[開(kāi)源造車(chē)]51單片機(jī)兩輪自平衡小車(chē)原理圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

ID:94185 · 發(fā)表于 2015-11-3 22:12

本帖最后由喵大于 2015-11-4 11:15 編輯

往后，喵嗚實(shí)驗(yàn)室成員會(huì)陸續(xù)在壇子里和大伙分享關(guān)于設(shè)計(jì)51單片機(jī)兩輪自平衡小車(chē)硬件和軟件的設(shè)計(jì)心得和經(jīng)驗(yàn)。

那么，今天我們就來(lái)看看喵嗚實(shí)驗(yàn)室兩輪自平衡小車(chē)的硬件組成吧。

喵嗚實(shí)驗(yàn)室兩輪自平衡小車(chē)硬件組成:

主控：(STC)IAP15W4K61S4（增強(qiáng)型51單片機(jī)，和STC89C51一樣簡(jiǎn)單易用）
姿態(tài)傳感器：MPU6050（3軸加速度+3軸角速度）
無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議：藍(lán)牙2.1/藍(lán)牙4.0雙模透?jìng)鳎A(yù)留NRF24L01+接口)
有線(xiàn)通信協(xié)議：CP2102（USB轉(zhuǎn)串口）
電機(jī)驅(qū)動(dòng)：MC33186
外部接口: Mirco-USB接口
電機(jī)：GB37減速電機(jī)（DC12V，減速比30，轉(zhuǎn)速365RPM）
車(chē)輪：65mm
電池：1300mAh 25c鋰電池

單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)選擇宏晶公司IAP15W4K61S4，它體積�。� LQFP48），工作電壓寬（2.5V-5.5V ），具有豐富的外設(shè)模塊，非常適合控制車(chē)模運(yùn)行。

它的主要外設(shè)包括：

PWM ：6路15位硬件PWM+2路CCP的16位；
UART：4組；
ADC：8路10位高速ADC；
定時(shí)器：共7個(gè)定時(shí)器，5個(gè)16位可重裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,2路CCP還可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器；
IO口：最多提供62個(gè)GPIO；

此外，IAP15W4K61S4內(nèi)部還集成了時(shí)鐘電路、內(nèi)部高可靠復(fù)位電路以及看門(mén)狗電路等。

內(nèi)部存儲(chǔ)器資源包括： 61k程序Flash， 4kSRAM。

該單片機(jī)的內(nèi)部資源

IAP15W4K61S4內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

由于該單片機(jī)內(nèi)已經(jīng)包含了時(shí)鐘和復(fù)位電路，所以單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路非常簡(jiǎn)潔。如圖所示。

系統(tǒng)電源

喵嗚ISO采用的是航模鋰電池，電池組充滿(mǎn)電壓為12.6V。而系統(tǒng)部分芯片需要5V供電，部分芯片需要3.3V供電，所以需要電源轉(zhuǎn)換電路。喵嗚ISO采用的是芯片LM2596-5.0和ASM1117-3.3，電路如下：

姿態(tài)傳感器

喵嗚ISO采用的是最常用的MPU6050陀螺儀加速度計(jì)一體芯片，成本不超過(guò)20元，對(duì)兩輪自平衡小車(chē)來(lái)說(shuō)，它的精度和性能綽綽有余了，MPU6050在這個(gè)價(jià)位里面幾乎是占有絕對(duì)的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。首先，它將陀螺儀和加速計(jì)整合在一個(gè)片上，通過(guò)IIC總線(xiàn)給出六個(gè)維度的ADC值；其次，芯片本身提供一個(gè)“從”IIC接口，供用戶(hù)接第三方的IIC器件，一般選擇是接一個(gè)電子羅盤(pán)，如HMC5883L，構(gòu)成一個(gè)9軸的輸出的姿態(tài)模組，現(xiàn)在MPU9150已經(jīng)喪心病狂的把電子羅盤(pán)功能也整合在片上了，但是要買(mǎi)60+元；最后，這顆芯片內(nèi)部集成了一個(gè)DMP（Digital Motion Processor）處理器，這是最讓我愛(ài)不釋手夜不能寐的一個(gè)功能，直接硬件解算四元數(shù)，從某種程度上說(shuō)解放了20%的主控資源。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于車(chē)模具有兩個(gè)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此需要兩組電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋電路。喵嗚ISO選用兩片飛思卡爾公司專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 MC33186 組成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

因此每一路電機(jī)為了能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，都需要兩個(gè)PWM信號(hào)。兩個(gè)電機(jī)總共需要4路PWM信號(hào)。

USB-Serial協(xié)議轉(zhuǎn)換

因?yàn)榭紤]到不是每個(gè)同學(xué)手上都有USB-TTL下載模塊的，而且市面上的USB-TTL模塊質(zhì)量參差不齊,質(zhì)量差的還會(huì)導(dǎo)致電腦藍(lán)屏，于是，Openmiaow板載USB-TTL下載電路，通過(guò)一根安卓手機(jī)標(biāo)配的MicroUSB線(xiàn)，就可以輕易簡(jiǎn)單地對(duì)喵嗚ISO進(jìn)行固件更新和調(diào)試參數(shù)。如此簡(jiǎn)單的操作步驟，想來(lái)隨便從大街拉一個(gè)路人過(guò)來(lái)應(yīng)該都可以完成。

藍(lán)牙透?jìng)髂K

為了讓喵嗚ISO能跟上智能機(jī)泛濫的步伐，同時(shí)也是為了增加它的適應(yīng)性和降低成本的考慮，我們?cè)谠瓉?lái)的基礎(chǔ)上增加了藍(lán)牙透?jìng)髂K，硬件焊盤(pán)上兼容藍(lán)牙2.1和藍(lán)牙4.0 BLE技術(shù)。就是說(shuō)，同樣一個(gè)喵嗚ISO的裸PCB板，可以選擇焊接藍(lán)牙2.1和藍(lán)牙BLE的模塊。

藍(lán)牙協(xié)議是很復(fù)雜的，要想去接觸并試圖一步一步的寫(xiě)出來(lái)，在我現(xiàn)有的時(shí)間下，幾乎不太可能了。而將藍(lán)牙透明傳輸成串口，這就很好的將喵嗚ISO與安卓設(shè)備對(duì)接了，可以直接在安卓設(shè)備上面開(kāi)發(fā)遙控app或者上位機(jī)。這想想也有點(diǎn)小激動(dòng)呢，于是，我們真的這么干了，也成功了。

喵嗚ISO的主要硬件介紹到這里就告一段落了，筆者剛結(jié)束學(xué)生時(shí)代，工程經(jīng)驗(yàn)十分有限，硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中肯定許多有不足和漏洞，希望廣大讀者指正，我們一定會(huì)積極接受意見(jiàn)并作出修訂，希望把喵嗚ISO做得更加完善，更加穩(wěn)定，給這片土地上的廣大愛(ài)好者提供豐富的資料和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。