（最终版）(1) - 图文(4)

图3-13 车模速度控制框图

前面分析可知为了保证系统稳定，往往取的车模倾角控制时间常数Tz很大。这样便会引起系统产生两个共轭极点，而且极点的实部变得很小，使得系统的速度控制会产生的震荡现象。这个现象在实际参数整定的时候可以观察到。那么如何消除速度控制过程中的震荡呢？[8]

要解决控制震荡问题，在前面的车模角度控制中已经有了经验，那就是在控制反馈中增加速度微分控制。此时系统传递函数的极点实部变大，加快了系统的收敛速度。

图3-14车模角度和速度控制图

在图3-14中，角度控制需要两个控制参数，分别是比例控制参数Pangle和微分控制Dangle参数。速度控制同样也有两个参数，分别是比例控制参数Pspeed和微分控制参数Dspeed。在这两个控制中都使用了微分控制，目的是增加车模的角度和速度的稳定性，防止控制超调。这个经验在后面车模方向控制中仍然适用。

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第4章 系统硬件电路设计

4.1 单片机最小系统模块设计

采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2单片机作为控制CPU，该单片机中包含中央处理器、程序存储器（Flash）、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、I2C接口、高速A/D转换模块、PWM（或捕捉/比较单元）以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器等模块。可以说STC12C5A60S2单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统（SOC），可以很容易地构成典型的测控系统。

本系统设计主要应用其PWM（或捕捉/比较单元）、四路10位高速A/D转换模块、I2C接口、定时/计数器、I/O接口等功能模块。如图4-1。

图4-1 最小系统模块电路图

4.2 红外光电传感器GK102测速电路设计

对射式光电传感器GK102采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。采用非接触检测方式。GK102的外观图如图4-2所示，GK102的外接电路图如图4-3所示。

图4-2 GK102外观图

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图4-3 GK102外接电路图

4.3 NRF24L01无线模块控制电路设计

nRF24L01+（或nRF24L01P）是一款工作在2.4-2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器调制器、解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为13.5mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

图4-4 nRF24L01+模块图 图4-5 nRF24L01+引脚图

图4-6 nRF24L01+模块的外部电路图

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4.4 六轴模块电路图

MPU-6050六轴运动处理组件，MPU-6050整合了超低功耗3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速计，测量范围达± 16g。可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。MPU6050非常适合移动设备应用。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。通过MPU-6050可以直接测出它的角度和角速度，非常的方便。而且价格便宜。六轴模块原理图如图4-7所示，六轴模块引脚图如图4-8所示。

MPU-6050芯片中，集成了陀螺仪、加速度计和一个AD转换。芯片正常工作时陀螺仪和加速度计分别采集x轴、y轴和z轴的电压值。然后通过AD转换，转换成数字信号，最后通过IIC总线传送到控制芯片。此时得到的值不能算是角度和角速度值，这个值还必须经过一定的比例关系进行转换，才能得到角度和角速度。表4-1为六轴模块引脚功能表。

图4-7 六轴模块原理图

图4-8 六轴模块引脚图

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表4-1 六轴模块引脚功能表 管脚 1 2 3 4 5 6 7 8 名称 Vcc_5v GND SCL SDL XDA XCL AD0 INT 功能 电源+5V 接地端 I2C 串行时钟 I2C 串行数据 I2C 主串行数据，用于外接传感器 I2C 主串行时钟，用于外接传感器 I2C Slave 地址LSB 中断数字输出（推挽或开漏） 4.5 AD转换电路的设计

STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D转换器,速度可达到250KHz(25万次/秒)。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池、电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。

在电路中用AD采样的方法，可以对PID算法中的各个参数值进行微调。比较方便调试。AD采样电路图如图4-9所示。

图4-9 AD采样电路图

4.6 电源电路模块设计

本系统设计的大多数芯片如单片机、传感器、AD采样、串并转换芯片工作电压都为5V，故制作+5V电源以满足供电需要，所以本设计采用7805来制作三端正电源稳压电路，它们的封装形式是TO-220。它使用方便，用很简单的电路即可以实现一个直流稳压电源, 它们的输出电压恰好为+5V，刚好是51系列单片机运行所需的电压。但是通信模块NRF24L01使用的是3.3V电压供电，所以，还必须进行3.3V变压。3.3V稳压芯片使用的是AMS1117-3.3。电源电路图如图4-10所示。

图4-10 电源电路图

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