【《一款基于STM32的平衡车系统方案设计案例》2800字】

一款基于STM32的平衡车系统方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2966一款基于STM32的平衡车系统方案设计案例 1230961.1需求分析 1296701.2方案设计 1221551.2.1主控芯片选型及介绍 277411.2.2传感器模块选型及介绍 4154131.2.3电机驱动芯片选型及介绍 61.1需求分析本设计要求设计一款基于STM32的平衡车系统，以该芯片为核心，利用速度传感器、加速度传感器组成自动检测系统，对平衡车姿态进行实时检测，并将车体姿态、行进距离、电压等显示在OLED显示屏上，对检测到的数据进行分析，同时单片机通过控制两只直流电机驱动的车轮来保持小车平衡和提供运动的动力，完成前进，后退，加速、减速、左转，右转等功能，因此，从控制角度来看，可以将平衡车作为一个控制对象，控制输入量是车轮的转动速度，车身倾斜角度，整个控制系统可以分为三个基本控制任务：（1）小车平衡控制：在PID控制为原理的基础上，使用MPU传感器，以车身倾角为输入量，配合电机驱动模块，通过控制两个电机的正反转来控制小车的自平衡。（2）小车速度控制：在保持平衡的基础上，对电机的控制实现速度控制。（3）小车方向控制：控制两个电机间的转速不同实现方向控制。1.2方案设计设计车模控制系统的电路，首先需要分析系统的输入、输出信号，然后选择合适的核心控制嵌入式计算机，逐步设计各个电路子模块，最后形成完整的控制电路。控制电路划分为如下子模块：单片机最小系统；姿态传感器：获取小车姿态信息；速度检测：检测电机霍尔测速输出脉冲频率；电机驱动：驱动两个电极运行功率电路；电源：电源电压转换，稳压，滤波电路；系统框架图如图1.1所示。图1.1系统框架图由上面系统框架图可以看到，整个系统围绕STM32F103C8T6主芯片运行，电池经过降压稳压后提供稳定的5v和3.3v给STM32主芯片和各电子模块，STM32主芯片通过读取MPU-6050传感器芯片的数据，获取小车系统的运动状态，再通过TB6612FNG驱动芯片控制直流电机的运动，直流电机通过编码器反馈转速给STM32主芯片，这就构成了两轮自平衡小车的基本硬件框架。1.2.1主控芯片选型及介绍方案一：IAP15W4K58S4IAP15W4K58S4芯片是STC公司设计与制造的一款可在线仿真的高性能芯片，体积小，工作电压宽1.5V-5.5V。它与传统的8051单片机系统指令兼容，但是相较于传统的单片机，它的片内资源更加丰富，运行速度更快，可操作性更强，深受广大用户的青睐，具有丰富的外设模块，适合制作两轮自平衡小车。图1.2为IAP15W4K58S4芯片引脚图。图1.2IAP15W4K58S4引脚图它的主要外设包括：PWM：6路15位硬件PWM+2路CCP的16位；UART：4组；ADC：8路10位高速ADC；定时器：共7个定时器，5个16位可重装载定时器/计数器,2路CCP还可再实现2个定时器；IO口：最多提供62个GPIO；内部存储器资源包括：61k程序Flash，4kSRAM。方案二：STM32F103C8T6STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。STM32系列按性能分成两个不同的系列分别是STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。图1.3为STM32F103C8T6引脚图。图1.3STM32F103C8T6引脚图它的主要外设包括但不限于：PWM：8通道；AD转换器：10通道，12位；定时器：3通道16位通用定时器（TIM2/TIM3/TIM4），1通道高级控制定时器（TIM1）；丰富的外部串行接口：SCI，I2C，SPI；IO口：最多可以提供32路,可以与5V器件直接相连；内部存储器资源包括:64k程序Flash，20k数据RAM；综上所述，根据任务书要求和系统需求，选择使用STM32F103C8T6，因为它的体积小（LQFP48，7x7mm），功耗低（3.3V工作电压），运算速度快（10.25MIPS，ARM32-bitCortex™-M3CPU），具有丰富的外设模块。STM32比51处理速度快，外设功能丰富强大。51单片机AD、EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担,虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，保护能力很差，很容易烧坏芯片。1.2.2传感器模块选型及介绍本设计需要对车体姿态信息进行采集，因此对姿态传感器的要求比较高，根据控制车模的直立控制算法，通过测量车模的倾斜角度和倾斜速度来控制车模车轮的加速度，从而消除车模的倾斜角。因此，测量车辆的倾斜角度和倾斜速度是控制车辆平衡的关键。安装在车模上的加速度计和陀螺仪可以测量车模的倾斜角度和倾斜速度。方案一：MPU-6050MPU-6050性能特点如下：（1）高性能三轴加速度+三轴陀螺仪的六轴传感器模块，通过IIC总线给出六个维度的ADC值，可利用自带的数字运动处理器(DMP)硬件加速引擎，通过主IKC接口，向应用端输出姿态解算后的数据。（2）使用InvenSense公司提供的运动处理资料库，实现姿态解算，降低了开发难度，同时减轻了操作系统运动处理操作的负担。（3）体积小，自带温度传感器。（4）支持IIC从机地址设置和中断。（5）兼容3.3V/5V系统。成本不超过10元，对两轮自平衡小车来说，它的精度和性能绰绰有余了，MPU6050在这个价位里面几乎是占有绝对的性价比优势。芯片内部集成了一个DMP（DigitalMotionProcessor）处理器，能直接硬件解算四元数，这让姿态解算不再是难事。MPU6050模块如图1.4所示。图1.4MPU6050模块方案二：ICM20620性能特点：（1）芯片内置有16bit转换器，16位数据输出;（2）供电电源3.3V或者5V(模块自带LDO,内部低压差稳压);（3）标准IIC/SPI通信协议，使用硬件SPI可达到10M波特率;（4）具有131LSBs/°c敏感与全格感测，范围为±250，±500，±100，±2000°/sec的3轴角度速度感测器;（5）加速度范围:可程式控制，且程式控制范围为±2g,±4g,±8g和±16g的3轴加速度器;ICM20620模块如图1.5所示。图1.5ICM20620方案三：SC-AHRS-100D2SC-AHRS-100D2是由惯性测量单元、磁传感器等构成。该产品内置了扩展卡尔曼滤波器算法，可提供准确的磁方向、方向和其他角度信息。与传统的定向和定向参考系统相比，通过产品内部传感器的交互提高了产品的精度和可靠性，但价格更高。综上所述，相比ICM20620，MPU6050具有噪声更低，速度更快，陀螺仪量程范围更广等优点。对于平衡车系统而言，姿态传感器为速度传感器和加速度传感器，SC-AHRS-100D2为九轴传感器，对系统而言绰绰有余，因此MPU6050性价比更高一些。1.2.3电机驱动芯片选型及介绍方案一：TB6612FNGTB6612FNG是东芝半导体的直流电机驱动器件，采用有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电流输出，可同时驱动两个电机。因为两轮自平衡小车刚好也是只有两个电机，所以只要用一块TB6612FNG就够了。TB6612FNG电机驱动芯片的主要特性：（1）驱动电压：最大支持15V输出电流：1.2A（连续）/3.2A（峰值）（2）工作模式：支持正转/反转/刹车/停止四种模式（3）封装尺寸：SSOP24，0.65mm引脚间距TB6612FNG内部集成两组H桥驱动电路，所以能直接驱动两个直流电机，模块如图1.6所示。图1.6TB6612FNG模块方案二:L298NL298N电机驱动模块性能特点:（1）可实现电机正反转及调速。（2）启动性能好，启动转矩大。（3）工作电压可达到36V，4A。（4）可同时驱动两台直流电机。图1.7L298N芯片方案三：BTN7960BTN7971是一个半桥型驱动芯片，驱动一个电机需要两个BTN及相应的外置芯片。这个芯片是最开始做智能车的时候使用的芯片，相当耐用，一般不会有什么问题。但是价格不太友好，不建议使用。图1.8BTN7960芯片综上所述，L298N电机驱动模块体积较小，因此工作时会有较多的热量产生。相比L298N的热耗性和外围二极管续流电流，TB6612FNG能承