基于STM32两轮自平衡小车系统设计与控制_stm32做自动水平平衡平台

**单片机设计介绍，基于STM32两轮自平衡小车系统设计与控制

文章目录

• 一 概要
• 二、功能设计
• 三、 软件设计
• • 原理图
• 五、 程序
• 六、 文章目录

一 概要

  基于STM32的两轮自平衡小车系统设计与控制概要主要涵盖了硬件设计、软件设计以及控制策略等方面。以下是对该系统的详细概述：

一、系统概述

两轮自平衡小车系统是一个典型的倒立摆模型，通过精确的控制策略保持小车的平衡状态。系统采用STM32微控制器作为核心，结合加速度传感器、陀螺仪等传感器实现小车的姿态检测和控制。通过调整电机的转速和转向，系统能够实时响应小车的运动状态变化，保持其稳定行驶。

二、硬件设计

STM32微控制器：作为系统的核心，负责接收传感器数据、处理数据并发送控制指令。STM32系列微控制器具有高性能、低功耗的特点，适用于需要实时响应和精确控制的自平衡小车系统。

传感器模块：包括加速度传感器和陀螺仪等，用于实时检测小车的姿态角（俯仰角和横滚角）和加速度信息。这些传感器数据将用于后续的控制算法计算。

电机驱动模块：负责接收STM32微控制器的指令，驱动小车的电机进行运动。电机驱动模块需要具备较高的响应速度和稳定性，以确保小车的平衡控制效果。

电源模块：为整个系统提供稳定的电源供应，确保各个组件的正常工作。

三、软件设计

传感器数据采集与处理：STM32微控制器通过I/O接口读取加速度传感器和陀螺仪的数据，并进行必要的滤波和校准处理，以提高数据的准确性和可靠性。

姿态解算与平衡控制：根据采集到的传感器数据，系统通过一定的算法（如卡尔曼滤波、互补滤波等）解算出小车的实时姿态角。然后，通过PID控制算法或其他先进的控制策略，计算出电机的控制量，以调整小车的姿态，保持其平衡状态。

电机控制指令发送：STM32微控制器根据计算出的电机控制量，通过PWM信号或其他方式驱动电机驱动模块，控制电机的转速和转向，实现小车的平衡控制。

四、控制策略

PID控制算法：PID控制算法是自平衡小车系统中常用的控制策略之一。通过调整PID控制器的参数（比例系数、积分系数和微分系数），可以实现对小车姿态的精确控制。

模糊控制算法：对于复杂的非线性系统，模糊控制算法可以提供一种有效的解决方案。通过定义模糊规则和隶属度函数，模糊控制器可以根据小车的实时状态进行智能决策，实现更加平稳和可靠的控制效果。

五、系统测试与优化

在完成系统设计与实现后，需要进行一系列测试来验证系统的性能和稳定性。通过调整控制算法参数、优化传感器数据处理方法等方式，可以进一步提高系统的平衡控制效果和响应速度。

综上所述，基于STM32的两轮自平衡小车系统设计与控制涉及到硬件设计、软件设计以及控制策略等多个方面。通过合理的设计和优化，可以实现小车的稳定行驶和精确控制，为相关领域的研究和应用提供有力支持。

二、功能设计

一、硬件介绍

    主控芯片用的是100脚的STM32F103VET6，陀螺仪用的是MPU6050，电机驱动用的是TB6612，蓝牙是汇承的HC05邮票孔封装的，WIFI用的是济南有人科技的USR-WIFI232-S，小车底盘用的是平衡小车之家的某一款带编码器的（不是我买的，同学的），电池用的是一节7.2的镍镉电池，液晶用的是中景园电子1.3寸IIC接口的OLED，开关用的是三脚纽子开关，电池接口用的是T插，电阻电容这些用的基本上是0603封装，编码器5V降压用的是ASM1117-5.0，3.3V降压用的是SP6203，拨码开关用的是4P贴片式2.54mm角距的，按键是两脚贴片，microusb接口用的是5针 7.2四脚插板牛角母座，超声波是某宝上几块钱烂大街的那种，蜂鸣器是有源的，编码器是小车底盘自带的，电池电压检测是电阻分压之后通过电压跟随器接入MCU内部AD测量的。
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二、主控板资源介绍

    STM32F103VET6主控芯片；两个microusb口，第一个是MCU的串口1，可作为普通的串口收发数据，通过调节板上BOOT选项，也可将其作为ISP下载程序接口；第二个是SWD硬件仿真接口；蓝牙模块，与MCU的串口2连接；WIFI模块，与MCU的串口3相连；一块1.3寸IIC协议的液晶接口；超声波接口；双电机驱动；六轴陀螺仪；电池电压检测；4个用于调试的LED；4个独立式按键；一组4P的拨码开关；有源蜂鸣器；两个6P带AB相编码器的电机接口。
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三、 软件设计

本系统原理图设计采用Altium Designer19，具体如图。在本科单片机设计中，设计电路使用的软件一般是Altium Designer或proteus，由于Altium Designer功能强大，可以设计硬件电路的原理图、PCB图，且界面简单，易操作，上手快。Altium Designer19是一款专业的整的端到端电子印刷电路板设计环境，用于电子印刷电路板设计。它结合了原理图设计、PCB设计、多种管理及仿真技术，能够很好的满足本次设计需求。

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仿真实现
本设计利用protues8.7软件实现仿真设计，具体如图。

Protues也是在单片机仿真设计中常用的设计软件之一，通过设计出硬件电路图，及写入驱动程序，就能在不实现硬件的情况进行电路调试。另外，protues还能实现PCB的设计，在仿真中也可以与KEIL实现联调，便于程序的调试，且支持多种平台，使用简单便捷。
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原理图

五、 程序

本设计利用KEIL5软件实现程序设计，具体如图。作为本科期间学习的第一门编程语言，C语言是我们最熟悉的编程语言之一。当然，由于其功能强大，C语言是当前世界上使用最广泛、最受欢迎的编程语言。在单片机设计中，C语言已经逐步完全取代汇编语言，因为相比于汇编语言，C语言编译与运行、调试十分方便，且可移植性高，可读性好，便于烧录与写入硬件系统，因此C语言被广泛应用在单片机设计中。keil软件由于其兼容单片机的设计，能够实现快速调试，并生成烧录文件，被广泛应用于C语言的编写和单片机的设计。

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六、 文章目录

目 录

摘 要 I
Abstract II
引 言 1
1 控制系统设计 2
1.1 主控系统方案设计 2
1.2 传感器方案设计 3
1.3 系统工作原理 5
2 硬件设计 6
2.1 主电路 6
2.1.1 单片机的选择 6
2.2 驱动电路 8
2.2.1 比较器的介绍 8
2.3放大电路 8
2.4最小系统 11
3 软件设计 13
3.1编程语言的选择 13
4 系统调试 16
4.1 系统硬件调试 16
4.2 系统软件调试 16
结 论 17
参考文献 18
附录1 总体原理图设计 20
附录2 源程序清单 21
致 谢 25