模块实物图此模块主要用来显示自平衡小车各种参数，如倾斜角瞬时速度瞬时加速度等。同时也可以观察可调参数，这些参数可以用按键输入，通过显示出来，方便自平衡小车参数观察与更改，达到高效调速目。其实物图如下实物图其与单片机系统组成原理图如下显示模块单片机控制系统及显示模块相应布线图如下其详细资料如下分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为，带背光比不带背光厚，是否带背光在应用中并无差别主要技术参数显示容量个字符芯片工作电压工作电流模块最佳工作电压字符尺寸引脚功能说明采用标准脚无背光或脚带背光接口，各引脚接口说明如表所示编号符号引脚说明编号符号引脚说明电源地数据电源正极数据液晶显示偏压数据数据命令选择数据读写选择数据使能信号数据数据背光源正极数据背光源负极表引脚接口说明表第脚为地电源。第脚接正电源。第脚为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生鬼影，使用时可以通过个电位器调整对比度。第脚为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器低电平时选择指令寄存器。第脚为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当和共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当为低电平为高电平时可以读忙信号，当为高电平为低电平时可以写入数据。第脚端为使能端，当端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第脚为位双向数据线。第脚背光源正极。第脚背光源负极。寄存器选择功能说明写入命令寄存器写入数据寄存器读取忙碌标志及地址读取数据不动作指令表指令功能控制线数据线清除屏幕清除屏幕，并把光标移至左上角光标回到原点光标移至左上角，显示内容不变设定进入模式地址递增，地址递减开启显示屏，关闭显示屏显示器开关开启显示幕开启光标光标所在位置字符闪烁移位方式光标左移光标右移字符和光标左移字符和光标右移功能设定数据长度为位，数据长度为位双列字，单列字字形，字形地址设定地址将所要操作地址放入地址计数器地址设定地址将所要操作地址放入地址计数器忙碌标志位地址计数器内容读取地址计数器，并查询是否忙碌，表示忙碌写入数据写入数据将数据写入或读取数据读取数据读取或数据图内部显示地址例如第二行第个字符地址是，那么是否直接写入就可以将光标定位在第二行，第个字符位置呢这样不行，因为写入显示地址时要求最高位恒定为高电平所以实际写入数据应该是。在对液晶模块初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙状态。液晶模块内部字符发生存储器已经存储了个不同点阵字符图形，如图所示，这些字符有阿拉伯数字英文字母大小写常用符号和日文假名等，每个字符都有个固定代码，比如大写英文字母代码是，显示时模块把地址中点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母实物图如下其主要是通过技术对小车状态进行实时地跟踪及调整。现对算法作些介绍。控制技术是运动控制核心，各种先进控制技术研究不断推动着运动控制发展，比如自适应控制技术和以神经网络和模糊控制为代表智能控制技术，但在实际生产实践中应用最普遍还是各种以为代表基本控制技术按照偏差比例积分和微分进行控制调节器，简称为调节器，是连续系统中技术成熟且应用广泛种调节器。本节将对系统用到控制技术做相应介绍和研究，传感器将车体角度和运动速度等信息传递给系统控制器，控制器经分析处理运用控制技术，将目标命令传递给电机驱动器来完成系统闭环控制在电机伺服系统控制中，经典控制具有其结构简单鲁棒性强以及现场对广泛使用积累了丰富经验等优点，在无刷直流电动机控制方面直占有很重要地位。引入保证了其系统响应快速性，稳定了闭环控制器，补偿了由逆变器引起控制误差。控制器就是将偏差比例积分和微分通过线性组合构成控制量，用这控制量对被控对象进行控制。算法是目前工业过程控制中应用最广泛控制算法。算法应用如此广泛，是因为它具有如下优点算法较为简单，易于实现基于线性控制理论，具备许多成熟稳定性分析方法，有较高可靠性可以在很宽操作条件内保持较好鲁棒性，对于控制对象模型参数小三软件系统设计设计思想技术应用现状范变化不敏感不要求了解控制对象精确数学模型。利用许多成熟参数整定方法，可以根据控制对象实际响应曲线来计算控制器参数允许工程技术人员以种简单直接方式来调节控制系统，以达到希望得到控制性能，如上升时间最大超调量和稳态误差等。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或得不到精确数学模型时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用控制技术最为方便。即当我们不完全了解个系统和被控对象，或不能通过有效测量手段来获得系统参数时，最适合用控制技术。控制分为两大类，个是模拟控制，个是数字控制。在模拟控制系统中，是最常用控制方法。图所示为模拟控制系统原理框图。图模拟控制系统原理框图计算机控制系统中，使用是数字控制器。将连续模拟量进行离散化处理，则可得在数字控制中，采样周期相对于系统时间常数来说般是很短。因此其参数可按模拟控制器中方法来选择。由于要保持动态平衡，则小车倾角在定范围内要求可控。故本文选择系统小车倾角作为输出量，利用技术对其进行分析。由上述理论分析可以看出其比例积分微分三者是彼此影响同时要使其系统保持稳定，三参数必须满足上述关系为了让系统能够实现其动态调节规律比例系数积分系数微分系数被控对象平衡，需要通过反复试凑方法来解决，而且整定参数多导致反复试凑次数极大增加，控制器参数较难选取。加之系统经过线性化处理，即使所选参数满足上述关系式，仍需要根据系统实际模型进行调整，这大大增加了调试难度。鉴于此我们考虑采用其极点配置方法来考察分析其系统稳定性。所谓极点配置就是指利用状态反馈或输出反馈使闭环系统极点位于所希望极点位置。由于系统性能和它极点位置密切相关，因此极点配置问题在系统中是很重要。控制系统各种特性及其各种品质指标很大程度上由闭环系统零点和极点位置决定。零点和极点在复数平面中分布状况决定了相应表达式中该函数前系数大小。组零点和极点分布就对应了个系统响应。极点配置问题，就是通过选择反馈增益矩阵，将闭环系统极点恰好配置在根平面上期望位置，以获得所希望动态性能。极点配置决定了控制系统动态性能和稳定性。对于系统极点配置，需要解决两个问题是建立极点可配置条件二是确定其反馈增益矩阵。状态能控性状态能观性及其稳定性都是控制系统重要属性。要设计相应稳定系统，必须先考察其能控性和能观性。状态能控性问题只考察系统在作用下状态转移情况，与输出量无关。对于线性连续定常系统，如果存在个分段连续输入，能在有限时间区间，内，使系统由初始状态转移到指定任终端状态，则该状态就是能控。若系统所有状态都是能控，则称此系统是状态完全能控。本读出寄存器数据接收应答信号停止信号初始化解除休眠状态合成数据,合成数据在上显示位数据角度值基准校正转换为位数据转换数据显示启始列，行，显示数组，显示长度上电延时液晶初始化初始化使值介于正负如果车子倾斜在正向度以内控制电机转向调速使显示频率为原来显示轴加速度显示轴角速度如果正倾则显示按键微调如果车子倾斜在负向度以内显示轴加速度显示轴角速度如果反倾则显示显示按键值如果车子倾斜角大于正负则电机停止转动显示轴加速度显示轴角速度显示按键值结束语通过这次自平衡小车设计，我们学到了许多知识，特别是与之相关硬件，我们通过查找大量资料，熟悉并能正确地使用其中那些模块。过程中还有其他备选模块，我们也了解了许多。并且能够用熟悉地绘制原理图与相关布线图。其中稳压模块单片机控制模块及显示模块便是应用此软件辅助完成硬件制作。虽然其中我们付出了很多时间与精力，但是比起我们所学，还是很值得。自平衡小车软件控制部分比较难，需要涉及总线通信，显示，通信协议等，在算法里面涉及卡耳曼滤波算法控制等诸多比较难编程。这些在我们组成员共同努力，通过查阅大量参考程序，以及自已积累单片机编程知识，都完成了相应工作。遗憾是，限于时间与精力，自平衡小车平衡还欠佳，不能平衡太久。以后有空余时间，我们定会慢慢改进。在此，特别感谢三位指导老师给我们提供大量真诚与无私指导与帮助，才让我们有信心坚持下去。同时也教会我们不少产品设计方面知识，再次深表谢意,任务分配戴磊硬件组装与制作瘳崎软件编程以及后期调试李旭相关硬件资料收集及设计报告书写王思然卡耳曼滤波及算法钻研电子与信息工程学院项目设计报告项目名称双轮自平衡小车设计专业电子信息科学与技术目录自平衡小车总体方案设计自平衡小车设计方案自平衡小车总体框图二系统具体设计与实现单片机控制模块陀螺仪加速度计模块光码盘测速模块稳压模块电机驱动模块显示模块三软件系统设计设计思想技术应用现状调节规律极点配置极点配置条件极点配置控制器程序流程图程序代码摘要随着科技进步，生活水平提高，人们追求智能与舒适愿望也日益强烈。从而催生了许多智能化产品。如智能电视智能小车等。如何实现小车小车自动快捷驾驶，也成为人们心中向往与疑问，基于这种趋势与需求，着眼于实际情况。本文介绍了基于单片机自平衡小车系统设计。系统基于陀螺仪等传感器，利用平衡算法，对小车速度倾斜角度平衡状态来进行检测，并通过单片机来控制电机来实现双轮小车自如平衡地运动。从而实现小车智能自主控制目。关键词自平衡算法该自平衡小车，采用单片机和各种传感器组合，构成了自平衡小车系统。其系统主要由以下几个部分组成单片机控制系统陀螺仪加速度检测模块光码盘测速模块稳压模块电机驱动模块显示模块组成。本设计自平衡小车工作原理给小车通电，平衡放在地上，当小车开始倾斜时，陀螺仪及时地采集小车倾斜角度数据传给单片机，而加速度计将车子倾斜瞬时加速度采集后也传给单片机，同时，光码测速仪也将车子实时速度采集后传给单片机。单片机系统收集到以上三组数据，对数据进行量化处理后，在平衡算法控制下，控制电机及时地做出前进或后退或加速或减速反应，使车子在个小角度范围内做平衡地来回摆动，以保持车子不倒。自平衡小车主要由以下模块组成单片机控制系统陀螺仪加速度检测模块光码盘测速模块稳压模块电机驱动模块显示模块，以下是自平衡小车系统方框图。自平衡小车系统框图自平衡小车总体方案设计自平衡小车设计方案自平衡小车总体框图单片机控制模块陀螺仪加速度模块光码盘测速模块稳压模块电源电机驱动模块显示模块单片机最小系统原理图如下单片机最小系统单片机最小系统由复位电路以及晶振电路组成，它是保证单片机能正常工作最基本条件，在此不作过多介绍。本设计中所采用陀螺仪加速度设模块为，之所以选择这个模块，是因为其有以下优点集角度测量与加速度测量于体其那同时测量三轴上角度与加速度测量其输出为数字信号，便于处理于存储与传输二系统具体设计与实现单片机控制模块陀螺仪加速度计模块测量范围大，反应快。以下是相关资料为全球首例整合性轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差问题，减少了大量包装空间