【《某平衡车控制系统的硬件电路设计与分析案例》2500字（论文）】

某平衡车控制系统的硬件电路设计与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u20758某平衡车控制系统的硬件电路设计与分析案例 1150411.1系统硬件的总体设计 1223841.2主要电路模块设计与分析 2214381.2.1STM32F103C8T6核心板 224151.2.1姿态传感器模块 4172771.2.2电机及电机驱动器模块 6130861.2.3稳压电源模块 8156951.2.4蓝牙模块 9154121.2.5oled显示模块 9115301.3PCB电路板设计 101.1系统硬件的总体设计整个平衡车系统的主控制系统分为多个模块，整个系统如图1.1所示，它由STM32核心板、姿态传感器（角度加速度传感器）、降压模块、蓝牙模块、OLED显示屏以及电机驱动模块等组成。其中STM32F103C8T6核心板是系统数据处理和系统控制中心，稳压电源可以调节电压，姿态传感器提供角度加速度数据，由OLED屏幕显示。电机驱动器驱动电机运作以此维持小车的自主平衡。蓝牙模块可以实现手机和平衡小车间的数据交换，通过手机上的APP来遥控小车运动。图3-1系统模块1.2主要电路模块设计与分析1.2.1STM32F103C8T6核心板STM32F103C8T6介绍STM32F103C8T6核心板接口及其他功能特点如下：1、SWD接口:程序烧录、调试接口。2、MircoUSB接口:用于电源供电和通信，不能下载数据。3、USART1接口:可用于程序存储和数据交换。4、MCU引脚接口:可以方便通过IO引脚与其他设备进行连接。5、5V与1.3V电源输入输出接口:常用于对外供电，或与其他模块进行共地处理。6、电源LED(PWR):根据其稳定性判断电源是否正常工作。7、用户LED(PC13):用于判断电路程序运行是否正常。8、复位按键:用来使程序复位。9、8M晶振:可通过倍频设置使系统主频为72MHz。10、32.768KHz晶振:通常用于校准，也可供RTC使用。STM32F103系列单片机额定电压在1.3v左右，拥有51个输入、输出端口，功能多样且工作温度范围广，室温下对模块工作状态几乎没有影响，STM32103系列产品有不同的封装形式，其外部配置的差异给用户提供更多的选择空间，既可降低成本，也不会导致资源的浪费，故采用STM32103C8T6芯片作为核心系统处理器。图3-2stm32f103c8t6核心板电路本设计直接采用stm32f103c8t6核心板如图1.2所示，成本低功能完全可以满足要求。1.2.1姿态传感器模块MPU-6050模块是一种角度加速度传感器，同时具备加速度传感器和陀螺仪两种功能的6轴姿态处理模块，陀螺仪可以用来测量电机转动时的角速度,由于陀螺仪测得的是电机的角速度，平衡车其他部位的运动对数据测量几乎没有干扰，所以信号的干扰噪声不大。因此我们可以通过对角速度积分得到一个噪声相对较少的小车角度信号，这种方法使角度信号更准确。相比其他由几个单独元器件连接成的具有同样功能的组件，这型模块不仅将陀螺仪与加速度传感器之间的轴间差减轻，还节省了从新设计PCB电路的步骤和时间，使设计过程更加便捷。该传感器模块的电压范围较大，在设计电路时不用特别注意其供电电路的影响，也不必担心电压过大而烧毁。本设计的MPU6050模块电路图如图3-3所示，其中供电电压采用1.3V。图3-3mpu6050模块电路1.2.2电机及电机驱动器模块MG513P30-12V带霍尔编码器的电机如图3-4，其电压额定值为12V，电流额定值为0.36A，功率约4W。其霍尔编码器是一种线数为13ppr的磁感应编码器，供电范围为5V，适配几乎所有单片机。编码器是用来测速的，它将位移通过磁电转换变为脉冲信号，输出的脉冲信号一般为方波如图3-5。图3-4MG513P30电机图3-5编码器输出波形使用频率测量法法测速时如式（3-1），我们只需测量A（或B）相的脉冲数，即其上升沿或下降沿的个数，但在该时期内仅计数3个，而如果测量全部AB相上升沿和下降沿则可计数12个，由此可以提高编码器测量精度。编码器的输出波形是方波可以直接使用STM32的编码器接口。n=M其中n为电机转速M为计数时间内的脉冲数C为编码器单圈总脉冲数T为计数时间TB6612FNG是一款可以驱动直流电机的模块，相比其他电机驱动模块，它具有散热性好、功率更大，驱动效率更强的优点，输出电路支持双通道，可以控制2个直流电动机，TB6612FNG每个通道输出最高为1A的连续驱动电流，启动峰值电流达连续脉冲２Ａ，单个脉冲3A，且支持正转、反转、制动、停止等４种电机工作模式，PWM调制频率最高可达到100KHZ，当处于待机状态时，片内的低压检测电路就会工作，保证在待机状态下减少用电，达到节能的目的，当处于持续工作状态时，芯片温度过高，热停机保护电路就会工作，这有助于延长芯片使用寿命，其电路驱动模块如图3-6所示，电机编码器如图3-7和3-8所示。图3-6tb6612驱动电路图3-7左电机编码器 图3-8右电机编码器1.2.3稳压电源模块Lm2596S是一款具有调节电压功能的稳压电源组件。输入电压范围:直流1.2V至40V，输出电压范围:直流1.2V至35V电压连续可调，具有高效率，便宜调压功能强等优势，同时带有led指示灯。采用Lm2596SDC-DC可调稳压电源模块，接入电源(3-40V)，调整蓝色电位器旋钮并用万用表检测输出电压达到需要电压为止，稳压电源模块电路如图3-9所示。图3-9稳压电源模块电路1.2.4蓝牙模块本次采用的HC-06是一种提供针对数据无线传导技术而开发的蓝牙模块，支持多种蓝牙协议，携带1.3V稳压芯片,接口电平1.3V，可以直接连接STM32F103系列单片机具有便宜、小巧、耗能少、反应迅速、外围电路简单、功能实现便捷强大等特点。其输入电压最高可承受6V，带有电源动防反接，当反接时模块停止运行，带有透明热缩管保护，避免芯片损坏。在没有干扰的情况下信号有效传输距离在10米左右。可以通过手机连接蓝牙模块，并根据APP进行控制。其电路模块如图3-10所示。 图3-10蓝牙模块电路1.2.5oled显示模块本次设计选择了7针0.96寸的OLED显示屏，供电电压为1.3v。其电路模块如图3-11所示。与普通LCD显示屏相比，OLED显示屏有更突出的优点，屏幕比较大而且清晰，可以自主控制发光，能够延长电池使用时间节省资源，比较绿色环保。图3-11OLED模块电路1.3PCB电路板设计PCB电路板的设计制作使用的是AltiumDesigner，AltiumDesigner是由Altium公司在protel软件的基础上研发设计的一款多功能电子开发软件，可以用来进行原理图设计、PCB板设计、嵌入式开发、封装库设计等一体化设计工作。主要原理图已在前面的电路模块中讲述，关于PCB电路板的制作的注意事项，画原理图时所有元器件必须具备封装，封装尺寸可以通过元件手册了解，如果元器件库里没有所需的封装需要自己制作，否则生成PCB时会找不到元器件。元件的命名要按顺序，管脚的标注一般用NET文本。PCB焊盘不宜过小，电源和地线线宽要大一些，可以为0.8mm，走线避免出现直角和锐角，输入输出走线不要相邻，