车辆自平衡座椅电动控制系统软件部分.docx
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车辆自平衡座椅电动控制系统软件部分
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计（论文）
题目：
车辆自平衡座椅电动控制系统
——软件部分
系别：
电子信息系
专业：
通信工程
2013年5月
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计（论文）
题目：
车辆自平衡座椅电动控制系统
——软件部分
系别：
电子信息系
专业：
通信工程
2013年5月
西安工业大学毕业设计（论文）任务书
院（系）电信学院专业通信工程班090309姓名何家欢学号09030935
1.毕业设计（论文）题目：
车辆自平衡座椅电动控制系统设计——软件部分
2.题目背景和意义：
自平衡减摇目前最常用且最成功的是船舶减摇鳍式减摇装置，理论减摇效果可达90％以上。
根据相似原理，本设计提出一种新的车辆自平衡座椅控制装置，将车辆行驶或道路对其所产生的不平衡状态进行检测甄别，并以此对座椅进行电动控制自平衡调整，以期在恶劣环境中获得一个相对舒适的驾乘效果。
3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：
自主设计一个典型的基于微处理器的车辆自平衡座椅电动控制系统，含以下部分及功能：
I.典型51内核的单片机系统软件（推荐采用STC系列8051）。
II.车辆座椅三自由度运动状态检测及转换（推荐采用MMA7260QT三轴加速度传感器）。
III.2路座椅自平衡调节电机控制算法。
IV.3-6键坐姿及位置调节子程序。
V.常规可靠性设计。
4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：
毕业设计（论文）工作12年12月日起至13年月日止
毕业设计（论文）进行地点：
未央校区教1A楼312室
作为毕业设计，应完成以下工作：
I.熟练掌握专业电工、电子（模、数）技术。
II.了解掌握车辆自平衡座椅电动控制系统结构、控制原理等。
III.熟练掌握MCS-51系列单片机工作原理及应用技术。
（月上旬前）
IV.系统软件设计。
V.系统软件通过计算机编辑、编译。
（月下旬前）
VI.在通过仿真软调的基础上，进行系统联机调试。
（月下旬前）
VII.写出毕业论文（电子版）。
（月上旬前）
5.毕业设计（论文）的工作量要求：
I.论文（字数）：
2-3万字
II.外文翻译（字数）：
5000字以上
①实验（时数）*或实习（天数）：
20天
②图纸（幅面和张数）*：
SCH、PCB图（A4图幅4份以上）
③其他要求：
参考文献（篇数）：
15篇以上（含3篇以上外文）
指导教师签名：
年月日
学生签名：
年月日
系（教研室）主任审批：
年月日
说明：
1本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。
2带*项可根据学科特点选填。
车辆自平衡座椅电动控制系统——软件部分
摘要
当今社会，汽车已经成为我们生活中不可缺少的交通工具。
作为一种交通工具，其各种安全性和人性化的特点已经深深融入我们的生活中，与我们的感受息息相关。
传统的汽车座椅整体相对车身是比较固定的，当汽车在转弯行驶或者在颠簸的路上行驶时，这种相对固定的座椅会将汽车行驶中产生的离心力传递给乘客，从而极大的影响了驾驶员和乘客的舒适性和安全性。
自平衡座椅可以弥补普通车辆座椅的不足，在汽车行驶过程中，通过系统电动控制，使座椅自动调整，确保驾驶员在任何时候都能与地面保持一个相对平衡的姿态。
用单片机、加速传感器、模拟数字电子技术等，实现车辆转弯行驶或者在颠簸的路上行驶时所产生的倾斜通过加速传感器传递给单片机，由单片机控制电机并驱使座椅与地面保持在一个相对平衡的位置，同时可有3-6的坐姿按键来控制座椅横向、纵向的四种角度调节，从而确保驾驶员的书舒适性和安全性。
关键词：
车辆自平衡；电动控制；角度调节
Vehicle-thebalancedseatelectriccontrolsystem——
thesoftwarepart
Abstract
Today'ssociety,carshavebecomeindispensableinourlivestransport.Asameansoftransport,securityandhumancharacteristicshasbeendeeplyintegratedintoourlives,andourfeelingsarecloselyrelated.Traditionalcarseatasawholerelativetothebodyisrelativelyfixed,whenthecarincorneringordrivingonbumpyroad,thisfixedrelativetotheseatofthecarswiththecentrifugalforcegeneratedispassedtothepassengers,greatlyaffectthedriverandpassengercomfortandsafety.Self-balancingseatcanmakeupforthelackofordinaryvehicleseat,electriccontrolsysteminthevehiclewastheseatautomaticallyadjuststoensurethatthedriverwiththegroundatalltimesmaintainarelativelybalancedposture.
Microcontroller,accelerationsensors,analog-to-digitalelectronictechnology,passedthroughtheaccelerationwhenthevehicleiscorneringordrivingonbumpyroadtilttothemicrocontroller,controlledbythemicrocontrollermotoranddrivingseattothegroundinarelativelybalancedposition,while3-6seatedkeystocontroltheseattransverselytothelongitudinaldirectionofthefourangleadjustment,soastoensurethecomfortandsafetyofthedriver'sBook.
Keywords:
vehicleself-balancing;electriccontrol;angleadjustment
目录
1绪论1
1.1国内外自平衡机械研究状况1
1.2国内外两轮自平衡电动车硏究概况1
1.3本文研究内容2
2车辆自平衡座椅电动控制系统硬件原理4
2.1自平衡系统研究方案4
2.2步进电机控制原理5
2.2.1步进电机简述5
2.2.2步进电机控制原理6
2.2.3串并行控制7
2.2.4步进电机脉冲分配8
2.2.5硬件电路图10
2.3单片机硬件原理10
2.3.1单片机功能介绍10
2.4加速度传感器12
2.5键盘14
2.6显示部分15
3车辆自平衡座椅电动控制系统软件16
3.1主程序设计16
3.1.1C语言设计技巧及优点16
3.1.2系统流程图17
3.1.3系统初始化18
3.2AD采样程序设计18
3.2.1单片机高速AD转换方法18
3.2.2AD中断服务子程序20
3.2.3AD数据处理21
3.2.4采样周期定时中断22
3.3键盘子程序22
3.4电机驱动程序设计23
3.5PID控制算法24
3.5.1PID控制算法概述24
3.5.2PID控制算法系统分类25
3.5.3原理特点25
3.5.4参数整定26
3.5.5预置调整27
4程序的调试30
4.1KEIL软件简介30
4.2调试步骤30
5总结与展望34
参考文献35
致谢36
毕业设计（论文）知识产权声明37
毕业设计（论文）独创性声明38
附录A硬件电路39
附录B源程序清单40
1绪论
1.1国内外自平衡机械研究状况
日本是世界上最早研究自平衡机械的国家之一。
早在二十世纪八十年代,日本国内就做出了一个重心在上的两轮自平衡机器,由电动机、控制芯片和多个陀螺仪组成了它的控制系统。
由于当时的芯片计算能力比较低,传感器的采样精度和采样速率都比较低,这个机器只能沿着预先设定好的轨迹行驶。
国内对自平衡控制技术的研究幵始于上世纪九十年代,并且在本世纪初也取得了一些成绩。
1.2国内外两轮自平衡电动车硏究概况
从自平衡机械发展到自平衡电动车,其中所用的控制理论都是自平衡控制技术,但其不同之处存在于两点:
一、自平衡电动车是用于载人的,所以对系统有很高的安全性要求;二、用于载人的自平衡电动车,由于驾驶其行驶的人不同而需要自平衡的质量也不同,其质量是个变量,所以相对于质量恒定的自平衡机械其控制系统更为复杂。
科研单位和企业对两轮自平衡电动车的研究不仅促进了自平衡控制技术的发展,而相对应的自平衡控制技术的发展也给自平衡电动车的发展带来了巨大的进步。
国外对自平衡电动车的研究始于二十世纪八十年代末,日本东京电信大学自动化系的山藤一雄教授提出了一个类似于自平衡车的智能控制器的设计概念,并在1996年成功在日本申请了专利，随着自平衡控制技术和自平衡电动车的不断发展,国内外研究人员在最近二三十年间取得了一系列的科研成果。
2002年,法国Valenciennes大学研发出了基于两轮自平衡机器人控制概念的两轮自平衡电动车一城市出租车B2。
B2作为城市出租车,具有体积小,并且采用清洁能源作为动力,很适合人类的发展需求。
同年,丹麦乐高公司的SteveHassenplug设计了一种取名为LEWAY的自平衡玩具,该样机只有手掌大小。
它采用了当时流行的红外测距仪来反馈机器人的姿态信号,通过差动传动方式来实现控制,并且设置了无线接口;该产品具有可实现远程控制、零半径转弯以及可以在倾斜平面上运动等功能,结构方面采用了模块化设计,使得安装和拆卸都很方便。
2005年,日本村田制作所本着利用最先进的制造技术来实现工厂自动化而培养技术技能的目的,开发了"村田顽童"。
制作所的控制设计师曾说:
"以村田顽童为基础的,诸如不会摔倒的自行车,不碰撞的汽车等智能产品会越来越多。
"身高只有50cm,重约5Kg的村田顽童应用了陀螺传感器和各种当时的高科技产品,最终以完成停而不倒,在坡道上行驶和汽车通过S型平衡木等多项技能征服了世界人民的眼睛。
经过村田制作所研究人员的努力,又研制出了独轮玩具车"村田婉童"，其身高也是50cm,体重约为6Kg,同样也完成了停而不倒,坡道行驶,跟随行走和平衡木行走等高难度动作。
2003年初,由美国DeanKamen研究的两轮自平衡单车面市,是世界上第一台可以载人的两轮自平衡电动车,取名为SegwayHTil67。
该车通过使用精密的陀螺仪传感器来代替人类的前庭和耳蜗等人类平衡器官,以电动机和车轮代替人类的双脚,以主控制器来代替人类的大脑进行判断,发展所谓的"动态平衡"来实现。
Segway于2004年10月发布了自己的又一新作:
一辆四轮电动概念车"半人马号"。
随后的2005年Segway公司在SegwayHT的基础上又发布了诸如:
Cross-Terrain,XT和GolfTransporter等都市交通工具。
2009年通用汽车公司联合Segway公司在纽约宣布将来会在都市个人交通工具领域进行合作,并发布了第一款新型汽车——RU.M.A。
台湾经济部工业局于2002年幵始大量搜集关于Segway的相关资料,并提供给各个科研机构和生产厂商参考,最终于2004年在台湾国立中央大学利用模糊控制原理实现了一个两轮自平衡小车机构的自平衡控制。
2004年,中国科技大学屠动武、张培仁等研制出了两轮自平衡代步车一-FreeMover,它是一种两轮左右布置于人体脚下且具有自平衡控制系统的电动车,其结构类似于SegwayPT。
FreeMover采用了DSP微处理器,型号为TMS320LF2407作为中央控制器;用KY2000型水平仪和M0CH21A光电传感器来采集车体姿态信息;由铅蓄电池提供车体动力;用永磁直流电动机作为执行装置来驱动左右两轮。
2004年,河南科技大学制作了平衡双轮电动机的样机,2005年哈尔滨工程大学也做了有关双轮直立自平衡机器人的研究。
上述两种都基本实现了系统的自平衡控制。
最近几年,随着自平衡控制理论的发展,以及控制硬件的升级,控制器处理速度越来越快,控制理论越来越合理,关于两轮自平衡电动车的研究得到了飞速的发展。
2009年,周惠兴、赵建萍申请了两轮自平衡电动车实用新型专利。
2010年,吕子民、吕一飞申请了一种两轮自平衡电动车实用新型专利。
1.3本文研究内容
本次毕业设计研究的主要内容是设计一个基于STC12C5A60S2单片机的车辆自平衡控制系统。
该系统主要包括对加速传感器的信号采集和处理，键盘操作，PID算法模块以及驱动电机模块。
自主设计车辆自平衡座椅，含以下部分：
●典型51内核的单片机系统软件（推荐采用STC系列8051）。
●车辆座椅三自由度运动状态检测及转换（推荐采用MMA7260QT三轴加速度传感器）。
●2路座椅自平衡调节电机控制算法。
●3-6键坐姿及位置调节子程序。
●常规可靠性设计。
2车辆自平衡座椅电动控制系统硬件原理
2.1自平衡系统研究方案
车辆自平衡座椅主要由加速传感器、单片机、及电机等部分组成。
课题采用MMA7260QT三轴加速传感器，MMA7260能在XYZ三个轴上读取水平坠落、倾斜、移动、震动和摇摆。
通过MMA7260QT型三轴加速传感器，检测到的座椅运动状态，以模拟量电压的方式传送给单片机，单片机对读入的座椅平衡状态数据作为执行控制算法的输入，经过计算后，将控制信号传送给电机，控制电机使座椅回归平衡。
单片机使用STC12C5A60S2单片机，其兼容8051内核单片机，是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机。
其速度比普通的8051快8~12倍，具有2路PWM，8路高速10位AD转换器，方便接收传感器的模拟信号和控制小功率直流电机。
车辆座椅自平衡软件部分主要由加速传感器数据采集处理程序、电机控制程序程序、键盘子程序、判断采样周期的中断子程序组成。
数据采集处理程序，主要解决MMA7260传送的加速度模拟信号进入单片机以及数据的解算。
电机控制程序，控制输出脉冲个数及输出脉冲速度，从而控制电机转动角度和速度。
另外，设计中加入3个键的键盘来控制座椅自平衡调节的方式，分别是方式0横纵均自动调节，方式1只是横向调节和方式2不调节。
2.2步进电机控制原理
本课题选着混合式步进电机，考虑到两相混合式步进电机在低速运转时会有振动以及噪声的缺点，所以我们选着步距角更小的四相混合式步进电机，并采用四相八拍的工作方式，这样步距角会更小，这就很好的解决了两相混合式步进电机在低速运转时缺点。
2.2.1步进电机简述
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，步进电机将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序，电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。
驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。
步进电机分三种：
永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。
步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。
步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。
2.2.2步进电机控制原理
由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备----步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统如图1所示：
控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：
一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。
另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。
功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。
四相步进电机工作原理：
四相步进电机采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。
步进电机的静态指标及术语相数：
产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。
拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，四相电机有四相四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍运行方A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。
步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用
a表示。
a
=360°（转子齿角运行拍数），四相运行时步距角为
a=360°/（50*4）=1.8°,八拍运行时步距角为a=360°/（50*8）=0.9°。
图2.2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2.2电机
开始时，SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.3a、b、c所示：
图2.3波形
2.2.3串并行控制
采用单片机对步进电机进行控制，有串行控制和并行控制两种方法。
串行控制。
具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动器之间只需两条控制线，一条用来发出时钟脉冲串，另一条用来发出方向电平。
这两个信号都是送入步进电机驱动器的环形脉冲分配器的输入端，所以在这种控制系统中，驱动器中必须含有脉冲分配器，对电动机各相励磁的分配及转换顺序都由环形分配器来完成，见图2.4。
由于单片机系统与驱动器之间只有两条控制线，使系统构成简单。
系统从CP脉冲控制线按电动机旋转速度的要求发出相应周期间隔的脉冲，即可使电动机旋转。
当需要电动机恒速运行时，就发出恒定周期的脉冲串；当需要加减速运行时，就发出周期递减活周期递增的脉冲串；当需要锁定状态时，只要停止发脉冲串就可以了。
由此可以方便地对电动机转速进行控制。
控制线可以实现对电机方向的控制，如为低电平：
“0”时，环形分配器按正方向进行脉冲分配，电机正向转动；而为高电平“1”时，环形分配器按反方向
进行脉冲分配，电动机反向转动。
并行控制。
用单片机系统接口的数条数据线直接去控制步进电机各相驱动线路的方法称为并行控制。
很显然，在电动机驱动器内部不包含有环形分配器，而环形分配器的功能必须由单片机系统来完成。
图2.4串行控制示意图
2.2.4步进电机脉冲分配
目前对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等，本题目采用PMM8731脉冲分配器。
PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。
该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。
PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁，2相励磁，1-2相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为20ｍＡ，这种电路的优越性是它不但可满足后级
功率放大器的要求，而且在所有输入端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，其原理框图如图2.5所示。
在ＰＭＭ８７１３的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。
ＰＭＭ８７１３有两种脉冲输入法：
双脉冲输入法和单脉冲输入法。
采用双脉冲输入法的连线方式如图2.5（ａ）所示，其中ＣＰ、ＣＵ两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。
当采用单脉冲输入法时，其连线方式如图2.5（ｂ）所示，该图中的ＣＫ为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由Ｕ／Ｄ的高、低电位决定。
片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。
激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。
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