毕业论文(设计) 题目红外遥控两轮自平衡小车设计
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题设计的背景 (1)
1.2 课题设计的意义 (1)
1.3 两轮自平衡小车国内外现状 (1)
1.4 单片机简介 (2)
1.5 PID算法简介 (3)
2 总体设计方案 (4)
2.1 实现功能 (4)
2.2 整体设计思路 (4)
2.3 系统结构设计 (6)
3 主要原件介绍 (7)
3.1 MSP430单片机 (7)
3.1.1 MSP430F149单片机 (8)
3.2.2 MSP430F149单片机最小系统 (9)
3.2 MPU6050芯片 (10)
3.3 L298N电机驱动芯片 (11)
4 硬件设计和系统软件设计 (13)
4.1 硬件设计 (13)
4.1.1 单片机核心模块 (13)
4.1.2 陀螺加速度计MPU6050 (14)
4.1.3 HS0038B红外线接收头 (15)
4.1.4 L298N驱动模块 (16)
4.1.5 光电传感测速 (17)
4.2 系统软件设计 (17)
4.2.1 主程序设计 (17)
4.2.2 红外线接收程序 (18)
4.2.3 卡尔曼滤波算法 (19)
4.2.4 MPU6050模块 (20)
4.2.5 自平衡PID控制算法 (22)
5 实物展示 (23)
6 设计总结 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
红外遥控两轮自平衡小车设计
徐佳
南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044
摘要：本次设计包含了单片机主控模块、陀螺加速计模块、光电传感测速模块、驱动模块、红外线接收模块等，设计采用MPS430单片机作为核心，使用GY-52陀螺仪来测量倾角和角加速度，用卡尔曼滤波和PID算法来对得到的数据进行分析处理，并且调节好小车的动态平衡，使得小车在前进和后退的同时按照接收到的红外信号来保持平衡。
关键词：MSP430单片机；红外线；PID算法；三轴陀螺仪；卡尔曼滤波
Infrared remote control self-balancing robot design
Xu jia
School of Information and Control, NUIST, Nanjing 210044, China
Abstract:The design includes a single-chip control module, gyro accelerometer module, optical sensing speed module, driver module, infrared receiver modules, designed with MPS430 microcontroller as the core, using GY-52 gyroscope to measure the angle and angular, with Kalman filtering and PID algorithms to analyze and process the data obtained, and regulate the dynamic balance of the car, so the car in forward and backward at the same time according to the received infrared signal to maintain balance.
Keywords:MSP430 MCU; infrared; PID algorithm; triaxial gyroscope; Kalman filter.
1 绪论
1.1 课题设计的背景
近年来，两轮自平衡小车方面的研究发展迅速，成为比较热门的研究领域之一。由于目前社会发展迅速，所以现在要求智能小车能够达到的要求更多，能够在复杂的环境中很好的适应，更加出色的完成各项任务。比如：
循迹小车是按照事先所画的路线朝前行进；
户外小车要能够在凹凸不平的路面很好的前进；
避障小车则能够很好的避开一切阻挡行进的障碍。
但是有时候环境中的阻碍不可预料，如何很好的预测以及解决这些问题，是目前研究者们需要思考并且解决的问题。
1.2 课题设计的意义
本论文所研究的课题是红外两轮自平衡小车，该课题的研究是机器人小车领域的一个向外的延伸，而且移动小车的研究和发展也同样代表了许多领域技术的同步发展，其中涉及了计算机技术，软件技术，微电子技术等很多相关领域，毫不夸张的说甚至可以代表一个国家的综合实力。
红外遥控两轮自平衡小车其实也就是在这么一个大背景之下衍生出来的课题，它包含了动力学理论和自动控制理论，并且把它们相互结合，流程如下：
小车通过红外接收器来读取加速度和倾角的数值；
利用卡尔曼滤波精准的计算出数值得出电机的转速，将转速进行积分运算，算出电机的实际位移量；
然后红外线接收头接收到来自红外遥控的信号；
从而产生一个下降沿的信号，使左右电机增减速，利用驱动电机来保持平衡。
经过调试之后，如果成功，则小车不仅能够通过双轮前后移动来保持动态平衡，而且能在保持平衡的前提之下同时直立前进。红外遥控两轮自平衡小车的结构系统本身并没有很复杂，但是它还是很有讲究的一个结构，在价格方面很亲民，而且不会占用太大的地面，操作起来也是相当便捷，是一很好的实验工具。
1.3 两轮自平衡小车国内外现状
两轮自平衡小车自面世以来，各国研究者都表现出了很大的兴趣，所以小车的研究也得到了长足的发展，不单单是爱好者拥有了两轮小车，就连实验室也出现了各式样的小车的模型，同时很多专家学者也提出了很多关于小车平衡的方案，并且在平衡性能和运动性能方面更加深入的作了研究。趋于完善的商品化两轮自平衡小车可在运输、载人、代步等实际生活方面发挥自己的才能。种种的这一切表示这不仅是因为两轮自平衡小车外观独特新颖，而且它的造价低廉功能完善，能够独立完成很多较为困难的任务，因此两轮自平衡小车同样具有很高的商业价值，在功能完善之后可以逐渐商品化。
国外在两轮自平衡小车研究方面有不少杰出的例子：
（1）在1987年，日本某教授首次提出了两轮小车模型项目的观点。然而当时他的观点是用数字处理器来对小车的姿态变化进行检测，再用平行的两轮前后转动来维持机器的平稳。
（2）在21世纪初期，瑞士联邦工业大学的Joe还有另一位来自美国的学术专家的两轮自平衡机器人逐渐出现在大家的眼前，这使得当时的专家学者、小车爱好者都趋之若鹜，竞相投入到该类型小车的研究中去了，在当时引起了很大的关注热潮。
（3）美国DEKA公司的人员狄恩?卡门研究出了能够代步的两轮自平衡小车，并给该车取名为赛格威，随着后来人们的好评，该公司也将这种类型的小车市场化了。
国内在两轮自平衡小车研究上面也并不逊色：
（1）2004年，台湾国立中央大学里面的研究者也通过模糊控制的方法成功使得一辆两轮小车达到了动态平衡，在当时取得了很多人的关注。
（2）同年，河南科技大学研发的平衡双轮电动机样机，是使用了C8051F020单片机作为核心处理器，利用陀螺仪和传感器来测量转动角速度和倾角，使用一系列控制算法来得到信号经过D/A来驱动电机。
（3）2005年，哈尔滨工业大学的数名学者也开始研究两轮自平衡机器人，该机器人的核心处理器是当时应用广泛的单片机C8051，而且用到了人机交互上位的机作，当时对小车的车体的倾角进行测量时也是利用的当时先进的反射式红外线测距传感器和双轴加速度传感器。电机的转速则是利用PWN技术进行调控，而上位机和机器人之间需要进行数据通信，这里就需要用MODEM，而且需要其功率很小、高速的无线信号。人机交互方面则是使用液晶点阵、按键和方向遥杆。为了使得双轮小车能够稳定的趋于平衡，当时学者们还使用了自己研究的控制算法。
由于两轮自平衡车移动迅速、无噪音、不污染环境等优点，现在很多公司已经将其商业化，很多消费者也很乐意买一辆能够方便代步的小车，显然商家也是抓住了很大的机遇。不仅如此，两轮小车也在一些高级场合里面频频出现，渐渐在同类产品里面崭露头角。
1.4 单片机简介
单片机是一种嵌入式的芯片，本身体积不大，能够实现微控制，是一种微型芯片。单片机具有很多优点：
（1）集成度高
单片机本身是把能实现各种功能的部件集成在一块体积不大的芯片上面，虽然体积很小，但是却能实现各种功能；
（2）结构简单容易懂
虽然单片机的功能很全面，能够借助其他的原件实现很多别的芯片不能实现的任务，但是它的结构却不是那么的复杂，如果仔细学习了解，很快就能熟练的运用单片机，这对于新接触的人来说是很好的；
（3）功能方面比较丰富
单片机体积很小，结构不是很复杂，但是在功能方面毫不逊色，能够配合部件很好的完成各项指令，因此很受研究者的喜爱；
（4）很高的可靠性
在结构简单，功能全面的前提之下，单片机仍然拥有着不俗的可靠性，单片机内部很多部件是固化的，所有指令通道集成在一个芯片之内，而且在工业设计上使用也不会受到其他因素的干扰，可靠性很高；
（5）在价格方面也比较低
这么多的优点齐聚之下，它的价格也是非常亲民的，一般的研究者都能消费的起，并不是大研究所的专属芯片，所以更加突出了单片机的广阔市场。
在诸多地方得到了相当多的应用，通过单片机把很多传统的机电设备改进成为了智能的机电设备。单片机虽然体积不大，但是其内部却包含了许多集成电路，它的本身是一种超大规模的集成电路，能够处理好很多的事情，其中包含了对数据进行处理的能力，对数据进行随时存储的能力，对写好的程序进行读取的能力，也有着不俗的数据输入输出能力。所以虽然体积小，结构没那么复杂，但是其本身也是一个较为完整的小型计算机系统。在特定软件的操控之下，该集成电路能够完成各项设计者事先安排好的指令。单片机在处理数据、运行程序方面比同类芯片更加的优越，功能更加的全面，因为仅仅靠它可以独自实现很多现代工业控制的智能化控制功能，然而其他芯片却不能达到这个水平。
1.5 PID算法简介
PID控制器其实面世已经约1个世纪了，被频繁的在机械设备、气动设备和电子设备等方面使用。然而现在数字PID控制器包含了微处理器，把一个PID控制器放入一小段代码当中将不再困难。PID算法的三要素分别是：比例、积分、微分。PID控制器里面的三要素被分配的任务也是不一样的，因此在系统中扮演着不同的角色，起了不同的作用。在典型的PID系统中，PID系统的控制输出分为三项，分别是输入命令值和被控器反馈信号。比例是P，其实是输入的偏差和一个系数相乘；积分就是用I来表示，然后对输入偏差作积分；而最后的字母D则表示微分运算，微分算法是对输入偏差进行计算的。
在数据的运算过程中，PID控制器可以根据偏差的比例、积分和微分等三个方面来共同分析计算调控的，它在各方面的应用上也是十分的广泛。PID控制器具有许多优点：简单易实现：并不像一些其他算法一样，要在特定的条件下，才能对数据进行最优化的处理，PID控制器能够适应各种状态；
可在多种领域使用：涉及面很广，不仅仅局限在一个很小的平台上，能在多个领域方面使用，适用性强，因此更加的通俗易懂；
控制的参数互相不干扰：虽然PID控制可以同时对多种数据进行计算调节，但是难能可贵的是这些参数也不会互相渗透，导致一些误差；
选取参数时没那么复杂：只要按照特定的要求对参数进行选定，就可以进行调节计算，但是这个过程并不复杂，
不仅在实际操作中，而且在理论方面也能够加以证明，总结得出PID控制器其实是一种优化后的控制。PID调节的特定方法对连续运动下的系统也能够进行调节，可以简单的对动态系统的参数进行整定，可以根据参考物的不同灵活的变化结构。然而虽然这几种PID算法不
算很难，却是都有自己的独特之处，一般的控制都可以用这三种方法来实现。
2 总体设计方案
2.1 实现功能
本设计以MSP430F149作为核心处理器，采用了新型的MPU6050芯片来测量倾角和角加速度值，利用卡尔曼滤波和互补滤波算法对数据进行处理，根据测量的光电传感器输出脉宽值计算实时速度，通过PID算法来对得到的数据进行分析处理，并且调节好小车的动态平衡，然后按照接收到的红外信号实现前进，后退，停止或转向。
2.2 整体设计思路
红外遥控两轮自平衡小车要求能够在没有外部因素的协助的同时凭借一双平行的车轮保持平衡，并完成一系列动作。然而小车的两轮要使得小车保持平衡以及直立行进，然而车轮是由两只直流电机驱动的。如果把小车作为一个整体的控制对象，则两轮的转动速度是对该控制对象的输入量。整个控制系统可以分为三大部分：
(1)平衡控制：
对小车的倾角的数值进行分析计算处理，然后驱动小车的双轮前后转来保持小车的动态平衡。
(2)速度控制：
先在保持住小车平衡的条件下，然后利用对小车倾角的调节来控制小车的速度，其实就是利用电机来对小车的速度进行实时调节。小车前倾会使小车加速，小车后倾则会让小车减速。
(3)方向控制：
小车的转向需要控制，但是由于没有方向盘，而且轮子是固定住的，因此不能改变轮子的角度，所以转向就需要利用小车两轮的速度差。车子两轮的驱动是分开的，所以对左车轮进行驱动加速，右车轮速度不变，则小车向右转向；对右车轮进行驱动加速，左车轮速度不变，则小车向左转向。小车的车轮不仅可以控制小车的平衡，而且方向同样可以得到控制。然而方向方面的控制并不是最主要的。
三个子系统既要完成自身的任务调节控制，又要与其他系统进行联系来完成整个任务。因为三个系统同时分析较为不便，所以在分析的时候需要分开分析，并且先忽略其他系统的误差。
在分析速度控制时：先不考虑小车的现时状态，假设小车是处于一个直立的状态，并且维持住，不会前倾或后仰；
在分析小车方向控制时：可以对小车施加一个大小不变的驱动力，让小车达到匀速状态，然后再考虑平衡方面的问题；
在分析小车平衡控制时：也应该让其他两个方面达到相应的要求，其中最要紧的是要能保持住小车的直立动态平衡。
由于小车同时受到三种控制的影响，因此在一个分析其中一个控制的时候，要尽量对其
他两个控制进行调整，使得干扰减少。可以比如让道路平滑来让小车在适当的环境中保持速度和方向的稳定，这样的前提之下再来调整小车平衡。通过修改平衡控制中的小车的倾角来使得小车的速度变化，从而让车子实际倾角改变，以至于速度方面得到控制。但是又不能一下子改变太大的倾角，因为这样会使小车不能反应过来而失败，所以得细致的修改。平衡控制则是三种子系统里面最重要的一个部分，当然也是很有难度的一个部分，得花费时间来调节好。
图2.1 小车调节平衡的简易图
本设计包含了三大部分：
（1）姿态读取：
两轮自平衡车因为是平行的两轮，是一个本身不稳定的结构，因此需要对其自身不断进行调整，来达到并且保持平衡。所以需要不断检测自身实时的状态，然后进行数据分析之后迅速调整，才能够实现动态平衡，因而姿态读取是让小车平衡的一个起始关键步骤。
先模拟IIC 通信读取MPU6050的加速度以及倾角的数值，并利用卡尔曼滤波算法和互补滤波算法计算分析出更加准确的小车倾角以及角加速度值。通过MSP430单片机Timer_A 的CAP 模式计算出光电传感器输出的PWM 波脉宽值，结合对应的栅格距离，便能得出电机的转速，将测出的转速值分析之后进行积分运算，最后得出电机的相对位移值。
在双轮平衡车姿态检测系统中，要首先能够检测出小车的倾斜角和倾斜的加速度，这里就会用到加速度计和陀螺仪这两种元件，其中加速度计属于测量加速度大小和方向的测量工具，其功能完善，可以精准的测量出车体静态时的角度，加速度计会被小车的震动所影响到，所以当小车在运动过程中进行测量的话可以能会有一些误差。陀螺仪则是可以测量旋转运动状态的元件，可以通过对时间积分利用角速率来得到相应的角速度值。
为了使得更加精准的对小车的现时状态进行分析和处理，要对小车的倾角值、加速度值等进行数据融合，这时实验者就可以使用卡尔曼滤波方法对得到的数据作最优化的估算，能够排除不利因素的干扰，其本质上来讲也是一种滤波的方法。在计算的过程当中，会不断的进行递归运算，算出最优的值后停止。
（2）接收信号：
打开电源之后，小车开始运行，这时候红外接收头如果接收到来自红外遥控器的信号，将会产生一个下降沿的信号，MCU便进入下降沿中断程序，读取红外线码值分析之后来控制左右电机速度的增加和减少。红外接收信号的同时要保证对数据处理的准确性。
（3）电机控制：
小车在运行的时候，如果发生了车体前倾或者后仰，系统采用PID 控制算法以及卡尔曼滤波算法对小车倾斜角度、偏转角速度、车体行走速度和瞬时位置等参数值进行整合、分析、计算，然后通过输出PWM信号，从而使得驱动电机运转，使得小车在运转过程中能够产生力矩，来使小车达到预期的平衡效果。
两轮自平衡小车为了在直立的位置相对的稳定下来，就需要对其加入额外的力，让恢复力与移动的方向相反，来运转驱动电机，让小车的车轮产生一个相对的加速度，然后小车将会由于惯性作用恢复到平衡的位置上。
然而，我们不单单需要小车能够达到平衡的位置，并且需要让小车能够在平衡的位置稳定住，所以我们还需要增加一个力来辅助，那就是阻尼力，其中小车系统里面本身就存在了一些阻尼力，如：摩擦力、空气阻力等，所以这时候的相对的阻尼力其实并不大，不过为了保持对误差的减少，保证对小车控制的精准度，所以还要另外增加额外的阻尼力来参与其中保持小车的稳定。
小车应对采集到各项的数据采用PID算法得出左右电机相应的PWM占空比数值，由MSP430F149单片机核心模块在比较分析之后输出PWM波，然后利用L298N驱动芯片来驱动小车达到预期的要求。
2.3 系统结构设计
图2.2 系统结构图
红外遥控两轮自平衡小车的控制系统主要由以下一些模块组成：
单片机主控模块：利用了功耗相对低的MSP430单片机的最小系统作为核心控制；
红外遥控模块：主要是给小车输送一个信号，由接收模块进行接收；
红外接收模块：检测车体实时的倾角和加速度等值
电源模块：给系统施加电压，来给予动力；
电机驱动模块：根据所得的数据利用L298N来对电机进行精准操控；
光电测速模块：通过光电传感器来测量电机的现时转速；
陀螺仪平衡模块：对小车的现时状态检测并且运算之后保持小车的平衡。
系统结构图如图2.2所示。
3 主要原件介绍
3.1 MSP430单片机
MSP430系列单片机是美国德州仪器在20世纪末期开始发行的一个产品，该单片机是16位，功耗方面很低，具有丰富的精简指令［５］，其实因为它的功能齐全，能够适应很多方面的实际需求，所以是一种混合型的微型芯片，相较其他的芯片，它也具有很多不错特点：（1）处理能力强：
MSP430单片机占16位，虽然功能方面很受大家的认可，但是它结构却不复杂，在寻址方面也各式各样，在其内部的核心指令也简单易懂，然后内部进行的模拟指令同样不麻烦；该芯片为了能够试用于各种运算，所以内部集成了很多寄存器和单片机内部对数据进行存储的器件；它的查表处理指令也是特别的效率，源程序因为有这些优势能够很好的编出来。
（2）运算速度快：
MSP430单片机指令周期为40ns，数字信号处理算法可以由本芯片的数据宽度、指令周期和各种用处的硬件乘法器相配合来共同实现［６］。
（3）超低功耗：
MSP430单片机在降低芯片电源电压和对运行时钟控制方面很有优势，所以也就造就了其很低的功耗，减少了许多能量的损失。MSP430单片机的电源电压不是很高，因此即使在很低频率的时钟条件下也可以正常运行，不过此时它的电流会到达最低点，数值大致为165μA。MPS430单片机包括了两个不同的时钟系统，它引起的CPU和各方面所要的部分系统，而且它们能够通过下达命令，进行启动和关闭，这样总体的消耗将会在一个可控制的范围内。而且系统运行时功能模块开启不一样，也就是不一样的工作方式，芯片的功耗也会因此大不一样。
（4）片内资源丰富：
MSP430单片机包含了许多片内外设，许多外围模块在其中构成了不一样的组合，例如：看门狗、模拟比较器A、定时器A0、定时器A1、定时器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器、实时时钟和USB控制器等［７］。
首先，看门狗的功能跟它的名字有关，当程序不在规定的方向运行的时候，可以让程序迅速复位，到达稳定的位置；
模拟比较器是用比较模拟电压的大小方向的，可以跟定时计部件一起使用，能表达出A/D 转换器［８］；
两个16位定时器分别是Timer_A和Timer_B，当出现数据的时候，它们可以截住数据然后进行比对，该部件可以在多处运用；
还有部分器件能实现异步、同步和多址访问串行通信接口等功能，这样能便捷的让多机通信等功能实现；
另外该芯片中还有不少I/O端口，P0、P1、P2端口可以收到外部上升沿或下降沿中断输入；
10/12位硬件A/D转换器转换速率很高，其数值可以到200kbps，可以让大部分数据采集应用使用；
而且可以驱动超过160段的液晶；
让两路中12位D/A变化能够成功运行；
硬件方面I2C总数据线接口端可以对存储器串行进行扩容；
DMA部件可以对所得到的数据的运输进行加速。
MSP430单片机的这些子系统为了达到各种功能而表现出了很好的适应性。还有一个方面，MSP430单片机里面包含了不少能够使得数据断开的源头，而且能用来随意在其他部分进行使用，在运用的时候迅速快捷，速度很快，从省电模式下重新启动只要短短的5μs。
（5）方便高效的开发环境：
MSP430单片机因为商家的制作手段不一样，而大概分为三种类型，分别是OTP 型、FLASH 型和ROM型器件。使用的方法也是不一样的，可以先把程序下载到FLASH的内部，然后在器件内利用编写的软件使程序运行一下，最后用JTAG接口来对片内信息进行读取。而且只是一台PC机和一个JTAG调试器就可以利用上面的方法了，更免除了仿真器和编程器这两个仪器的使用，其编程使用的也是最基本的汇编语言和C语言这两种。
MSP430单片机是由德州公司开发，许多技术人员非常乐意使用它因为它的价格低廉而且适用性广。该单片机拥有非常广的编址范围，不仅如此单片机上的外围模块也非常丰富，单片机内部的硬件乘法器也是非常的精密。在实际使用的时候就会显得尤其的快捷便利，另外因为它有在超低功耗模式下工作的特点，这样对环境的污染就会很小，同样工作人员也不会接收到太多的辐射，其能耗的测量值大约为100mw，具有很高的可靠性，运行时不会受到其他的干扰，而且该芯片更适合在工业方面使用，在自动控制方面也在市场上占据了一席之地。由此MSP430单片机将会在以后在各个领域得到迅猛的发展，它连接了DSP系列的关系，伴随这自动控制的不断发展，这种芯片也逐渐将会得到大多数人的青睐。
3.1.1 MSP430F149单片机
MSP430F149单片机由于自身的功耗方面的性能很优越的特点，所以在能耗的设计方面突出了很大的优势。MSP430F149单片机的产品在很多方面都能看见它的身影，比如水气电表、家用电器、智能家居、安防、工业控制等。它具有以下参数和功能：
（1）容量大：
程序存储器大小：60 KB，数据RAM大小：2KB，远超过STC89C52单片机的内部保存容量与512B的RAM容量；
（2）最大时钟频率低：
最大时钟频率：8 MHz，可以灵活设置主时钟、辅助时钟、子时钟三个时钟源，选用合适的时钟源，可以使单片机的能耗进一步降低；
（3）中断触发口多：
具有48个普通IO口，其中16个IO口可以提供外部触发中断，远多于STC89C52的两个中断触发口；
（4）功耗不高：
工作电压最低1.8V，最高3.6V，正常工作模式下使用1MHz时钟是片内电流约280μA，单片机待机模式下电流仅1.6μA，低功耗方面十分优秀，RAM数据保存模式下非常省电；
（5）温度适应性优秀：
最高工作温度可高达85℃，最低工作温度可低至-40℃，可以满足在室外较恶劣条件下的工作温度条件；
（6）模块的精度高：
片上集成有8路12位模数转换器，具有内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能，通过片内12位的模数转换器可以得到很高的精度；
（7）快速启动：
从非工作状态到工作状态，只需要不到6μS时间；
（8）片内具有2个16位计数器、片内比较器、数模转换器等诸多功能。
3.2.2 MSP430F149单片机最小系统
图3.1 MSP430F149单片机最小系统实物图电路
本系统使用的是MSP430F149的最小系统版，实物图3.1如图所示，本最小系统简要介绍如下：
（1）该单片机其中的最小系统的基本电路；
（2）所有的I/0口已经全部引出，可供用户使用，具有一个LED灯可以指示编程状态；
（3）只要事先留下3.3V和5V的电路接口端，最好上面有显示电源的提示闪烁灯，其内部含有能稳定电压的芯片，对本最小系统的USB供电端来提供5V的直流电，即可利用最小系统板上的上面所说的稳定电压的芯片降压然后变成3.3V的电流压强，供给单片机正常工作；
（4）集成BSL编程器，只需一条USB数据线就可烧写程序；
（5）集成USB转UART功能，使用USB数据线就可以向串口调试输出打印信息；
（6）外形尺寸：68 * 55mm。
3.2 MPU6050芯片
图3.2 MPU6050芯片图
表3.2 MPU6050的主要管脚功能
MPU6050芯片是首例6轴姿态传感器，它的特点是封装很小，这是一个很大的优势，和加速度计、陀螺仪来对照，它不存在组合它们俩之间因为一起工作而产生的轴差问题，同时原件占用的空间也会大大的减少。MPU6050芯片的内部包含了主要的三个部分：3轴陀螺仪、3轴加速度计和1个数字运动处理器，外部的数字传感器可以与这其中的I2C接口相连，然后还有一个将作为通信端口方便与MCU连接。所以凭借两个端口足够测量出加速度和角速度等数值，从而节约了I/O的端口位置。而且此芯片包含了6个16位的AD转换器，通过I2C协议可以读取转换之后的姿态数据，而且输出加速度、角速度的数值，不需要MCU对其再进行AD转换，这样的话MCU减少了运算，分担了不少压力，还有可以用汇编语言进行编程来对
MPU6050里的加速度计和陀螺仪的量程进行设置。
图3.3 MPU6050引脚图
MPU6050芯片里面包含了3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计，其中每个轴部件里面有一个16位AD转换器，测量范围大致为±16g，所以它能够很细致的进行数据判断。所以芯片在正常工作时，陀螺仪、加速度计分别对x、y和z三个轴的电压值进行收集，之后利用AD转换，转换为数字信号，在转换完成之后再通过I2C总线向控制芯片处传送，得到角度和角速度的值，不过该数值还要经过一定的比例分析计算才可以算出真正的数值。表 3.3为MPU6050芯片主要的引脚功能。
3.3 L298N电机驱动芯片
L298N芯片的显著特征是施加电压很高和输送电流很大，此芯片的封装也是15脚。
有三个主要特点：在该芯片工作状态的时候，此时的施加电压是相对较高的，同时给其施加的输送电流同样不小，额定功率为25W。
其中芯片在正常运作的时候电压的最高值可以达到46V，在瞬时的输送电流可以达到3A，而一般情况下的电流大小是2A。
此芯片因为集成了2个形状为H桥的驱动器所以能带的动一些感性负载；
采用了通用的逻辑类型的电平信号进行系统调控；
其中包括了2个控制信号输入或者输出的端口，能够排除外界往芯片内发送信号的干扰确定元件在正常运作状态时是否拥有逻辑电压来控制输入的电源，让其中一部分在部件里的使用二进制的电路在较低的电压加持下正常的运作；
同样能够从外面接检测功能的电阻，把变化量再次发送给控制电路。
在对电动机的推进方面，其表现的很出色，能够成功带动两相步进电机、四相步进电机或者同时带动两台直流电机。
图3.4 L298N实物图
L298N芯片的中有4个通道电路负责电动机的驱动部分，可以接收到TTL数字电压的高低电平的信号，可以成功带动电压值46V、电流值2A以下的普通电机。
L298N有四个接口端OUTl、OUT2和OUT3、OUT4分别来连接两个不同的电动机从而驱动这两个电机来进行一系列的任务；
ENA，ENB这两个端口可以连接控制使能端，使得电机停止或者运转。
引脚图如图3.5所示。
表3.3 输入引脚和输出引脚的逻辑关系
L298N各个引脚的介绍和作用：
引脚9是逻辑供应电压；
引脚4是驱动部分输入电压，逻辑供应电压有最小电压和最大点压的输入要求，而驱动部分输入电压的最大电压值同样也是36V，但是在实际情况下，驱动部分输入电压应该比逻辑供应电压高，如果不按照这个要求驱动会不能再可控范围内；
引脚2，3，13，14是L298N芯片的信号对外发送端口；
引脚2和3则是可以对不能把电容分流的电机进行控制，而对于能把直流电转换为机械能的电动机，则是能够成功带动一个；
引脚13和14也是一样的；
引脚6和11脚接线端是关于使能的；
引脚5，7，10，12是输入引脚端口，然后来决定电机的正向旋转或者反向旋转；
引脚1和15既能独自连接对电流和电压进行取材的，形成该芯片内部的电流发送信号，同样可以直接接地。
图3.5 L298N引脚图
该芯片的一些参数如下：
表3.4 L298N芯片参数
4 硬件设计和系统软件设计
4.1 硬件设计
4.1.1 单片机核心模块
MSP430F149芯片是一款具有超低功耗特点的芯片，而最小系统是该芯片里面的一个基本电路，不过也能确保芯片稳定的工作，其中主要有几个组成部分：
通信部分：进行数据之间的通讯；
数据存储部分：把测量之后的数据进行存储；
电源部分：给系统施加电压；
晶振部分：起振，输出频率；
复位部分：把系统初始化到最开始的状态。
该芯片的最小系统的硬件框图如图4.1所示。
本设计使用P1.1和P1.2端口来采集光电元件作为检测元件的传感器输出的PWM波的大小，使用P1.3和P1.4端口软件模拟IIC与MPU6050通信，使用P4.1、P4.2、P4.3、P4.4来驱动L298N。
图4.1 MSP430F149硬件框图
4.1.2 陀螺加速度计MPU6050
在本次设计中，我采用的是MPU6050芯片，陀螺仪和加速度计因为存在了轴间差的问题，所以存在一定的误差，而MPU6050芯片却没有这样的问题，因此在包装方面也节省了空间。该芯片的角速度的测量范围很大，能够比较精准的测出各种速度，加之用户还可以对加速器进行程式控制，其全格感测的范围为同样很大，芯片的运转速度很快，相较其他芯片也有很大的优势。
图4.2 MPU6050外围电路连接图
模块里的运算仪器能够通过卡尔曼滤波算法在非静态的环境之中精准的分析出当前模块的状态，运算性能很不错，使用者可以利用处理器读取测量数据再从串口输出，这样可以减少对协议的分析，而且它的布局和工艺很巧妙，所以将会接收到很小的外界干扰，因此测量
的精度会很高，模块内部包含了好几种电压的嵌入式系统，跟各种元件连接起来很方便，不过模块同样也有I2C的接口，可以对不同层次的需求都得到满足，模块加上了最新的数字滤波技术，可以很好的降低外界噪声的干扰，在进行检测的时候可以大幅的扩大其准确性，而且因为它体积不大、轻巧易带，可以安放在各种PCB板上。
如图4.2所示是MPU6050外围电路的连接图，如下表4.1所示是MPU6050芯片的模块参数。
模块的参数：
表4.1 MPU6050模块参数
4.1.3 HS0038B红外线接收头
下图所示：
标注1的引脚可以把信号发送出去；
标注2的引脚则作为提供电源的端口；
标注3的引脚为电源的正向端口。
图4.3 NEC协议波形时序图
该电路如果当时可以截取到一个载波频率的离散型信号，此时HS0038B芯片内部的对红外线很敏感的部件立即把外部发来的红外线光输送信号转化成一个标注的电流传感信号，经过前置放大器和自动增益控制电路之后，信号强度将会变强，这时候让带通滤波器进行接收，接收完成之后对其进行滤波算法处理分析，经过处理后的电信号再通过解调电路进行解调处
理，最终再经过输出电路进行放大处理，最后向外输出一个低压电平；但是如果没有上述信号，则将会发送一个高压电平。
图4.4 红外接收电路
本设计采用的接收器是HS0038B红外接收头，它包含了三个引脚，其中包括了供电脚、接地脚和信号输出脚，利用的红外线遥控器是使用NEC协议来向外发送波形[9]。如图4.3所示是其电路图，低位端先用NEC协议来选好，然后先从低位端发送一个能自动增益的高脉冲出去，再发出一个低电平出去，再然后把地址码和命令码发送出去，其一共占四个字节，分别是：地址码、地址码反码、命令码、命令反码[10]。连续按好几次按键，也只发出去一次信号，按住不松手，却是发出去一个重复码。
4.1.4 L298N驱动模块
因为本设计中MCU驱动能力有限，所以应该要加上一个驱动模块来驱动电机。L298N驱动电机高电压、大电流符合本次设计中所需要的条件，该芯片采用的是15脚的封装，有很多不错的优点，例如：工作电压高，最高可达到46V；发送的电流值很大，瞬时的最高电流能达到3A，其稳定的正常运作的电流为2A[12]；而额定功率是25W。
L298N的主要引脚功能如下表：
表4.2 L298N主要引脚功能
两轮平衡小车由两个直流电机来驱动，其驱动电路由L298N芯片来负责，其中OUT1和OUT2端口接到直流电机M1上，OUT3和OUT4端口接到直流电机M2上，IN1、IN2、IN3、
常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-07 基金项目：江苏省大学生实践创新训练计划项目“两轮自平衡机器小车的设计”（jx110152011） 作者简介：李荣伟（1989—），男，江苏东海人，常熟理工学院电气与自动化工程学院测控技术与仪器专业2009级学生. 通讯作者：李鑫（1983—），男，安徽亳州人，实验师，硕士，研究方向：智能控制技术与现代检测技术，E-mail:lixin_yy@https://www.doczj.com/doc/4b12117422.html,．两轮自平衡小车的设计 李荣伟，李鑫，孙传开，张冬林，江振峰 （常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟215500） 摘要：设计了以陀螺仪ENC-03以及MEMS 加速度计MMA7260为传感器的姿态感知系统， 选用16位单片机MC9S12XS128为控制核心处理器，完成对传感器信号的采集处理、车身控制以及人机交互的设计，实现小车自主控制平衡状态、运行速度以及转向角度大小等功能.实验结果表明该系统的性能满足设计要求. 关键词：两轮自平衡；姿态检测；卡尔曼滤波；数据融合；PID 控制器 中图分类号：TP242.6文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0070-06 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究已成为目前科学研究最活跃的领域之一，移动机器人经常会遇到在较为狭窄复杂的环境中如何灵活快捷地执行任务的问题.两轮自平衡机器人的概念就是在此背景下提出来的，这种机器人区别于其他移动机器人最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式（又称差分式驱动），车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移动保持车身的平衡、行驶[1].因为具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，所以在军用和民用领域有着广泛的应用前景，更重要的是系统具有多变量、非线性、强耦合、不稳定性的特性，使其成为很好地验证控制理论及方法的平台，具有很高的研究价值. 1系统整体设计 本文设计的自平衡车采用姿态传感器（加速度计和陀螺 仪）监测车身所处的俯仰状态和状态变化率，通过高速微控制 器（MC9S12XS128）完成数据融合处理，得到平滑而稳定车体 姿态信息，然后驱动电动机产生前进或后退的加速度来控制 车体保持平衡，同时系统还要根据速度的反馈量来完成对车 体速度和方向的控制，微控制器还需构建相关输入输出模块 和人机交互设备.系统设计总体结构框图如图1所示. 已知自平衡车高度为l ，质量为m ，将其抽象为一级倒立 摆，并将倒立摆置于可水平移动的小车上.假设其受外力干图1系统设计总体结构框图
两轮自平衡小车控制系统的设计 摘要：介绍了两轮自平衡小车控制系统的设计与实现，系统以飞思卡尔公司的16位微控制器MC9S12XS128MAL作为核心控制单元，利用加速度传感器MMA7361测量重力加速度的分量，即小车的实时倾角，以及利用陀螺仪ENC-03MB测量小车的实时角速度，并利用光电编码器采集小车的前进速度，实现了小车的平衡和速度控制。在小车可以保持两轮自平衡前提下，采用摄像头CCD-TSL1401作为路径识别传感器，实时采集赛道信息，并通过左右轮差速控制转弯，使小车始终沿着赛道中线运行。实验表明，该控制系统能较好地控制小车平衡快速地跟随跑道运行，具有一定的实用性。 关键词：控制；自平衡；实时性 近年来，随着经济的不断发展和城市人口的日益增长，城市交通阻塞以及耗能、污染问题成为了一个困扰人们的心病。新型交通工具的诞生显得尤为重要，两轮自平衡小车应运而生，其以行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。但是，昂贵的成本还是令人望而止步，成为它暂时无法广泛推广的一个重要原因。因此，开展对两轮自平衡车的深入研究，不仅对改善平衡车的性价比有着重要意义，同时也对提高我国在该领域的科研水平、扩展机器人的应用背景等具有重要的理论及现实意义。全国大学生飞思卡尔智能车竞赛与时俱进，第七届电磁组小车首次采用了两轮小车，模拟两轮自平衡电动智能车的运行机理。在此基础上，第八届光电组小车再次采用两轮小车作为控制系统的载体。小车设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械及能源等多个学科的知识。 1 小车控制系统总体方案 小车以16位单片机MC9S12XS128MAL作为中央控制单元，用陀螺仪和加速度传感器分别检测小车的加速度和倾斜角度[1]，以线性CCD采集小车行走时的赛道信息，最终通过三者的数据融合，作为直流电机的输入量，从而驱动直流电机的差速运转，实现小车的自动循轨功能。同时，为了更方便、及时地观察小车行走时数据的变化，并且对数据作出正确的处理，本系统调试时需要无线模块和上位机的配合。小车控制系统总体架构。 2 小车控制系统自平衡原理 两轮小车能够实现自平衡功能，并且在受到一定外力的干扰下，仍能保持直立状态，是小车可以沿着赛道自动循线行走的先决条件。为了更好地控制小车的行走方式，得到最优的行走路径，需要对小车分模块分析与控制。 本控制系统维持小车直立和运行的动力都来自小车的两个轮子，轮子转动由两个直流电机驱动。小车作为一个控制对象，它的控制输入量是两个电机的转动速度。小车运动控制可以分解成以下3个基本控制任务。 （1）小车平衡控制：通过控制两个电机正反方向运动保持小车直立平衡状态； （2）小车速度控制：通过调节小车的倾斜角度来实现小车速度控制，本质上是通过控制电机的转速来实现小车速度的控制。 （3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向控制。 2.1 小车平衡控制 要想实现小车的平衡控制，需要采取负反馈控制方式[2]。当小车偏离平衡点时，通过控制电机驱动电机实现加、减速，从而抵消小车倾斜的趋势，便可以保持车体平衡。即当小车有向前倾的趋势时，可以使电机正向加速，给小车一个向前的加速度，在回复力和阻尼力的作用下，小车不至于向前倾倒；当小车有向后倾的趋势时，可以使小车反向加速，给小车一个向后的加速度，从而不会让小车向后倾倒，。
双轮自平衡车 学校：德州学院 学生：唐文涛焦方磊李尧 指导老师：孟俊焕 时间：二О一四年7 月10日～10 月 6 日共12 周
中文摘要 两轮自平衡车是动态平衡机器人的一种。2008年我国奥运会的时候安全保卫工作使用过它,到今年两轮平衡车已经发展的相对成熟。在国家节能、降耗、环保、低碳、经济的方针政策下，两轮平衡车进行了资源整合、技术升级，在原来的两轮单轴式自平衡的基础上采取两轴双轮可折叠设计，两轮自平衡车具有运动灵活、智能控制、操作简单、驾驶姿势多样、节省能源、绿色环保、转弯半径为0等优点。适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、办公大楼、大型公园及广场、生态旅游风景区、大学校园、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的中、短距离代步工具。也是集娱乐、代步、炫酷为一体的，主打形象是汽车伴侣解决停车后几公里内的代步问题。 两轮自平衡车主要由驱动电机、锂电池组、车轮、车身等组成。其工作原理：车体内置的精密固态陀螺仪来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。 关键词：陀螺仪，动态稳定，折叠，驱动系统，平衡。 English abstract Two rounds of self-balancing vehicle is one of the dynamic balance of the robot. In 2008 the Olympic Games security work used it in our country, in the year to balance two rounds of car has developed relatively mature. In the national energy saving, consumption reduction, environmental protection, low carbon, economic policies and regulations, the two rounds of balance of resource integration, technology upgrades, in the original two rounds of single shaft type taken on the basis of self balancing two shaft double folding design, two rounds of self-balancing vehicle movement, flexible, intelligent control, simple operation and driving posture diversity, save energy, green environmental protection, the advantages of turning radius of 0. Apply to run in narrow space, can in a large shopping center, the international conference and exhibition venues, sports venues, office buildings, large parks and square, ecological tourism scenic spot, the university campus, city life in residential quarters and other indoor or outdoor situations as the medium and short distance transport of people. Is entertainment, walking, cool as a whole, the main image is car partner solve the problem of parking within a few kilometers after walking. Two rounds of self-balancing vehicle is mainly composed of drive motor, lithium battery pack, wheel, body, etc. Its working principle: the body's built-in precision solid-state gyroscope to judge the body's position, through sophisticated and high-speed central microprocessor
基于单片机的两轮自平衡车控制系统设计 摘要 两轮自平衡车是一种高度不稳定的两轮机器人，就像传统的倒立摆一样，本质不稳定是两轮小车的特性，必须施加有效的控制手段才能使其稳定。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用重力加速度陀螺仪传感器MPU-6050检测小车姿态，使用互补滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用STC 公司的8位单片机STC12C5A60S2为主控制器，根据从传感器中获取的数据，经过PID算法处理后，输出控制信号至电机驱动芯片TB6612FNG，以控制小车的两个电机，来使小车保持平衡状态。 整个系统制作完成后，小车可以在无人干预的条件下实现自主平衡，并且在引入适量干扰的情况下小车能够自主调整并迅速恢复至稳定状态。通过蓝牙，还可以控制小车前进，后退，左右转。 关键词：两轮自平衡小车加速度计陀螺仪数据融合滤波 PID算法 Design of Control System of Two-Wheel Self-Balance Vehicle based on Microcontroller Abstract Two-wheel self-balance vehicle is a kind of highly unstable two-wheel robot. The characteristic of two-wheel vehicle is the nature of the instability as traditional inverted pendulum, and effective control must be exerted if we need to make it stable. This paper presents a design scheme of two-wheel self-balance vehicle. We need using gravity accelerometer
两轮自平衡小车毕业设计毕业论文 目录 1.绪论 (1) 1.1研究背景与意义 (1) 1.2两轮自平衡车的关键技术 (2) 1.2.1系统设计 (2) 1.2.2数学建模 (2) 1.2.3姿态检测系统 (2) 1.2.4控制算法 (3) 1.3本文主要研究目标与容 (3) 1.4论文章节安排 (3) 2.系统原理分析 (5) 2.1控制系统要求分析 (5) 2.2平衡控制原理分析 (5) 2.3自平衡小车数学模型 (6) 2.3.1两轮自平衡小车受力分析 (6) 2.3.2自平衡小车运动微分方程 (9) 2.4 PID控制器设计 (10) 2.4.1 PID控制器原理 (10) 2.4.2 PID控制器设计 (11) 2.5姿态检测系统 (12) 2.5.1陀螺仪 (12) 2.5.2加速度计 (13) 2.5.3基于卡尔曼滤波的数据融合 (14) 2.6本章小结 (16) 3.系统硬件电路设计 (17) 3.1 MC9SXS128单片机介绍 (17) 3.2单片机最小系统设计 (19)
3.3 电源管理模块设计 (21) 3.4倾角传感器信号调理电路 (22) 3.4.1加速度计电路设计 (22) 3.4.2陀螺仪放大电路设计 (22) 3.5电机驱动电路设计 (23) 3.5.1驱动芯片介绍 (24) 3.5.2 驱动电路设计 (24) 3.6速度检测模块设计 (25) 3.6.1编码器介绍 (25) 3.6.2 编码器电路设计 (26) 3.7辅助调试电路 (27) 3.8本章小结 (27) 4.系统软件设计 (28) 4.1软件系统总体结构 (28) 4.2单片机初始化软件设计 (28) 4.2.1锁相环初始化 (28) 4.2.2模数转换模块（ATD）初始化 (29) 4.2.3串行通信模块（SCI）初始化设置 (30) 4.2.4测速模块初始化 (31) 4.2.5 PWM模块初始化 (32) 4.3姿态检测系统软件设计 (32) 4.3.1陀螺仪与加速度计输出值转换 (32) 4.3.2卡尔曼滤波器的软件实现 (34) 4.4平衡PID控制软件实现 (35) 4.5两轮自平衡车的运动控制 (37) 4.6本章小结 (39) 5. 系统调试 (40) 5.1系统调试工具 (40) 5.2系统硬件电路调试 (40) 5.3姿态检测系统调试 (41)
本科毕业设计 基于PID控制器的两轮自平衡小车设计 摘要 两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活的特点，适用于狭小和危险的工作空间，在安防和军事上有广泛的应用前景。两轮自平衡小车是一种两轮左右平衡布置的，像传统倒立摆一样，本身是一种自然不稳定体，其动力学方程具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性，需要施加强有力的控制手段才能使其保持平衡。 本文在总结和归纳国内外对两轮自平衡小车的研究现状，提出了自己的两轮自平衡小车软硬件设计方案，小车硬件采用陀螺仪和加速度传感器检测车身的重力方向的倾斜角度和车身轮轴方向上的旋转加速度，数据通过控制器处理后，控制电机调整小车状态，使小车保持平衡。由于陀螺仪存在温漂和积分误差，加速度传感器动态响应较慢，不能有效可靠的反应车身的状态，所以软件使用互补滤波算法将陀螺仪和加速度传感器数据融合，结合陀螺仪的快速的动态响应特性和加速度传感器的长时间稳定特性，得到一个优化的角度近似值。 文中最后通过实验验证了自平衡小车软硬件控制方案的可行性。 关键词：自平衡互补滤波数据融合倒立摆 Two-wheeledSelf-balancingRobot MaXuedong (CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China) Abstract:Thetwo-wheeledself-balancingrobotissmallinmechanism,withsimplest ructureandcanmakeflexiblemotion,目录 华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表
燕山大学 课程设计说明书题目：双轮自平衡小车机器人系统设计与制作 学院（系）：机械工程学院 年级专业：12级机械电子工程 组号：3 学生： 指导教师：史艳国建涛艳文史小华庆玲 唐艳华富娟晓飞正操胡浩波 日期： 2015.11
燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：机械电子工程系
摘要 两轮自平衡小车是一种非线性、多变量、强耦合、参数不确定的复杂系统，他体积小、结构简单、运动灵活，适合在狭小空间工作，是检验各种控制方法的一个理想装置，受到广大研究人员的重视，成为具有挑战性的课题之一。 两轮自平衡小车系统是一种两轮左右并行布置的系统。像传统的倒立一样，其工作原理是依靠倾角传感器所检测的位姿和状态变化率结合控制算法来维持自身平衡。本设计通过对倒立摆进行动力学建模，类比得到小车平衡的条件。从加速度计和陀螺仪传感器得出的角度。运用卡尔曼滤波优化，补偿陀螺仪的漂移误差和加速度计的动态误差，得到更优的倾角近似值。通过光电编码器分别得到车子的线速度和转向角速度，对速度进行PI控制。根据PID控制调节参数，实现两轮直立行走。通过调节左右两轮的差速实现小车的转向。 制作完成后，小车实现了在无线蓝牙通讯下前进、后退、和左右转向的基本动作。此外小车能在正常条件下达到自主平衡状态。并且在适量干扰下，小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：自平衡陀螺仪控制调试
前言 移动机器人是机器人学的一个重要分支，对于移动机器人的研究，包括轮式、腿式、履带式以及水下式机器人等，可以追溯到20世纪60年代。移动机器人得到快速发展有两方面原因：一是其应用围越来越广泛；二是相关领域如计算、传感、控制及执行等技术的快速发展。移动机器人尚有不少技术问题有待解决，因此近几年对移动机器人的研究相当活跃。 近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。双轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人，是一种多变量、非线性、强耦合的系统，是检验各种控制方法的典型装置。同时由于它具有体积小、运动灵活、零转弯半径等特点，将会在军用和民用领域有着广泛的应用前景。因为它既有理论研究意义又有实用价值，所以两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室的广泛关注。 本论文主要叙述了基于stm32控制的两轮自平衡小车的设计与实现的整个过程。主要容为两轮自平衡小车的平衡原理，直立控制，速度控制，转向控制及系统定位算法的设计。通过此设计使小车具备一定的自平衡能力、负载承载能力、速度调节能力和无线通讯功能。小车能够自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整，并在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡。能够以不同运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作，同时也能够实现双轮自平衡车系统的无线远程控制操作
2012年省电子竞赛设计报告 项目名称：自平衡小车 姓名：连文金、林冰财、陈立镔 指导老师：吴进营、苏伟达、李汪彪、何志杰日期：2012年9月7日
摘要： 本组的智能小车底座采用的是网上淘宝的三轮两个电机驱动的底座,主控芯片为STC89C52,由黑白循迹采集模块对车道信息进行采集,将采集的信息传送到主控芯片,再由主控芯片发送相应的指令到电机驱动模块L298N，从而控制电机的运转模式。 关键词： STC89C52 L298N 色标传感器 E18-F10NK 自动循迹 引言： 近现代，随着电子科技的迅猛发展，人们对技术也提出了更高的要求。汽车的智能化在提高汽车的行驶安全性，操作性等方面都有巨大的优势，在一些特殊的场合下也能满足一些特殊的需要。智能小车系统涉及到自动控制，车辆工程，计算机等多个领域，是未来汽车智能化是一个不可避免的大趋势。本文设计的小车以STC89C52为控制核心，用色标传感器 E18-F10NK作为检测元件实现小车的自动循迹前行。 一、系统设计 本组智能小车的硬件主要有以STC89C52 作为核心的主控器部分、自动循迹部分、电机驱动部分。 1.1方案论证及选择： 根据设计要求，可以有多种方法来实现小车的功能。我们采用模块化思想，从各个单元电路选择入手进行整体方案的论证、比较与选择。 本方案以STC89C52作为主控芯片，通过按键进行模式的选择切换，按键一选择三轮循迹，按键二进行两轮循迹。 1.1.1模式一（三轮循迹）： 模式一（按键一控制）：三轮循迹的时候，通过色标传感器和激光传感器进行实时的数据采集，反馈给主控芯片，主控芯片通过驱动L298来控制两路直流减速电机，从而保证路线的准确性。
中北大学 课程设计说明书 学生姓名: *杰学号：* 学院: 仪器与电子学院 专业: * 题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计 指导教师：李锦明职称: 副教授 2015 年1 月30 日
摘要 近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪L3G4200以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用飞思卡尔32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等。 整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合
目录 1 课程设计目的 (1) 2 设计内容和要求 (1) 2.1 设计要求 (1) 2.2 研究意义 (1) 2.3 研究内容 (2) 3 设计方案及实现情况 (2) 3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2) 3.2 系统方案设计 (3) 3.3 系统最终方案 (6) 3.4 系统软件设计 (9) 3.5 电路调试 (16) 4 课程设计总结 (18) 参考文献 (19) 附录 (20) 致谢 (21)
1 课程设计目的 （1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程； （2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法； （3）掌握ARM的应用； （4）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求 （1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用； （3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图； 2.2 研究意义 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科 学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也 越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外 移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比 较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题[1]。 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其 他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱 动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移 动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。由于特殊的结构，其适 应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。 两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关 注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身 的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高 的研究价值。
2015年陇东学院第十六届“挑战杯” 课外学术科技作品竞赛 双轮自平衡小车的设计与制作 学院：电气工程学院 班级：12级自动化本科班 姓名：周永 2015年12月8日
双轮自平衡小车的设计与制作 摘要：双轮自平衡小车是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统，其关键是在解决自平衡的同时，还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外加速度传感器、角速度传感器等，可以实现小车的平衡自主前进。双轮自平衡小车，涉及到传感器的驱动，数据的处理，角度的计算，电机的控制等，内容比较丰富，可作为实践自动控制原理及单片机技术的一个不错选择，是自我锻炼的绝好选题，对于以后制作此方面的民用产品也有很大的启迪作用。 关键词：双轮；自平衡；控制；传感器 1.引言 目前市场上的各种电子产品及家电机器人等行业越来越多地用到了智能控制技术。可以说，当今社会是一个智能型社会。各方各面都在竭尽全力向着智能方向发展，不论是人工智能还是联网智能，都在突出一个智能。智能已经覆盖了我们生活的方方面面，我们正在被智能的概念所潜移默化。不论是智能手机、玩具还是机器人，都已经成了我们生活的一部分。正是在这种情况下，智能交通的发展也发生了翻天覆地的变化，从飞车到自动驾驶汽车，无不在向我们说明，现代人已经对智能型交通工具期待已久了。作为最新科技产品的一个代表，最近市场上新出现的独轮车越来越受到了消费者的青睐。可以想象，最近几年内此类产品将会在市场上争得一席之地。比起独轮车，两轮车具有同样的购买热度，但是设计难度却没那么高，所以我将选择了从双轮车开始玩起智能交通工具。 2设计方案 方案一：用51单片机作为主控制器,用MPU6050模块采集姿态数据，用光电编码器对5V直流电机进行编码，显示模块采用LCD12864液晶屏，电源采用三端稳压方案，用红外遥控控制小车行走。本设计简单廉价，然而由于主控的反应相对缓慢，很难满足设计要求。 方案二：采用STM32单片机作主控制器，仍然用MPU6050模块作姿态数据采集，而电机采用二手的型号为16G214E MR19的具有高精度霍尔编码器的原价2000+的瑞士进口12V直流电机，显示模块采用了更轻薄更清晰更小巧的
平衡车介绍 概述 编辑 随着人们环保意识的加强，电动车的数量与日俱增。与此同时，科学家经过潜心的研究，终于开发出新款两轮电动平衡车。两轮电动平衡车是一种新型的交通工具，它与电动自行车和摩托车车轮前后排列方式不同，而是采用两轮并排固定的方式。两轮电动平衡车采用两个轮子支撑，蓄电池供电，无刷电机驱动，加上单片机控制，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡，仅仅依靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。[1] 技术原理 编辑 运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上，也就是车辆本身的自动平衡能力。以内置的精密固态陀螺仪（Solid-StateGyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。 技术特点 编辑 1、左右两轮电动车，独特的平衡设计方案。 2、集“嵌入式+工业设计+艺术设计”的产品集成创新技术，以嵌入式技术提升产品的内在智能化，以适应当代产品数字化、智能化的趋势，实现由内而外的创新。 3、产品信息建模，建立一套既包含产品形状特征，也包含用户认知意象的心理特征体系，并在此基础上进一步开发以用户对产品的最终要求驱动的产品生成系统。 功能配置 编辑 代步出行 代步是电动平衡车以及同类型产品具有的物理特性，时速最高可达20km，单次充电可完成20-70km的续航里
程。 移动视频 电动平衡车可以与手机、DV、相机等设备结合，利用其自动行走功能，成为移动拍摄平台。 APP应用 电动平衡车可以与手机互联，通过手机APP，可以实时了解体感车的行驶、售后信息，同时，APP还可以实现交友、分享等功能，同时还具有蓝牙配置功能，通过手机蓝牙来控制车子。 蓝牙音箱 配备蓝牙音箱，通过手机蓝牙播放音乐，成为移动音乐平台。产品特色 电力驱动，噪音小：电动平衡车采用锂电池组作为动力来源，实现了碳的零排放，并采用了动力转换技术，能够在下坡行驶的过程中自动为锂电池组进行充电，使电能与动能可以循环利用，同时由于改良了电机性能，所以电动平衡车的噪音非常小。 体积小，重量轻：两双拖鞋大小的垂直投影面积，占地空间小，并且把手可以快速拆卸。电动平衡车整车重量在15kg左右，同时车体配有提拉杆，便于搬运携带。 站立式驾驶：电动平衡车采用站立式驾驶方式，通过身体重心和操控杆控制车体运行。同时可以使用配件中 的短把手，用小腿控制车体运动，解放双手。
两轮自平衡车 算法：和大家的一样，一个倾角环，一个车速环。取得角度、角速度、车速、车位移四个量后经过运算送给PWM驱动电机。 硬件： 主控：atmega16； 角度传感器：角速度传感器(陀螺仪)ENC-03MB(直接接AD输入，未加硬件滤波)、加速度传感器MMA7260，二者kalman融合取得角度、角速度。PS：抄zlstone的，呵呵。 电机速度传感器：每个电机两个霍尔传感器（AB相）。 电机：型号不清楚，很常见的减速电机。额定电压6V，功率3W。 电机驱动:L298N 电源：变压器整流桥那种普通电源，几块钱一个。两个，电机、MCU分开供电。电机电源电压打到最高不接电机时15V多，接了电机5V多，汗。。 显示器：LCD1602B 遥控：电视红外遥控器
引用图片 (原文件名:20110110_0104.jpg) 引用图片 源代码WINAVR20100110+AVRStudio4.18ourdev_610434C8FD1C.rar(文件大小:104K)(原文件名:Balance.rar)原理图： atmega16最小系统版ourdev_610214M89OEI.pdf(文件大小:30K)(原文件名:M16迷你板电路图.pdf)
上位机，带波形、数据显示ourdev_610318TY8G24.rar(文件大小:48K)(原文件名:串口调试.rar) 车速未滤波之前波形(原文件名:车速未滤波之前波形.JPG)
车速10Hz低通滤波后波形(原文件名:车速10Hz低通滤波后波形.JPG) 视频在这里https://www.doczj.com/doc/4b12117422.html,/v_show/id_XMjM1OTQ3NzU2.html 现在还不是很稳，我想有两个原因，一个是参数没调到最佳，调了好久，先这样吧。再有就是电源太烂了，电机是额定6V的可实际电压空载的时候才打到5伏多一点，在平衡的时候没测，肯定更低了。 陀螺仪ENC-03是直接接AD输入端的，因为按照datasheet上边的参考电路有过冲问题，这个问题有个帖子已经讨论过，很多人都是 围绕怎么补救这个问题，我来算一下为什么这样子，呵呵~如下： 高通滤波脉冲响应(原文件名:QQ截图未命名.jpg) 因为有这个问题，会给倾角数据造成影响，所以我就去掉了滤波，直接接到AD。这样1deg/s有0.67mv，10位AD参考电压是3.36V，最小才能测到3.28mv，小于4.8deg时就测不到了。本来担心这个问题，但试了下KALMAN滤波，真是强啊！角度很精确，就这么用了。 车体研究了好久，没有用钢化玻璃的设备，就一直没动工。有天去打水突然看到旁边有个大的三合板，呵呵，于是乎。。
双轮自平衡车设计报告 学院………….......... 班级…………………… 姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..姓名………………..手机号…………………..
目录 一、双轮自平衡车原理 二、总体方案 三、电路和程序设计 四、算法分析及参数确定过程
一.双轮自平衡车原理 1.控制小车平衡的直观经验来自于人们日常生活经验。一般的人通过简单练习就可以让一个直木棒在手 指尖上保持直立。这需要两个条件：一个是托着木棒的手掌可以移动；另一个是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势（角速度）。通过手掌移动抵消木棒的倾斜角度和趋势，从而保持木棒的直立。这两个条 件缺一不可，让木棒保持平衡的过程实际上就是控制中的负反馈控制。 图1 木棒控制原理图 2.小车的平衡和上面保持木棒平衡相比，要简单一些。因为小车是在一维上面保持平衡的，理想状态下，小车只需沿着轮胎方向前后移动保持平衡即可。 图2 平衡小车的三种状态 3.根据图2所示的平衡小车的三种状态，我们把小车偏离平衡位置的角度作为偏差；我们的目标是通过 负反馈控制，让这个偏差接近于零。用比较通俗的话描述就是：小车往前倾时车轮要往前运动，小车往后倾时车轮要往后运动，让小车保持平衡。 4.下面我们分析一下单摆模型，如图4所示。在重力作用下，单摆受到和角度成正比，运动方向相反的回复力。而且在空气中运动的单摆，由于受到空气的阻尼力，单摆最终会停止在垂直平衡位置。空气的阻尼力与单摆运动速度成正比，方向相反。 图4 单摆及其运动曲线
类比到我们的平衡小车，为了让小车能静止在平衡位置附近，我们不仅需要在电机上施加和倾角成正比的回复力，还需要增加和角速度成正比的阻尼力，阻尼力与运动方向相反。 5 平衡小车直立控制原理图 5.根据上面的分析，我们还可以总结得到一些调试的技巧：比例控制是引入了回复力；微分控制是引入了阻尼力，微分系数与转动惯量有关。 在小车质量一定的情况下，重心位置增高，因为需要的回复力减小，所以比例控制系数下降；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。在小车重心位置一定的情况下，质量增大，因为需要的回复力增大，比例控制系数增大；转动惯量变大，所以微分控制系数增大。 二.总体方案 ■小车总框图
课程设计说明书 学生姓名:学号： 学院: 专业: 题目: 基于ARM的两轮自平衡车模型系统设计
摘要 近年来，两轮自平衡车的研究与应用获得了迅猛发展。本文提出了一种两轮自平衡小车的设计方案，采用陀螺仪L3G4200以及MEMS加速度传感器MMA7260构成小车姿态检测装置，使用卡尔曼滤波完成陀螺仪数据与加速度计数据的数据融合。系统选用飞思卡尔32位单片机Kinetis K60为控制核心，通过滤波算法实现车身控制，人机交互等。 整个系统制作完成后，各个模块能够正常并协调工作，小车可以在无人干预条件下实现自主平衡。同时在引入适量干扰情况下小车能够自主调整并迅速恢复稳定状态。 关键词：两轮自平衡陀螺仪姿态检测卡尔曼滤波数据融合
目录 1 课程设计目的 (1) 2 设计内容和要求 (1) 2.1 设计要求 (1) 2.2 研究意义 (1) 2.3 研究内容 (2) 3 设计方案及实现情况 (2) 3.1 两轮平衡车的平衡原理 (2) 3.2 系统方案设计 (3) 3.3 系统最终方案 (6) 3.4 系统软件设计 (9) 3.5 电路调试 (16) 4 课程设计总结 (18) 参考文献 (19) 附录 (20) 致谢 (21)
1 课程设计目的 （1）掌握嵌入式系统的一般设计方法和设计流程； （2）学习嵌入式系统设计，掌握相关IDE开发环境的使用方法； （3）掌握ARM的应用； （4）学习掌握嵌入式系设计的全过程； 2 设计内容和要求 2.1 设计要求 （1）学习掌握基于ARM Cortex-M4内核的Kinetis K60系列单片机的工作原理及应用；（2）学习掌握加速度计、陀螺仪的工作原理及应用； （3）设计基于PID控制的两轮自平衡车模型系统的工作原理图及PCB版图； 2.2 研究意义 近年来，随着电子技术的发展与进步，移动机器人的研究不断深入，成为目前科 学研究最活跃的领域之一，移动机器人的应用范围越来越广泛，面临的环境和任务也 越来越复杂，这就要求移动机器人必须能够适应一些复杂的环境和任务。比如，户外 移动机器人需要在凹凸不平的地面上行走，有时环境中能够允许机器人运行的地方比 较狭窄等。如何解决机器人在这些环境中运行的问题，逐渐成为研究者关心的问题[1]。 两轮自平衡机器人的概念正是在这样一个背景下提出来的，这种机器人区别于其 他移动机器人的最显著的特点是：采用了两轮共轴、各自独立驱动的工作方式(这种驱 动方式又被称为差分式驱动方式)，车身的重心位于车轮轴的上方，通过轮子的前后移 动来保持车身的平衡，并且还能够在直立平衡的情况下行驶。由于特殊的结构，其适 应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的工作。 两轮自平衡机器人自面世以来，一直受到世界各国机器人爱好者和研究者的关 注，这不仅是因为两轮自平衡机器人具有独特的外形和结构，更重要的是因为其自身 的本质不稳定性和非线性使它成为很好的验证控制理论和控制方法的平台，具有很高 的研究价值。
两轮自平衡小车设计 一、任务要求 图1两轮自平衡车 两轮自平衡车结构原理如图1所示，主控制器（DSP）通过采集陀螺仪和加速度传感器得到位置信号，通过控制电机的正反转实现保持小车站立。 1、通过控制两个电机正反运动，实现小车在原地站立。 2、实现小车的前进、后退、转弯、原地旋转、停止等运动； 二、方案实现 2.1电机选型 图2直流电机 两轮自平衡车由于需要时刻保持平衡，对于倾角信号做出快速响应，因此对电机转矩要求较大。在此设计中选用国领电机生产的直流电机，其产品型号为GB37Y3530，工作电压6v-12v。为增大转矩，电机配有1:30传动比的减速器。
2.2电机测速方案 图3霍尔测速传感器 在电机测速方案上主流的方案有两种，分别是光电编码器和霍尔传感器。光电编码器测量精度由码盘刻度决定，刻度越多精度越高；霍尔传感器精度由永磁体磁极数目决定，同样是磁极对数越高精度越高。由于两轮自平衡车工作于剧烈震动环境中，光电编码器不适应这种环境，因此选用霍尔传感器来测量速度。电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR，配合1:30的减速器传动比，可以计算出车轮转动一圈输出的脉冲数目为64X30=1920CPR，完全符合测速要求。 2.3电机驱动控制系统概述 本平台电机驱动采用全桥驱动芯片L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。本驱动桥能驱动46V、2A 以下的电机。其输出可以同时控制两个电机的正反转，非常适合两轮自平衡车开发，其原理图如下图所示 图4L298N原理图 采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电
基于PID控制两轮自平衡小车设计
目录 1.方案设计论证 (3) 1.1单片机的选择与论证 (3) 1.2显示模块的选择与论证 (3) 1.3按键模块的选择与论证 (4) 1.5电机模块的选择与论证 (5) 2.硬件设计 (5) 2.1微控制模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.2传感器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.3显示器模块设计与分析.................................................................. 错误！未定义书签。 2.4按键模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。 2.5电源模块设计与分析...................................................................... 错误！未定义书签。 3.特色创新 (5) 4.总结 (7) 参考文献 (8)
两轮自平衡小车设计 摘要：以Kinetis_K60微处理器单片机作为控制核心，通过PID算法，利用陀螺仪，摄像头、加速度计、编码器和液晶显示器等元件，设计了此两轮自平衡控制小车，实现了小车的自动平衡。该系统的创新主要体现在可以自动循迹，实时的显示周围环境的温度及小车行驶速度，以便用户可以了解当时的温度和小车的速度。该系统的主要特点是方便，快捷，环保。 关键词：Kinetis_K60微处理器，PID,陀螺仪，加速度计，液晶显示器 Abstract：We use Kinetis_K60 micro processor control with micro controller as the core,through the PID algorithm, using gyroscopes, cameras, accelerometers, encoders and LCD monitors and other components,designed the two-wheeled self-balancing control car to achieve as elf-balancing car.Innovation is mainly reflected in the system can automatically tracking, real-time display of temperature and speed of the car with the surrounding environment,so that users can under stand the prevailing temperature and the speed of the car.The main features of the system is easy, fast and environmentally friendly. Keyword：Kinetis_K60 micro processor PID algorithm accelerometers 就目前市场上的小车来说，结构过于普通，而且大部分是通过四轮同时着地行走的，同时不够智能和人性化，所以我们设计了两轮自平衡控制小车。 1.方案设计论证 1.1单片机的选择与论证 方案一：凌阳公司的16位单片机。 该单片机是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但凌阳公司的单片机编程规则与传统的单片机大不相同，并且IO口数量相对于其他单片机来说较少。 方案二：ATMEL公司的AT89s52作为系统的控制器。 AT89s52单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低，被各个领域广泛应用。但是51系列单片机RAM、ROM等资源少，外围模块少，指令周期长。 方案三：Kinetis_K60微处理器。 Kinetis_K60微处理器，它具有144个I/O管脚，此处理器具有高速的处理速度和丰富的I/O管脚，可以作为整个小车的控制核心。 经过综合考虑，我们选择方案三。 1.2显示模块的选择与论证 方案一：采用LED数码管显示。 LED数码管显示虽然具有亮度高，醒目，价格便宜，寿命长；但是只能显示0～9的数字和一些简单的字符，电路复杂，占用资源较多且信息量小。 方案二：用12864液晶显示。 其优点是能显示更多的字符，功耗低，体积小，且有着良好的人机界面，能够实时的反映出系统当前的状态。 方案三：采用Nokia5110液晶显示。