[開源造車]51單片機兩輪自平衡小車原理圖設(shè)計簡介

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，喵嗚實驗室成員會陸續(xù)在壇子里和大伙分享關(guān)于設(shè)計51單片機兩輪自平衡小車硬件和軟件的設(shè)計心得和經(jīng)驗。

那么，今天我們就來看看喵嗚實驗室兩輪自平衡小車的硬件組成吧。

喵嗚實驗室兩輪自平衡小車硬件組成:

主控：(STC)IAP15W4K61S4（增強型51單片機，和STC89C51一樣簡單易用）
姿態(tài)傳感器：MPU6050（3軸加速度+3軸角速度）
無線通信協(xié)議：藍牙2.1/藍牙4.0雙模透傳（預(yù)留NRF24L01+接口)
有線通信協(xié)議：CP2102（USB轉(zhuǎn)串口）
電機驅(qū)動：MC33186
外部接口: Mirco-USB接口
電機：GB37減速電機（DC12V，減速比30，轉(zhuǎn)速365RPM）
車輪：65mm
電池：1300mAh 25c鋰電池

單片機最小系統(tǒng)

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

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；
定時器：共7個定時器，5個16位可重裝載定時器/計數(shù)器,2路CCP還可再實現(xiàn)2個定時器；
IO口：最多提供62個GPIO；

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

內(nèi)部存儲器資源包括： 61k程序Flash， 4kSRAM。

該單片機的內(nèi)部資源

IAP15W4K61S4內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

由于該單片機內(nèi)已經(jīng)包含了時鐘和復(fù)位電路，所以單片機的最小系統(tǒng)電路非常簡潔。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陀螺儀加速度計一體芯片，成本不超過20元，對兩輪自平衡小車來說，它的精度和性能綽綽有余了，MPU6050在這個價位里面幾乎是占有絕對的性價比優(yōu)勢。首先，它將陀螺儀和加速計整合在一個片上，通過IIC總線給出六個維度的ADC值；其次，芯片本身提供一個“從”IIC接口，供用戶接第三方的IIC器件，一般選擇是接一個電子羅盤，如HMC5883L，構(gòu)成一個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功能也整合在片上了，但是要買60+元；最后，這顆芯片內(nèi)部集成了一個DMP（Digital Motion Processor）處理器，這是最讓我愛不釋手夜不能寐的一個功能，直接硬件解算四元數(shù)，從某種程度上說解放了20%的主控資源。

電機驅(qū)動電路

由于車模具有兩個后輪驅(qū)動電機，因此需要兩組電機驅(qū)動橋電路。喵嗚ISO選用兩片飛思卡爾公司專用電機驅(qū)動芯片 MC33186 組成了電機驅(qū)動電路。

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

USB-Serial協(xié)議轉(zhuǎn)換

因為考慮到不是每個同學(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)量差的還會導(dǎo)致電腦藍屏，于是，Openmiaow板載USB-TTL下載電路，通過一根安卓手機標配的MicroUSB線，就可以輕易簡單地對喵嗚ISO進行固件更新和調(diào)試參數(shù)。如此簡單的操作步驟，想來隨便從大街拉一個路人過來應(yīng)該都可以完成。

藍牙透傳模塊

為了讓喵嗚ISO能跟上智能機泛濫的步伐，同時也是為了增加它的適應(yīng)性和降低成本的考慮，我們在原來的基礎(chǔ)上增加了藍牙透傳模塊，硬件焊盤上兼容藍牙2.1和藍牙4.0 BLE技術(shù)。就是說，同樣一個喵嗚ISO的裸PCB板，可以選擇焊接藍牙2.1和藍牙BLE的模塊。

藍牙協(xié)議是很復(fù)雜的，要想去接觸并試圖一步一步的寫出來，在我現(xiàn)有的時間下，幾乎不太可能了。而將藍牙透明傳輸成串口，這就很好的將喵嗚ISO與安卓設(shè)備對接了，可以直接在安卓設(shè)備上面開發(fā)遙控app或者上位機。這想想也有點小激動呢，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)生時代，工程經(jīng)驗十分有限，硬件設(shè)計過程中肯定許多有不足和漏洞，希望廣大讀者指正，我們一定會積極接受意見并作出修訂，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好者提供豐富的資料和開發(fā)經(jīng)驗。