基于STM32控制的双轮自平衡小车的设计

李帅男

（吉林化工学院， 吉林 吉林 132000）

引言

随着嵌入式技术，微电子技术和控制算法的进步，智能化越来越成为当今社会发展的风向标，而两轮自平衡车正是其中的一个热点。在世界各个国家中，不论是高校、实验室、商业公司，两轮自平衡小车的研究越来越多，因为不管是在民用，科研还是军用方面其有着巨大的应用前景，在民用方面，电动两轮代步平衡车已经投放市场，走入用户家庭中，它绿色环保，转弯控制方便，无刹车系统，占用地方小，正是这些优势改变着人们的出行方式；在科研方面，有些在很特殊复杂的空间下，比如狭小、危险、黑暗的环境，两轮小车可以更加利用自己的优势来代替人们执行特殊的任务[1]。

2 系统硬件系统

2.1 STM32f103c8单片机简介

STM32f103是意法半导体公司新推出的新一代增强型32位芯片，它高度集成且容易开发，它采用的是高性能的RISC内核，运行频率是72 MHz，内部放置了高性能的存储圣杯，有128 kB闪存，2万字节的静态随机存储器，很多的输入输出引脚和2个外围总线的外部设备。这个系列的所有型号都有2个12位的模数转换器，还有三个16位的定时器，1个脉冲宽度调节定时器，还有很多快速和通用制度的接口用于传输信息，两个串行工作总线和串行外设接口，3个全双工通用同步/异步串行收发模块，1个通用串行总线接口和1个控制器局域网络接口。供电电压在2.0～3.6 V之间，工作温度在-40～85 ℃之间[2]。

2.2 MPU6050姿态传感器简介

MPU6050内含有三轴的Micro-Electro-Mechanical System微机电系统陀螺仪，三轴的微机电系统加速度计，还有可以不断扩充的数字运动处理器件Digital Motion Processor，使用同步串行总线可以通信其它的数字型模块，陀螺仪和加速度计都有3个数模转换器，因为测量的是模拟量，通过数模转换器，可以变为数字量，因为要捕捉速度不定的移动状态，操控者需要选择不同的范围，陀螺仪和加速度计的选择范围非常丰富，每个有四个梯度[3]。MPU6050如图1所示。

图1 MPU6050示意图

2.3 电机驱动模块TB6612FNG

在本次设计中用TB6612FNG模块作为直流电机的驱动模块，它对电机有很好的控制和保护作用，可以随意调节电流大小，避免了冲击电流对电机绕组的影响，控制非常方便，调速很快捷，这款芯片的集成程度都非常的高，驱动能力也是非常强悍，运行速度快，能耗方面也非常优秀[4]。在众多型号中，它有着出色的性价比优势，也很适合本次平衡小车的设计，所以选用此款芯片。

3 系统软件设计

如图2所示，给主控板供电后，程序开始运行，运行内容分为两个方面，一部分是应用到模块的初始化还有一部分是应用程序的初始化。第一部分是系统所有部分的初始化运行，所有的程序由MCU烧录工具MCU-ISP提供产生。另一部分是各个应用模块的初始化，是对所有程序中要使用到的变量值进行初始赋值。

图2 系统程序流程图

初始化工作完成后，中断程序运行，可以把定时中断定为5 ms，中断开始后，中断子程序开始运行，这时可以调整优先级调用各个其它程序块的函数，中断的运用是系统程序运行的重点所在。在中断子程序中，MCU通过IIC与MPU6050进行通讯，可以快速得到双轮车的加速度值和角速度值，对从姿态模块传送来的角度信息使用PID算法进行分析与计算后，将程序运算结果通过PWM与I/O口的高低电平输出电机驱动模块再输送到电机，可以实现对小车的闭环直立控制。

4 结语

系统的硬件系统以意法半导体公司的STM32f103c8T6为控制核心，使用MPU6050检测小车的车身姿态，通过TB6612FNG驱动两个直流减速电机，使双轮小车平衡直立。软件系统设计中，根据单片机使用手册设置各个寄存器；根据IIC总线协议编写通信程序，并且根据芯片说明配置MPU6050芯片。使用互补滤波融合加速度计与陀螺仪数据并实现角度控制。使用PID算法计算角度控制与速度控制的最终输出量。最终实现了对双轮自平衡小车的平衡控制，使得小车在没有外力干扰下能自主实现直立。