì)</p><p>　　閃爍，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。只有當(dāng)發(fā)光二極管接在三極管的集電極上才能使二極管正</p><p>　　常工作，但是受到二極管不在平衡車主控電路板上的限制，所以這種方法也不能采用。</p><p>　　經(jīng)過反復(fù)推敲，本文決定采用門電路來解決這一問題，電路圖如圖 3-11 所示。</

106、p><p>　　圖 3-11 指示燈反饋電路</p><p><b>　　19</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　圖中的 CD4001BM 是邏輯門集成電路，他有一個(gè) 5V 電源輸入口 Vcc，A、B、C、</p><p>　　D、E、F、G、H 八個(gè)輸

107、入口，四個(gè)輸出口 J、K、L、M，高電平時(shí)輸出 5V，低電平</p><p>　　時(shí)輸出 0。本電路只用到了三個(gè)輸出口，不用的輸入管腳都接地。從圖中可以看出，</p><p>　　CD4001BM 是一個(gè)與非門電路，每個(gè)輸出口的輸出電壓都是由單片機(jī)管腳的輸出電</p><p>　　壓決定的。以 P1.1 口為例，當(dāng) P1.1 輸出高電平的時(shí)候，E 即為高電平，F(xiàn) 為

108、低電平，</p><p>　　因?yàn)樵撔酒瑸橐粋€(gè)與非門電路，則 L 輸出為 0，反之，L 輸出 5V 電壓，可以驅(qū)動(dòng)發(fā)</p><p>　　光二極管發(fā)光，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。電路中，每個(gè)發(fā)光二極管都會(huì)和一個(gè)小電阻串接在一</p><p>　　起，這是為了當(dāng)二極管發(fā)生故障短路時(shí)，防止讓 5V 電源與地端短接，起到保護(hù)電路</p><p><b&g

109、t;　　的作用。</b></p><p>　　3.2.5 鋰電池電壓檢測(cè)電路</p><p>　　由于本文設(shè)計(jì)的兩輪自平衡小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是蓄電池供電，所以當(dāng)蓄電池</p><p>　　沒有電能的時(shí)候，單片機(jī)必須能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)發(fā)出指令，提醒用戶給自平衡小車充電。</p><p>　　所以本文設(shè)計(jì)了鋰電壓檢測(cè)電路，來檢測(cè)蓄電池的

110、電壓，如圖 3-12 所示。電路中的</p><p>　　貼片電容 C9 主要用來濾波，貼片電阻 R18、R19 用來分壓。所以，我們可以得出 P6.2</p><p>　　口測(cè)得的電壓與蓄電池電壓的關(guān)系式。</p><p>　　P6.2 為單片機(jī)的 A/D 口，通過 A/D 轉(zhuǎn)換可以讀出 P6.2 口的輸入電壓，由式 3-2</p><p>

111、;　　可以求出蓄電池的真實(shí)電壓，當(dāng)這個(gè)值小于一定值時(shí)，單片機(jī)可以驅(qū)動(dòng)紅色的發(fā)光二</p><p>　　極管發(fā)光，提醒用戶充電。</p><p>　　圖 3-12 鋰電池電壓檢測(cè)電路</p><p>　　3.3 平衡車電流保護(hù)電路</p><p><b>　　20</b></p><p>　　江蘇科

112、技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p><b>　　21</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　4</b></p><p><b>　　56</b></p><p><b>　

113、　7</b></p><p>　　3-13 SLB-24VDC—SL—C 繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　如圖 3-13 所示，上圖為 SLB-24VDC—SL—C 汽車?yán)^電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由上圖</p><p>　　可知，汽車?yán)^電器狀態(tài)下，管腳 1、管腳 2、管腳 4 和管腳 7 是連接在一起的，管腳</p><p>　　

114、3 和管腳 4 之間有一個(gè)電氣開關(guān)，管腳 5 和管腳 6 之間有一個(gè)線圈。它的工作原理比</p><p>　　較簡(jiǎn)單，只要在繼電器的管教五和管腳六之間加載一定的電壓，繼電器中的線圈就會(huì)</p><p>　　流過一定的電流，由電磁感應(yīng)原理可知，線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生磁性，就會(huì)把管腳 3 和管</p><p>　　腳 4 之間的開關(guān)吸下來，開關(guān)就會(huì)打到管腳 3 上，從而切斷管

115、腳 4 的電源電壓。</p><p>　　圖 3-14 平衡車電流保護(hù)電路</p><p><b>　　21</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　平衡車電流保護(hù)電路圖如圖 3-14 所示，圖中繼電器 1 腳和 2 腳接蓄電池正極，6</p><p>　

116、　腳接在 7 腳上都是輸入+24V 的直流電源電壓，5 腳和 6 腳之間通過一個(gè)整流二極管</p><p>　　D5 連接。只要使 5 腳的電壓為低電壓，即可使 5 腳和 6 腳之間產(chǎn)生電壓差把開關(guān)吸</p><p>　　到管腳 3 上。因此這個(gè)電路中就需要一個(gè)作為開關(guān)的電子元器件，本文選用的是一個(gè)</p><p>　　貼片三極管。該三極管的集電極接管腳 5，發(fā)射極

117、接地，基極通過一個(gè)阻值為 2.2K</p><p>　　的電阻 R26 接在單片機(jī)的 P4.1 口，在基極和發(fā)射極之間在并聯(lián)一個(gè)阻值為 10K 的電</p><p>　　R25。因?yàn)檫@是一個(gè)小電流控制大電流的電路，所以必須考慮到電路保護(hù)的問題。當(dāng)電路中三極管的基極和發(fā)射極導(dǎo)通時(shí)，若直接將基極接在單片機(jī)的 P4.1 口上，就會(huì)導(dǎo)致 3.3V 的電源直接接到地上，會(huì)引起這條支路的電流過大，燒壞

118、單片機(jī)，所以本文在這條電路中串接了一個(gè) 2.2K 的電阻。為了不讓 R26 分掉全部的電壓，本設(shè)計(jì)在三極管的基極和發(fā)射極之間并聯(lián)了一個(gè) 10K 的電阻，保證基極和發(fā)射極之間有足夠的電壓導(dǎo)通三極管的集電極和發(fā)射極。從而就能使平衡車電流保護(hù)電路能夠正常工作，在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主控板電流過大的時(shí)候，及時(shí)切斷電源，防止平衡車電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)引起平衡車失控，保證駕駛?cè)藛T的人身安全。</p><p>　　3.4 平衡車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路<

119、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)使用的是額定電壓為 24V，額定功率為 500W 的直流減速電機(jī)，屬于大功</p><p>　　率電機(jī)[10]。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)該直流電機(jī)雙向調(diào)速的功能，所以采用四個(gè) MOS 功率管來控</p><p>　　制一個(gè)電機(jī)。平衡車驅(qū)動(dòng)電路主要分為兩塊電路，半橋驅(qū)動(dòng)器電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊邏</p><p><b>　　輯電路

120、。</b></p><p>　　3.4.1 MOS 管</p><p>　　功率 MOS 晶體管[11]是由普通的低壓 MOS 電子器件發(fā)展而來的，它具備普通</p><p>　　MOSFET 柵控開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)他作為一種功率電子器件，還具大功率和耐高壓的</p><p>　　特點(diǎn)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 3-15 所示。</

121、p><p>　　3-15 MOS 功率管</p><p><b>　　22</b></p><p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)</p><p>　　MOS 功率管的工作原理比較簡(jiǎn)單，當(dāng) GS 之間加有一定的正向電壓時(shí)，SD 導(dǎo)通，</p><p>　　當(dāng) GS 之間無正向電壓時(shí)，SD 關(guān)斷。

122、本文選用的是 IRF1045 場(chǎng)效應(yīng)管，它最高可在</p><p>　　600V 的電壓下做開關(guān)器件，最大承受電流為 169A，完全可以滿足平衡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)地</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求。</b></p><p>　　3.4.2 半橋驅(qū)動(dòng)器電路</p><p>　　為了能夠更好地驅(qū)動(dòng) MOS 功率元件，本文選用一

123、個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器[12]來驅(qū)動(dòng) MOS 功率元件，其電路圖如圖 3-16 所示。</p><p>　　圖 3-16 半橋驅(qū)動(dòng)器電路</p><p>　　圖中使用的是 International Rectifier 公司生產(chǎn)的 IR2184s 半橋驅(qū)動(dòng)芯片，它最高</p><p>　　可以操作 600V 的電壓；門開供應(yīng)范圍為 10V 至 20V；可以兼容 3.3V 或者