两轮自平衡小车设计报告

沈阳工业大学

信息科学与工程学院第五届创新杯大学生电子设计竞赛

双轮自平衡小车

摘要:

本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过TB6612控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过手机蓝牙与小车上蓝牙模块连接以控制小车运行状态。

关键字：智能小车；单片机；陀螺仪；蓝牙模块。

一、系统完成的功能

根据老师的指导要求，在规定的时间内，由团队合作完成两轮自平衡小车的制作，使小车在一定时间内能够自助站立并且自由行走，以及原地转圈，上坡和送高处跃下站立。

二、系统总体设计原理框架图

图2.1 系统总体框图

三.系统硬件各个组成部分介绍

3.1.STM32单片机简介（stm32rbt6）

主控模块的STM32单片机是控制器的核心部分。该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM 公司最新生产的Cortex—M3架构，最高工作频率可达72MHz，256K的程序存储空间、48K的RAM，8个定时器／计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN、两个和一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAC，具有80个I／0端口。

STM32单片机要求2.0～3.6V的操作电压(VDD)，本设计采用5.0V电源通过移动电源给单片机供电。

3.2.陀螺仪传感器

陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。本设计选用MPU-6050。MPU-60X0 是全球首例9 轴运动处理传感器。它集成了3 轴MEMS 陀螺仪，3 轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C 或SPI 接口输出一个9 轴的信号（SPI 接口仅在MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。一个片上1024 字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz 的I2C 接口或1MHz 的SPI 接口（SPI 仅MPU-6000 可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz 的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN 封装（无引线方形封装），可承受最大10000g 的冲击，并有可编程的低通滤波器。关于电源，MPU-60X0 可支持VDD 范围2.5V ±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚，用来为I2C 输出提供逻辑电平。VLOGIC 电压可取1.8±5%或者VDD。

图3.2.1 陀螺仪外观图

图3.2.2 陀螺仪电路图

3.3.电机驱动

3.3.1.TB6612

由于TB6612相对于传统的L298N效率上提高很多,体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热，所以我们设计的时候选择了这款芯片。

图3.3.1 TB6612外观图

3.3.2.PWM原理

PWM即脉冲宽度调制，它是指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图7所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

图3.3.2 PWM波形图

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t／T,则电机的平均速度为：Vd = Vmax·D (1)式中：Vd表示电机的平均速度；Vmax表示电机全通电时的速度(最大)；D=t／T表示占空比。由公式(1)可见，当改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。

3.4蓝牙模块

蓝牙模块可以让原来使用串口的设备摆脱线缆的束缚在10米范围内实现无线串口通信。使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷。蓝牙透传模块只有4个AT指令，分别是测试通讯，改名称，改波特率，改配对密码，AT指令必须从TXD,RXD信号脚设置，不能通过蓝牙信道设置。发送AT指令的设备可以是各种类型的MCU（比如51，avr，pic，msp430，arm等），也可以是电脑通过串口（PC串口接MAX232以后或者USB转串口）发送。由于HC-06有低功耗，低成本的特性，所以我们选择了这款芯片。

图3.4 蓝牙模块外观图

3.5编码器

编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

四、软件设计

软件部分实现的主要功能是：传感器的数据采集、PWM信号的输出、车模控制：包括直立控制，速度控制。软件流程如下：

初始化完成以后，首先进入车模直立检测子程序。该程序通过读取陀螺仪传感器的数值判断车模是否处于直立状态。在中断程序中不断的读取编码器数据，获取车模状态信息，然后通过读取的数据控制车模。

1.蓝牙控制程序：

if(uart_receive==0x00)

Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0; //刹车

if(uart_receive==0x01)

Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0; //前进

if(uart_receive==0x05)

Flag_Qian=0,Flag_Hou=1,Flag_Left=0,Flag_Right=0; //后退

else if(uart_receive==0x02||uart_receive==0x03||uart_receive==0x04)

Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=1; //右转弯

else if(uart_receive==0x06||uart_receive==0x07||uart_receive==0x08)