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【动量轮自平衡自行车】STM32_PID（开源-含硬件资料）_stm32平衡车资料
作者：我家自动化 | 2024-04-29 00:29:16
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stm32平衡车资料
动量轮自平衡自行车STM32
如何DIY一辆自平衡自行车？下面将制作内容分享给大家，欢迎讨论交流~。
目 录
3. 0.96寸OLED显示屏（四针、IIC通信、3.3V供电）
一、硬件篇（附淘宝链接，店铺不定，也可自行搜索购买）
1. STM32F103C8T6最小系统（小蓝板）
2. MPU6050姿态传感器（3.3V供电）
3. 0.96寸OLED显示屏（四针、IIC通信、3.3V供电）
4. HC-05蓝牙模块
（串口通信、用于接收小车运动指令）
使用教程链接：https://blog.csdn.net/weixin_44325419/article/details/110727911
5. 超声波测距模块
6. N20电机及驱动（电机选型：DC 12V A12型）
7. 无刷电机动量轮模组
该电机自带驱动和光电编码器。
该自平衡自行车中我们使用万宝至无刷伺服电机，内置驱动，支持正反转，PWM调速，并且带有100线编码器AB相双通道信号输出。
该电机接线图如上图所示，实际小车中的线的颜色可能与上图有所不符，大家要按照位置来判断而不是线的颜色。
1.）信号A相和信号B相为编码器脉冲输出端；
2.）正反转切换的线我们直接用单片机的引脚3.3V电平控制，是完全没有问题的；
3.）编码器供电接3.3V；
4.）PWM接单片机的PWM输出，启动运行我们接单片机IO口，在电机初始化时置为高电平；
5.）电源负极接GND，电源正极接12V。
8. 舵机
视频中所使用，有点小贵，可以买便宜的。
9. 3S航模电池（注意电池尺寸）
10. 稳压模块及开关
将航模电池电压降至5V给单片机、舵机、蓝牙、超声波、电机编码器供电。
11. 轮子及轴承
由于小车后轮是通过皮带传动，为减小摩擦，使后轮转动更加顺滑，需在后轮安装微型轴承。（轴承根据车轴尺寸购买）
尺寸如下：
12. 车架及转向结构（3D打印）
点击文章结尾处B站链接三连加关注并留言（或邮箱）即可获取车架及转向结构3D打印模型文件
13. 电路PCB
将上述功能模块集成在一块PCB电路板上（6.5x7.8cm）,为方便焊接，电容电阻及三极管均为直插式元件。作者水平有限，PCB供大家参考，其中不足的地方可自行调整更改。
点击文章结尾处B站链接三连加关注并留言（或邮箱）即可获取PCB工程文件 
二、软件篇
点击文章结尾处B站链接三连加关注并留言（或邮箱）即可获取Keil源码文件
1. main.c
- #include "sys.h"
-
- float AdcValue; //电池电压数字量
- float Pitch,Roll,Yaw; //角度
- short aacx,aacy,aacz; //加速度传感器原始数据
- short gyrox,gyroy,gyroz; //陀螺仪原始数据
- int PWM1;
- int PWM_MAX=6500,PWM_MIN=-6500; //PWM限幅变量
- int Encoder_Motor; //编码器数据（速度）
-
- int main(void)
- {
- NVIC_Config();
- delay_init();
- Led_Init();
- Beep_Init();
- Wave_SRD_Init();
- uart3_init(9600);
- OLED_Init(); //初始化OLED
- OLED_Clear();
- adc_Init();
- MOTOR_1_Init();
- MOTOR_2_Init();
- PWM_Init_TIM3(7199,0);//定时器3初始化PWM 10KHZ，用于驱动动量轮电机
- PWM_Init_TIM2(9999, 143);//定时器2初始化PWM 50HZ，用于驱动舵机
- TIM_SetCompare1(TIM2, 790);//舵机复位
- Init_TIM1(9998,7199);
- Encoder_Init_TIM4(65535,0);
- OLED_ShowString(25,4,"MPU6050...",16);
- MPU_Init(); //MPU6050初始化
- while(mpu_dmp_init())
- {
- OLED_ShowString(25,4,"MPU6050 Error",16);
- }
- OLED_ShowString(25,4,"MPU6050 OK!",16);
- Beep=1;
- delay_ms(400);
- Beep=0;
- MPU6050_EXTI_Init();
- OLED_Clear();
- OLED_ShowString(0,0,"Roll : C",16);
- OLED_ShowString(0,3,"Speed: R ",16);
- OLED_ShowString(0,6,"Power: V ",16);
-
-
- while(1)
- {
- Wave_SRD_Strat();
- AdcValue=11.09*(3.3*Get_adc_Average(ADC_Channel_4,10)/0x0fff); //ADC值范围为从0-2^12=4095（111111111111）一般情况下对应电压为0-3.3V
- OLED_Showdecimal(55,0,Roll,9,16);
- OLED_Showdecimal(55,3,Encoder_Motor*0.25,9,16);
- OLED_Showdecimal(50,6,AdcValue,9,16);
- }
- }
2. PID控制算法
点击文章结尾处B站链接三连加关注并留言（或邮箱）即可获取PID相关教程资料
该小车更够实现直立平衡需要用到两个闭环控制，即直立环（PD控制、负反馈），速度环（PI控制、正反馈），代码原理及调试过程与两轮平衡小车调试过程基本一致。
关于PID控制算法的学习，内容较多，不好详细展开，网上资源丰富，大家可自行学习。这里推荐一篇知乎文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/39573490
3. TIM2中断
为避免小车在运行调试过程中受到超声波避障功能的干扰，可先将超声波避障功能关闭，超声波避障功能在定时器2中断服务函数中实现，所以将TIM2中断使能关闭即可。
//TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); //使能TIM2中断，中断模式为更新中断：TIM_IT_Update- void TIM2_IRQHandler()
- {
- static int count=0;
- if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update)==1) //当发生中断时状态寄存器(TIMx_SR)的bit0会被硬件置1
- {
- TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); //状态寄存器(TIMx_SR)的bit0置0
- count++;
- if(Distance<8) //与障碍物距离小于8cm时，蜂鸣器发出警报病后退
- {
- Beep=1,Led1=0,Led2=0;
- Backward();
- TIM_SetCompare1(TIM2, 790);//舵机复位
- }
- else Beep=0;
- if(count==25) //TIM2溢出时间为20ms，20x25=500ms,即后退500ms后停止
- {
- Stopped();count=0;
- }
- }
- }
4. 电池电压检测
一般航模电池的电量是和电压相关的， 过放必然导致电池永久过放，电池损坏，所以我们有必要通过监控电池电压的变化， 近似表示电池的电量， 在电池电量比较低的情况下， 提醒我们充电，充电时间不超过2个半小时，以免电池过充。长期储存时应确保单节电压在3.8V左右，并且每月充电一次。
3S 满电的时候是 12.6V， 过放时电压低于 9.6V。
2S 满电的时候是 8.4 V ， 过放时电压低于 7.4V。
利用STM32内置ADC测量电池电压，ADC值范围为从0-2^12=4095（111111111111）一般情况下对应电压为0-3.3V，而3S航模电池电压为12V，直接测量将烧毁单片机，因此需要将电池分压，原理图如下：
简单分析可知， 电池电压经过电阻分压， 衰竭为原来的 1/11 之后， 送单片机 ADC检测，再将采集到的电压值乘以11即可得到电池的实际电压。（这里是乘以11.09，可根据实际情况进行微调）
- #include "adc.h"
- #include "delay.h"
-
- //ADC初始化函数
- void adc_Init()
- {
- GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义一个引脚初始化的结构体
- ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; //定义一个ADC初始化的结构体
-
- RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能CPIOB时钟
- RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能TIM4时钟
-
- GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4; //引脚0
- GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //引脚输入输出模式为模拟输入模式
- GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //根据上面设置好的GPIO_InitStructure参数，初始化引脚GPIOA_PIN0
-
- RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
- ADC_DeInit(ADC1); //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
-
- ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式
- ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //是否为扫描（一组）模式：否：单通道模式
- ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //是否为连续转换模式，否：单次转换模式
- ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软件而不是外部触发启动
- ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据对齐模式：右对齐
- ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
- ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器
-
- ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
-
- ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能复位校准
- while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
-
- ADC_StartCalibration(ADC1); //开启AD校准
- while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束
-
- ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
- }
-
- //采集ADC值函数，输入参数为ADC通道
- u16 Get_adc(u8 chn)
- {
- ADC_RegularChannelConfig(ADC1, chn, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 ); //ADC1,chn：ADC通道，第3个参数设置该通道的转换顺序（多通道模式下）
- //采样时间为239.5周期=239.5/ADCCLOK，ADCCLOK=72/6MHZ(6代表ADC初始化时的分频系数)
-
- ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
-
- while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束
- return ADC_GetConversionValue(ADC1); //返回最近一次ADC1规则组的转换结果
- }
-
- //采集多次ADC值求平均值函数，输入参数为ADC通道和采集次数
- u16 Get_adc_Average(u8 chn, u8 times)
- {
- u32 temp_val=0;
- u8 t;
- for(t=0;t<times;t++)
- {
- temp_val+=Get_adc(chn);
- delay_ms(5);
- }
- return temp_val/times;
- }
AdcValue=11.09*(3.3*Get_adc_Average(ADC_Channel_4,10)/0x0fff); //ADC值范围为从0-2^12=4095（111111111111）一般情况下对应电压为0-3.3V5. OLED显示
一般淘宝购买的OLED显示模块资料中，其显示函数中没有显示小数及显示正负的函数。因此在原有的显示函数中添加了如下函数，从而能够方便的实时显示小车的角度、动量轮转速、电池电压信息。
- //显示9位字符，最高位正负，三位整数，第五位小数点，后四位小数部分
- //x,y :起点坐标
- //len :数字的位数
- //size:字体大小
- void OLED_Showdecimal(u8 x,u8 y,float num,u8 len,u8 size2)
- {
- u8 t,temp,len1,temp1;
- float temp2;
- u8 enshow=0;
- if(num < 0)
- {
- OLED_ShowChar(x,y,'0'- 3,size2);
- num =fabs(num);
- }
- else
- OLED_ShowChar(x,y,' ',size2);//第一位显示符号
- temp1 = (int)temp;
- temp2 = num - temp1;
- len1 = len - 6;//len1为整数部分位数，若显示数位需要扩展，修改该行
- OLED_ShowChar(x + size2/2*4,y,'0'- 2,size2);//浮点数的第5位显示小数点
- x = x + size2/2;
- for(t=0;t<len1;t++)//整数部分的显示
- {
- temp=(int)((num/oled_pow(10,len1-t-1)))%10;
- if(enshow==0&&t<(len1-1))
- {
- if(temp==0)
- {
- OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,' ',size2);
- continue;
- }else enshow=1;
-
- }
- OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,temp+'0',size2);
- }
- OLED_ShowChar(x+(size2/2)*4,y,((int)(temp2*10)%10) + '0',size2); //小数第一位
- OLED_ShowChar(x+(size2/2)*5,y,((int)(temp2*100)%10) + '0',size2); //小数第2位
- // OLED_ShowChar(x+(size2/2)*6,y,((int)(temp2*1000)%10) + '0',size2); //小数第3位
- // OLED_ShowChar(x+(size2/2)*7,y,((int)(temp2*10000)%10) + '0',size2); //小数第4位
- }
6. 代码阅读注意点
1.）所有头文件都包含在sys.h中，每个.h文件都包含sys.h，方便函数调用。
- #ifndef __SYS_H
- #define __SYS_H
- #include "stm32f10x.h"
- #include "adc.h"
- #include "oled.h"
- #include "led.h"
- #include "beep.h"
- #include "wave.h"
- #include "control.h"
- #include "exti.h"
- #include "mpu6050.h"
- #include "inv_mpu.h"
- #include "inv_mpu_dmp_motion_driver.h"
- #include "motor.h"
- #include "pwm.h"
- #include "encoder.h"
- #include "usart.h"
- #include "delay.h"
-
- #include <math.h>
- #include <stdlib.h>
2.）中断优先级分组配置在sys.c文件中
- #include "sys.h"
-
- /*
- ============================================================================================================================
- NVIC_PriorityGroup | NVIC_IRQChannelPreemptionPriority | NVIC_IRQChannelSubPriority | Description
- ============================================================================================================================
- NVIC_PriorityGroup_0 | 0 | 0-15 | 0 bits for pre-emption priority
- | | | 4 bits for subpriority
- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- NVIC_PriorityGroup_1 | 0-1 | 0-7 | 1 bits for pre-emption priority
- | | | 3 bits for subpriority
- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- NVIC_PriorityGroup_2 | 0-3 | 0-3 | 2 bits for pre-emption priority
- | | | 2 bits for subpriority
- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- NVIC_PriorityGroup_3 | 0-7 | 0-1 | 3 bits for pre-emption priority
- | | | 1 bits for subpriority
- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- NVIC_PriorityGroup_4 | 0-15 | 0 | 4 bits for pre-emption priority
- | | | 0 bits for subpriority
- ============================================================================================================================
- */
- void NVIC_Config(void)
- {
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct_extiB5;
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct_extiA10;
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct_usart3;
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct_tim2;
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct_tim1;
- NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//4级抢占,4级响应。
-
- //外部中断PB5
- NVIC_InitStruct_extiB5.NVIC_IRQChannel=EXTI9_5_IRQn;
- NVIC_InitStruct_extiB5.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
- NVIC_InitStruct_extiB5.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;
- NVIC_InitStruct_extiB5.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;
- NVIC_Init(&NVIC_InitStruct_extiB5);
-
- //USART3 NVIC 配置
- NVIC_InitStruct_usart3.NVIC_IRQChannel = USART3_IRQn;
- NVIC_InitStruct_usart3.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1 ;//抢占优先级3
- NVIC_InitStruct_usart3.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //子优先级3
- NVIC_InitStruct_usart3.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
- NVIC_Init(&NVIC_InitStruct_usart3); //根据指定的参数初始化VIC寄存器
-
- // 定时器2中断
- NVIC_InitStruct_tim2.NVIC_IRQChannel=TIM2_IRQn; //属于TIM2中断
- NVIC_InitStruct_tim2.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; //中断使能
- NVIC_InitStruct_tim2.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1; //抢占优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
- NVIC_InitStruct_tim2.NVIC_IRQChannelSubPriority=1; //响应优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
- NVIC_Init(&NVIC_InitStruct_tim2); //根据NVIC_InitStruct_tim1的参数初始化VIC寄存器，设置TIM2中断
-
- //外部中断PA10
- NVIC_InitStruct_extiA10.NVIC_IRQChannel=EXTI15_10_IRQn;
- NVIC_InitStruct_extiA10.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
- NVIC_InitStruct_extiA10.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;
- NVIC_InitStruct_extiA10.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;
- NVIC_Init(&NVIC_InitStruct_extiA10);
-
- // 定时器1中断
- NVIC_InitStruct_tim1.NVIC_IRQChannel=TIM1_UP_IRQn; //属于TIM1中断
- NVIC_InitStruct_tim1.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; //中断使能
- NVIC_InitStruct_tim1.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; //抢占优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
- NVIC_InitStruct_tim1.NVIC_IRQChannelSubPriority=2; //响应优先级为1级，值越小优先级越高，0级优先级最高
- NVIC_Init(&NVIC_InitStruct_tim1); //根据NVIC_InitStruct_tim1的参数初始化VIC寄存器，设置TIM2中断
- }
3.）STM32F10x系列的MCU复位后，PA13/14/15 & PB3/4默认配置为JTAG功能。有时我们为了充分利用MCU I/O口的资源，会把这些端口设置为普通I/O口。
使用JLINK向STM32烧录程序时，需要使用6个芯片的引脚（以STM32F103C8T6为例），分别是PB4 / JNTRST，PB3 / JTDO，PA13 / JTMS，PA14 / JTCK，PA15 / JTDI，NRST。当芯片IO口资源比较紧张时，可选择SW模式烧录程序。SWD只需用到PA13 / JTMS，PA14 / JTCK两根线，NREST可以接可不接，剩下的PB4 / JNTRST，PB3 / JTDO和PA15 / JTDI就可以当然普通IO使用，但是这三个口当然普通IO使用时需要先进行如下配置。（这里MPU6050模块用到PB3和PB4引脚）
mpuiic.c
- //初始化IIC
- void MPU_IIC_Init(void)
- {
- GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
- RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_AFIO|RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); //打开PB口时钟和AFIO复用时钟
- GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE); //重映射
-
- GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4; // 端口配置
- GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
- GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度为50MHz
- GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //根据设定参数初始化GPIO
-
- GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4); //PB3,PB4 输出高
-
- }
三、链接
https://www.bilibili.com/video/BV1M3411J77m?share_source=copy_web声明：本文内容由网友自发贡献，不代表【wpsshop博客】立场，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容，请联系我们。转载请注明出处：https://www.wpsshop.cn/w/我家自动化/article/detail/505074
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