基于STM32F103C8T6的自平衡小车

一，硬件

1.电源

        本设计采用两级压降设计，在提升电压转换效率的同时，尽可能减少降压芯片的散热。

        一级压降采用DC-DC模块将三节串联的18650电池的12V降到5V，具体选型采用的是TI的TPS5430芯片，其最大电流3A（可用TPS5450代替，最大电流5A），大于本次设计所有用电设备的电流之和，且余量充足，满足设计要求。R33和R34为反馈电路，调节输出电压。原理图如下所示。

        二级压降为最常见的线性稳压器AMS1117，将5V降压为3.3V为控制单元供电。这里需要特别注意，虽然LDO可以实现12V直接到3.3V的压降，但是由于压差过大，且从LDO的原理分析，12V到3.3V的转换效率过低，剩下8.7V全部用于发热，极容易导致芯片的损坏，在本设计的第一版测试时，即便采用TI的LM1117作为压降，仍然会导致芯片发热严重，最后击穿的现象。因此两级压降非常有必要。本次设计采用一个LDO为所有3.3V设备供电，但最好将DC-DC输出的5V，再引出两路LDO压降，一路专为MCU供电，另一路为PCB上的其他用电设备供电，防止一个LDO的流过的电流过大。二级压降原理图如下：

        电源接口和滤波电容如下所示：

这里在12V滤波位置加了一个反向稳压二极管，从原理上分析，由于本次设计采用了12V的电机，虽然电机电流较小，但是经常会出现电机正反转来回切换的情况，这是在电机正反转切换的瞬间会发生电压激变的情况，而激变的电压输入到控制电路会造成一定的冲击，因此需要加一个反向稳压二极管来消除电机反转带来的电压突变。

2.MCU

        本次控制部分采用的是市面上最常见的教学级MCU:STM32F103C8T6,平衡车项目对于MCU的内存要求不高，对于MCU主频要求相对较高，该款MCU支持最大72MHz的主频，满足设计需求，题主在看了arduino的数据手册发现，其实arduino的16Mhz也足够满足本次设计要求。参考ST官方技术手册的典型应用电路画出的MCU原理图如下所示：

        在MCU电路设计时，有以下几点需要注意，首先是时钟频率，在不需要精确计时的情况下，比如本次设计中，从成本考虑，不需要低速时钟源（32.768），只需要高速时钟（8Mhz）即可。其次解耦电容是必须要加的，不加也许可以正常运行，但在IO口反转电平时，没有解耦电容会对电源输入有一定的影响，还有就是摆放的个数和位置，MCU有几处供电就加几个解耦电容，位置离MCU供电口越近越好。另外本次设计中为了简化电路，直接将BOOT0/BOOT1全部接地，用SWD进行程序的下载和调试。

3.陀螺仪

        本次设计中陀螺仪选择的是应美盛的MPU6050芯片，该款芯片是一款六轴陀螺仪芯片，包括三轴角速度和三轴加速度，并且支持外部扩展，组成九轴陀螺仪芯片，同时通过I2C协议传输数据，可以使用MCU进行模拟I2C通信，对IO外设没有要求，符合本次设计要求。原理图如下所示：

这里有两点需要注意，首先是芯片的焊接：MPU6050采用QFN封装，尺寸非常小，用烙铁焊接比较困难，可以用风枪300度大约30秒即可，不要高于350度，题主第一次焊接时就因为温度过高导致了芯片损坏（如果在读地址的时候芯片只返回地址0x68，多半是芯片烧坏了）。另外需要对该芯片及其外围电路进行单独隔离处理，方便测试阶段确定问题出在什么地方，隔离的方法是在输入输出部分加0Ω电阻，在单独测试可以正常运行后，再接入系统，从何避免了两个模块之间的相互影响，以至于无法确定错误位置。

4.电机驱动

        电机驱动采用的是TB6612FNG芯片，该芯片是一款双路H桥电机驱动，采用PWM波控制电机速度，且发热量远小于L298N等常见的电机驱动，不需要外接散热片。原理图如下所示：

这里在12V电压输入位置，同样也做了一个隔离。在所有模块测试完成后，用跳线帽连接即可。

5.WIFI

由于题主对于无线射频方向没有任何设计基础，因此WIFI部分采用基于乐鑫ESP8266芯片的ESP12F模块，无需自己设计天线，只需简单配置外围电路即可正常使用。通过串口与C8T6进行通信。具体设计参考安信可官方的典型应用电路，原理图如下：

6.OLED显示屏

        加OLED显示屏主要是为了方便PID参数的调整以及机械零点的确定，直接移植现成的底层函数即可。

7.摄像头

        摄像头采用OV2640模块，由于C8T6的引脚和性能限制，无法满足实时视频流的传输和处理，因此在我们采用了ESP32+OV2640组合的模块：ESP32-CAM来实时传输摄像头数据到微信小程序当中。这样既不用单独占用ESP8266的带宽，也无需C8T6进行视频流处理。仅需要3.3V供电即可使用，摄像头底板PCB如下：

7.PCB设计

        PCB采用两层板设计，大家可以改进为四层板，只需要将内部两层分别走电和地，其他与两层板差别不大。由于本次设计不涉及高速信号线，无需进行阻抗匹配，因此只要原理图不出问题，不把过孔放在焊盘上（可能会导致焊锡沿着过孔流出去导致虚焊），基本都可以正常使用。另外还需要注意WIFI模块的设计，为其留出信号开孔。 过流大的地方线宽尽可能宽，还有就是地面完整性，电源线即使再宽，铺铜后地线很细也无济于事。PCB如下图所示：

3D模型：

8.电机

本次设计采用的电机型号为GA25-370,该款电机自带霍尔编码器，减速比为25，额定空负载转速为370prm，额定电压12V，最大电流0.5V。其编码器精度为25*370=9250，精度较高，可获得准确的速度参数。满足本次设计需求。

二，软件

（一）STM32

本次设计基于STM32 标准库编程。

        MPU6050和OLED显示屏的底层代码是在正点原子移植的，移植的开发板型号为STM32F407战舰V4，可以在正点原子官方下载对应的源码。MPU6050通过调用官方的DMP库将角速度和加速度转换成欧拉角输出。整体逻辑是通过陀螺仪每次刷新角度的中断，在中断函数当中，利用PID算法直立环PD和速度环PI的输出，然后将输出压入到电机去执行，从而实现小车直立。因此本文仅提及控制函数的编写，对于pwm、usart、nvic、exti等不再赘述。

1.控制函数

控制函数由中断服务函数和直立环PD控制器，速度环PI控制器以及转向环PD控制器组成，如下

control.c

#include "control.h"
 
float Med_Angle=0.0;		//机械零点
float Target_Speed=0;	    //俯仰角
float Turn_Speed=0;		    //偏航角
 
float 
	Vertical_Kp=-210,        //直立环KP
	Vertical_Kd=-0.6;        //直立环KD
float 
	Velocity_Kp=0.3,        //速度环KP
	Velocity_Ki=0.0015;     //速度环KI
float 
	Turn_Kd=-0.3,            //转向环KD
	Turn_Kp=-10;             //转向环KP
 
#define SPEED_Y 50             //¸前进速度
#define SPEED_Z 100            //转弯速度
 
 
int Vertical_out,Velocity_out,Turn_out;
//函数声明
int Vertical(float Med,float Angle,float gyro_Y);
int Velocity(int Target,int encoder_left,int encoder_right);
int Turn(int gyro_Z,int RC); 
 
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
	int PWM_out;
	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line5)!=0)
	{
		if(PBin(5)==0)
		{
			EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5);
			
			//编码器速度采集
			Encoder_Left=-Read_Speed(2);
			Encoder_Right=Read_Speed(4);
			
			mpu_dmp_get_data(&Pitch,&Roll,&Yaw);		//DMP获取欧拉角
			MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);	//角速度
			MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);	//加速度
		    
            //WIFI控制前后
			if((Fore==0)&&(Back==0))Target_Speed=0;//
			if(Fore==1)Target_Speed--;
			if(Back==1)Target_Speed++;
			Target_Speed=Target_Speed>SPEED_Y?SPEED_Y:(Target_Speed<-SPEED_Y?(-SPEED_Y):Target_Speed);//限幅
			
			/*左右*/
			if((Left==0)&&(Right==0))Turn_Speed=0;
			if(Left==1)Turn_Speed+=30;	
			if(Right==1)Turn_Speed-=30;	
			Turn_Speed=Turn_Speed>SPEED_Z?SPEED_Z:(Turn_Speed<-SPEED_Z?(-SPEED_Z):Turn_Speed);//
			
		
			if((Left==0)&&(Right==0))Turn_Kd=-0.6;//ÈôÎÞ×óÓÒתÏòÖ¸ÁÔò¿ªÆôתÏòÔ¼Êø
			else if((Left==1)||(Right==1))Turn_Kd=0;
			
			
			Velocity_out=Velocity(Target_Speed,Encoder_Left,Encoder_Right);	
			Vertical_out=Vertical(Velocity_out+Med_Angle,Pitch,gyroy);			
			Turn_out=Turn(gyroz,Turn_Speed);				 												
			
			PWM_out=Vertical_out;
			MOTO1=PWM_out-Turn_out;
			MOTO2=PWM_out+Turn_out;
			Limit(&MOTO1,&MOTO2);	 
			Load(MOTO1,MOTO2);		
			
			Stop(&Med_Angle,&Pitch);
			
		}
	}
}
 
 
 
 
/*********************
直立环控制器PD
*********************/
int Vertical(float Med,float Angle,float gyro_Y)
{
	int PWM_out;
	
	PWM_out=Vertical_Kp*(Angle-Med)+Vertical_Kd*(gyro_Y-0);
	return PWM_out;
}
 
 
/*********************
速度环控制器PI
*********************/
int Velocity(int Target,int encoder_left,int encoder_right)
{
	static int Encoder_S,EnC_Err_Lowout_last,PWM_out,Encoder_Err,EnC_Err_Lowout;
	float a=0.7;
	
	Encoder_Err=((encoder_left+encoder_right)-Target);
	EnC_Err_Lowout=(1-a)*Encoder_Err+a*EnC_Err_Lowout_last;	                        
    EnC_Err_Lowout_last=EnC_Err_Lowout;
	
	Encoder_S+=EnC_Err_Lowout;
 
	Encoder_S=Encoder_S>10000?10000:(Encoder_S<(-10000)?(-10000):Encoder_S);
	
	if(stop==1)Encoder_S=0,stop=0;
	
	PWM_out=Velocity_Kp*EnC_Err_Lowout+Velocity_Ki*Encoder_S;
	return PWM_out;
}
 
 
 
/*********************
转向环控制器PD
*********************/
int Turn(int gyro_Z,int RC)
{
	int PWM_out;
	PWM_out=Turn_Kd*gyro_Z + Turn_Kp*RC;
	return PWM_out;
}
 
 
u8 Fore,Back,Left,Right;
void USART3_IRQHandler(void) 
{
	int Bluetooth_data;
	if(USART_GetITStatus(USART3,USART_IT_RXNE)!=RESET)//½ÓÊÕÖжϱê־λÀ­¸ß
	{
		Bluetooth_data=USART_ReceiveData(USART3);//±£´æ½ÓÊÕµÄÊý¾Ý
		
		if(Bluetooth_data==0x35)Fore=0,Back=0,Left=0,Right=0;//ɲ
		else if(Bluetooth_data==0x31)Fore=1,Back=0,Left=0,Right=0;//Ç°
		else if(Bluetooth_data==0x32)Fore=0,Back=1,Left=0,Right=0;//ºó
		else if(Bluetooth_data==0x34)Fore=0,Back=0,Left=1,Right=0;//×ó
		else if(Bluetooth_data==0x33)Fore=0,Back=0,Left=0,Right=1;//ÓÒ
		else										Fore=0,Back=0,Left=0,Right=0;//ɲ
	}
}

2.编码器函数

编码器读取数据，采用定时器的编码器模式，进行速度读取，如下：

encoder.c

#include "encoder.h"
 
void Encoder_TIM2_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0 |GPIO_Pin_1;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitStruct);
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=65535;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStruct);
	
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising,TIM_ICPolarity_Rising);
	
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter=10;
	TIM_ICInit(TIM2,&TIM_ICInitStruct);
	
	TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);
	
	TIM_SetCounter(TIM2,0);
	
	TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}
 
 
void Encoder_TIM4_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6 |GPIO_Pin_7;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);
	
	TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitStruct);
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=65535;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStruct);
	
	TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4,TIM_EncoderMode_TI12,TIM_ICPolarity_Rising,TIM_ICPolarity_Rising);
	
	TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);
	TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter=10;
	TIM_ICInit(TIM4,&TIM_ICInitStruct);
	
	TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
	TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE);
	
	TIM_SetCounter(TIM4,0);
 
	TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);
}
 
/**********************
速度读取函数
形参：定时器
**********************/
int Read_Speed(int TIMx)
{
	int value_1;
	switch(TIMx)
	{
		case 2:value_1=(short)TIM_GetCounter(TIM2);TIM_SetCounter(TIM2,0);break;
		case 4:value_1=(short)TIM_GetCounter(TIM4);TIM_SetCounter(TIM4,0);break;
		default:value_1=0;
	}
	return value_1;
}
 
 
void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=0)
	{
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
	}
}
	
void TIM4_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)!=0)
	{
		TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update);
	}
}

3.马达驱动函数

将PID计算的结果转换成PWM波，改变占空比来控制电机，包括限幅、赋值。

motor.c

#include "motor.h"
 
void Motor_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12 |GPIO_Pin_13 |GPIO_Pin_14 |GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);	
}
 
void Limit(int *motoA,int *motoB)
{
	if(*motoA>PWM_MAX)*motoA=PWM_MAX;
	if(*motoA<PWM_MIN)*motoA=PWM_MIN;
	
	if(*motoB>PWM_MAX)*motoB=PWM_MAX;
	if(*motoB<PWM_MIN)*motoB=PWM_MIN;
}
 
int GFP_abs(int p)
{
	int q;
	q=p>0?p:(-p);
	return q;
}
 
 
void Load(int moto1,int moto2)
{
	
	if(moto1<0)	Ain1=1,Ain2=0;
	else 				Ain1=0,Ain2=1;
	TIM_SetCompare1(TIM1,GFP_abs(moto1));
	if(moto2<0)	Bin1=1,Bin2=0;
	else 				Bin1=0,Bin2=1;	
	TIM_SetCompare4(TIM1,GFP_abs(moto2));
}
 
 
char PWM_Zero=0,stop=0;
void Stop(float *Med_Jiaodu,float *Jiaodu)
{
	if(GFP_abs(*Jiaodu-*Med_Jiaodu)>60)
	{
		Load(PWM_Zero,PWM_Zero);
		stop=1;
	}
}

4.主函数

初始化各个函数，以及这里由于在前面的原理图设计里，为了布线方便将JTAG调试引脚用作IO口输出，需要在主函数里将JTAG的调试功能关闭，仅使用SWD进行调试下载。

mian.c

#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h" 
 
float Pitch,Roll,Yaw;						
short gyrox,gyroy,gyroz;				
short aacx,aacy,aacz;						
int Encoder_Left,Encoder_Right;	
 
int PWM_MAX=7200,PWM_MIN=-7200;	
int MOTO1,MOTO2;								
 
extern int Vertical_out,Velocity_out,Turn_out;
int main(void)	
{
	delay_init();
	NVIC_Config();
	uart1_init(115200);
	uart3_init(9600);
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE); 
	OLED_Init();
	OLED_Clear();
	MPU_Init();
	mpu_dmp_init();
	MPU6050_EXTI_Init();
	Encoder_TIM2_Init();
	Encoder_TIM4_Init();
	Motor_Init();
	PWM_Init_TIM1(0,7199);
  while(1)	
	{
		OLED_Float(0,0,Pitch,1);
        OLED_ShowString(50,50,"NEFU_YSY");
	} 	
}
 
 
 
 

 (二)ESP8266

        由于题主C++学的不好，对于arduino编程相对困难，因此在配置ESP8266芯片时，采用了图形化编程的方式，仅需要程序的执行逻辑即可进行配置。采用了北京师范大学开发的mixly开发环境进行开发，配置如下：

        需要注意一点，这样配置完以后不能直接烧录到8266当中，因为他的默认代码当中有串口的默认输出字符串，我们需要先将图形化转换成代码，再将串口打印字符串的语句注释掉。保证我们的串口只输出十六进制的12345。

        由此即可将8266接收到的巴法云数据，通过串口发送到STM32，实现了云端的控制。

微信小程序我们参考了巴法云论坛内的程序，这里附一下链接：（开源）微信小程序控制esp8266_esp826601s 巴法云-CSDN博客

其中ESP8266的接线规则是

VCC--------->3.3V

GND--------->GND

TXD--------->3.3V

RXD--------->3.3V

IO_0--------->运行模式（3.3V）,下载模式（GND）

IO_2--------->3.3V

切换模式时要复位RST接地。

（三）ESP32-CAM

和ESP8266一样采用mixly编程，配置如下：

三，可以改进的地方

1.由于巴法云无法传输视频流，因此本次设计中的视频流是通过局域网传输的，如果连接本地的WIFI，需要对本地WIFI做内网穿透以后，才能用外网远程接收到视频流。

2.遥控的部分，WiFi可以用2.4G无线模块代替，本次设计是为了用云而用的云，主要是一个学习的目的。实际上用TCP\MQTT协议的云端传输不适合做本地遥控，延迟相对较高。

3.电机选型可以选择精度更高的电机，本次使用的电机，一方面本身精度不够高，另一方面在电机空转的时候，我用手去拧了几次，导致了电机死区过大，经过测试，我的电机在空负载时需要给到3V左右的电时才能慢慢转动，而由于我们PWM波给的速度信号是线性的，因此在输入电机的电压小于3V时电机不动，造成了平衡效果较差。

四，最终效果