基于stm32的自平衡小车

学 术 诚 信 承 诺

本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

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摘 要

电动平衡车的动力来源于电机，通过控制电机的正反转是平衡车前进和后退，从而达到自平衡的目的。目前市场上的平衡车大多数是依靠人的重心改变来控制车的状态，而本次设计通过在自平衡的基础上加上了自跟随功能和无线遥控功能，实现了平衡车的灵活控制。

以平衡车的基本控制原理与自跟随功能的实现和无线遥控功能的实现作为研究目标。首先，对平衡车的基本控制理论进行分析并采用PID算法进行闭环控制，选择MPU6050作为姿态检测传感器，通过卡尔曼滤波对MPU6050的原始数据进行处理后，得到适合系统的姿态信息。然后，使用Altium Designer软件画出相应电路图，并完成了PCB制板。最后，通过Keil MDK集成环境进行程序设计，在编译和调试成功后，烧写到实物中对设计结果进行验证和总结。

关键字：平衡车；卡尔曼滤波；PID算法；Altium Designer；Keil MDK；MPU6050

Abstract

The power of the electric balance vehicle comes from the motor. By controlling the positive and reverse of the motor, the balance vehicle goes forward and backward, thus achieving the purpose of self balancing. At present, the balance of the car on the market mostly relies on the weight change to control the status of the car and the design by adding the auto tracking function and wireless remote control function based on self balance, realize the flexible control of the balance of the car.

The basic control principle of balancing vehicle, the realization of self follow function and the realization of wireless remote control function are studied. First of all, the basic control theory of the balance of the car were analyzed and the PID algorithm for the closed-loop control, MPU6050 is selected as the attitude sensor, the original data were processed by Calman filter of MPU6050, get the attitude information for the system. Then, using Altium Designer software to draw the corresponding circuit diagram, and completed the PCB board. Finally, through the Keil MDK integrated environment for programming, after compiling and debugging successfully, burning to the physical, the design results are verified and summarized.

Key Words:balance car; Kalman filter; PID algorithm; Altium Designer; Keil MDK; MPU6050

目录

摘要..............................................................................................................................................I Abstract..........................................................................................................................................II 第1章绪论 (1)

1.1 课题研究背景及意义 (1)

1.2 国内外发展情况 (1)

1.2.1 国内发展现状 (1)

1.2.2 国外发展现状 (2)

1.3 主要研究内容 (3)

第2章控制方案设计 (4)

2.1 系统原理分析 (4)

2.2 关键算法分析 (5)

2.2.1 PID算法 (5)

2.2.2 卡尔曼滤波 (6)

2.3 方案制定 (7)

2.4 本章小结 (8)

第3章硬件系统设计 (9)

3.1 主处理器的选择 (9)

3.2 传感器的选择 (10)

3.2.1 姿态检测传感器 (10)

3.2.2 电机转速传感器 (10)

3.2.3 距离检测传感器 (10)

3.3 无线传输模块及电机驱动芯片 (11)

3.4 电路设计与PCB制板 (12)

3.4.1 电路设计 (12)

3.4.2 PCB制板 (14)

3.5 本章小结 (15)

第4章软件系统设计 (16)

4.1 平衡车控制板程序设计 (16)

4.2 平衡车遥控程序设计 (17)

4.3 本章小结 (18)

第5章实物搭建和调试 (19)

5.1 实物搭建 (19)

5.2 系统测试 (19)

5.2.1 程序调试 (19)

5.2.2 结果分析 (20)

5.3 本章小结 (20)

结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录 1 中文原文 (23)

附录 2 外文原文 (30)

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

本课题的研究主要是为了设计出可以在小范围内活动的轻巧灵活的绿色代步工具,并且在自平衡的功能上加上一些新功能，如自跟随功能和遥控功能，这样平衡车不仅可以当作交通工具来使用还可以作为人们的助手，如可以制造出平衡车形式的拉杆箱、平衡车形式的超市购物车等。平衡车技术起源于国外被叫作摄位车（Segway），在国内有被叫做平衡车、思维车、体感车，平衡车易于放置，便于携带[1]。公共场所、汽车、火车上都可以随意携带，平衡车不需要专用的场地，可以在马路、公园、林间小路甚至室内都可以骑行，所以它相比传统的四轮车是有很大的优势的。

无论是两轮平衡车还是独轮平衡车都可以在小范围内运动，不像传统的四轮车在小范围内实现转弯很困难。随着电子技术的不断发展，人们对代步功能的要求也越来越高，平衡车也就由此诞生了，电动平衡车的小巧便携性也给人们带来了很多方便，同时，电动平衡车的电驱动性赋予了它绿色交通的使命，它的广泛流行对文明城市的建设和生活环境的改善都有着重要的意义[2]。电动平衡车为人们节省了不少燃油开支和时间，相比其它的代步工具还有价格上的优势，使大多数的人都能支付得起，保养起来也相对简单。在平衡车上加入一些传感器可以使人更好地控制它，同时也使它具有了搬运、壁障等功能，如加入了自跟随功能就避免了需要人用手携带的缺点[3]。

1.2 国内外发展情况

1.2.1国内发展现状

平衡车最早进入我国市场是在2008年，第一次出现在大众视野当中是在2008奥运会上，警卫人员巡逻时将Segway电动平衡车作为代步工具。之后就渐渐普及了下来，有时候在某些综艺节目上、或者电影中可以看到平衡车的出现，直到现在平衡车在大街上见到也不足为奇。很多高校都对平衡车的设计进行研究，并且有很多已经有了成果，浙江树人大学对两轮直立自平衡车进行了设计和制作，并且取得了相应的成果，他们主要解决了平衡车的基本控制理论问题（见图1.1）。小米平衡车在国内平衡车行业上有着重要的地位，值得一提的是，作为鼻祖的Segway目前已被中国平衡车厂商Ninebot（小米生态链众多企业中的一员）全资收购,小米现已经生产出了几代的平衡车，但都是以代步功能来设计制造（见图1-2），国内还有很多企业在设计生产平衡车，如乐行天下平衡车（见图1-3）、新世

纪平衡车（见图1-4）等，都在设计制作且技术也逐渐走向成熟。

图1-1 浙江树人大学两轮直立自平衡车图1-2 小米九号平衡车

图1-3 乐行天下V8平衡车图1-4 新世纪T-robot防爆定制版平衡车

1.2.2 国外发展现状

平衡车最早起源于2001年，在我国被叫作摄位车、体感车、火星车和思维车等，被定为一种交通工具。其鼻祖是位于美国的Segway，2001年的时候开始从事平衡车的开发了，年底第一辆原型车出现。其实Segway在2001年发布第一款车时，并不是给用户使用，被某些政府采购用来给护卫队使用，2002年才开始正式向普通用户出售，并快速受到追捧。Segway思维车由美国发明家Dean Kamen与他的DEKA研发公司(DEKA Research and Development Corp)团队发明设计，并创立Segway LLC,自2001年12月将Segways商业化量产（见图1-4）。波士顿动力公司（Boston Dynamics）在不断探索中找到了一个改进机器人双腿设计的方法，为自平衡机器人增加一对轮子，给机器人赋予令人印象深刻的新技能，可以在没有复杂地形的环境里执行搬运物体等基本任务（见图1-5）。

1.3 主要研究内容

本文研究对象是平衡车的控制系统，在平衡车稳定平衡的基础上对自跟随和无线遥控进行研究，并且计划使用STM32作为主处理器进行开发制作，由对倒立摆控制系统的分析进而分析平衡车的控制理论，其中包括直立行驶和转弯，还有自跟随的控制理论分析。

本次设计重点首先是要对STM32单片机的各个硬件系统有熟练使用的能力，这样才能对各模块进行正确的驱动设计。其中，需要对MPU6050原始数据进行滤波处理，所以要通过对滤波算法的分析对MPU6050中的陀螺仪和加速度数据进行融合，使滤波后的结果可以满足设计要求[4,5~6]。对PID算法进行分析，为闭环控制系统找到合适的PID控制器模型，其中参数的确定属于本次设计的难点。

遥控部分计划由触摸屏和51单片机进行设计，所以需要51单片机和STM32进行正确通信，才能完成触摸遥控功能。

第2章 控制方案设计

2.1 系统原理分析

首先以一个垂直悬吊的单摆为例（见图2-1），当单摆离开平衡位置时会受到重力和摆线的拉力的作用驱使它反向摆动，又因为空气阻力的影响，使它的回复力逐渐减小，最后直至稳定在平衡位置，单摆所受回复力大小为：

F =mg sin -f ? 空气 (2-1)

图2-1 单摆系统

然而两轮平衡小车则与颠倒着的单摆系统类似，倒立摆与单摆有着很大的不同了，当倒立摆离开平衡位置时它受到的重力作用与运动方向相同，不是抑制它的变化反而促使它向偏离平衡点更远的地方运动，也就是它向着不稳定方向发展，而空气阻力则是时刻与它的运动相反，所以摆杆要想平衡就必须有其它形式的外力作为辅助，所以这就引出了速度，给小车一个与摆杆运动方向相同的速度使摆杆因自身的惯性产生一个回复力，这个回复力就可以使摆杆具有向着稳定状态运动的趋势，这个回复力的大小为：

sin dv F mg m f dt

θ=-+空气 （2-2） 如果不考虑空气阻力，那么若要摆杆具有回复的趋势，摆杆底部的平台相当于小车车轮的加速度要足够大，而且是随着偏离平衡的角度的增大而增大[7,8]。

两轮平衡车的稳定状态实际上是一种“动态稳定”过程，而不是实际意义中的静态稳定[9]。相比四个轮子的智能车两轮平衡车控制过程就更为复杂，为了方便分析这个复杂的过程，我们可以把这个问题分解成多个简单的问题来处理。无论车子直立行驶还是转弯行驶，它的动力来源都是来自两个后轮，而后轮则是由两个直流电机直接驱动的，因此两轮平衡小车作为被控制对象，它的控制系统的输入量应该是两个电机的转速，所以平衡小车的控制任务可以分解成三个基本控制任务。

首先是控制小车的平衡，控制小车的平衡可以通过控制平衡小车的两个车轮的正反转实现平衡小车可以在两个运动方向都可以获得产生回复力的加速度，这样平衡任务就可以实现。

然后是控制小车的速度，由以上分析可知小车的速度与倾角有着密不可分的关系，所以小车的速度变化应该与倾角相对应。

最后是控制小车的方向，控制小车的方向可以利用两个车轮之间的转速差进行控制，转向速度应该与速度差的大小成正比[10,11]。

2.2 关键算法分析

2.2.1 PID 算法

PID 算法在工业控制中有着重要的地位，是现今最常用的模糊控制算法之一，PID 其实是比例控制、积分控制和微分控制，简称PID 控制。在闭环控制系统中PID 控制器更是必不可少，PID 控制器之所以被应用这么广泛主要是因为它的结构简单、工作稳定性好、调整方便的特点，在实际研究中经常会遇到被控对象的具体参数不能精确的建立出数学模型，其它控制理论技术难以采用时，系统的控制器和具体参数必须要根据实验现象来现场调试，在这种情况下PID 控制器是最能体现优势了，PID 在实际应用中PI 控制和PD 控制较为常见，甚至有的直接只有一个比例P 控制就可以完成整个系统的控制[12,13]。

控制系统分为开环控制和闭环控制，常用的是闭环系统，闭环系统中系统的输出量会返回来影响系统的输入，闭环系统的反馈又分为正反馈和负反馈两种，系统反馈量与输入量相同为正反馈，反之为负反馈[14] 。在闭环系统中，偏差作为输入量然后经过PID 控制器对偏差进行处理，然后将处理数据送到系统执行器，最后经过传感器检测把本次系统处理的结果反馈给系统进行下一次教正（见图2-3）。PID 控制器中输入与输出的关系式为：

1()()(()()())p Td de t u t k e t e t d t T dt

=++? （2-3） 但是在实际应用中人们习惯把它整理成如下形式：

()()()()p i d de t u t k e t k e t k dt

=++∑ （2-4） 这样在参数整理的时候比较简单方便，只需对kp 、ki 和kd 进行整理，系统就可以正常运行，在进行参数整定的时候每个参数对系统的影响各不相同，可根据系统现象进行调节。 kp 为比例环节参数，比例控制器是PID 中最为简单的一种，其控制器的输入输出成正比，在系统中主要是对振动幅度有影响，kp 的大小决定系统响应的力度，单独的比例控制时系统会有很大的稳态误差存在，所以一般都是与微分环节和积分环节一起使用。

ki 为积分环节参数，在控制系统中误差的积分与控制器的输出是成正比关系，在系统进入稳态之后会产生稳态误差，称这个系统为有差系统，为了消除系统中的稳态误差就需要这个积分环节，随着时间的增长误差积分增大推动系统进入无稳态误差状态，在控制系统中ki 的值一般很小，过大会引起系统的极度不稳定。

kd 为微分环节参数，在控制系统中系统的输出与误差的微分成正比，在控制系统中会出现失稳或震荡，主要是由比例环节放大了误差，而系统又有较大的惯性环节存在滞后现象，而微分的环节就是为了抑制这种误差变化趋势，kd 的值决定系统的阻尼和反应速度，使系统避免严重超调[15]。

图2-3 PID 控制器

2.2.2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波器由系统的输入和输出观测数据，对系统状态做出最优估计，它的依据是系统的线性状态方程，因系统分析数据大部分存在噪声和干扰，所以最优估计又被看成是滤波过程。卡尔曼滤波器首次被实现Stanley Schmidt ，卡尔曼滤波处理数据其实是去除数据中的噪声还原真实数据的数据处理技术，在方差已知的情况下从存在噪声的系统数据中，把系统的动态状态估计出来。由于卡尔曼滤波容易被计算机编程实现，并且能对现场的数据及时的进行更新和处理，所以卡尔曼滤波成为目前应用非常广泛的滤波方法。

卡尔曼滤波中过程激励噪声协方差矩阵Q 和观测噪声协方差矩阵R 可能会随时变化，但是在本次设计中假设它们是常数。对于协方差这个统计量对于描述系统的离散状态很重

几个重要的观点很重要。

滤波器是结合了估计值和测量值得到n时刻更加接近真值的估计结果。n时刻的测量值和n-1时刻的估计值，两者都存在误差，且误差都被假设满座高斯分布。滤波器引入了状态空间的目的是避免了对所有时刻的协方差都已知，直接可以通过上一时刻的状态信息和均方误差信息递推到n时刻的估计。n-1对n时刻的估计用到了之前所有的信息，之前信息是通过最小均方误差进行传递到n-1时刻，所以卡尔曼滤波需要先检验n-1时刻的初始值[16,17]。

2.3方案制定

经过原理的分析所设计的闭环系统的输出量因该为电机的转向和转速，如图2-4所示，速度需要用传感器测量反馈给系统，在速度环上加上PI控制器实现对速度的自动控制，实际物理意义是对小车位移的控制，实现了小车定位的功能，转向环采用PD控制器，转向控制环的输入也是两个轮子的速度矢量，在自平衡调节中定向作用，只要不是人为的改变小车转速差，小车就会保持原有方向，最后是直立环调节，直立环输入为小车的倾角，所以小车的倾角需要传感器来测量并反馈给系统，直立环则是PD控制器实现自动控制，直立环控制在这个平衡小车系统的控制过程中是最重要的，其它的对系统都是一种干扰，只不过是某些干扰在控制中符合了我们想要的效果，加强了系统的稳定性，比如小车直线行走，是通过改变速度环中的积分项，实际就是改变小车的位置，转弯行驶就是速度环中的两个车轮产生速度差，然后实现转弯[18]。

图2-4 基本功能控制逻辑图

最后是自跟随和遥控功能的实现，自跟随调节系统中输入为距离，所以需要加上距离

无限通讯功能通过一个智能LCD加上无线模块与小车通信，从而实现遥控功能，（见图2-5）。本次设计的难点在于结合实际控制原理把算法和程序融合在一起，还有PID参数的整定会花费很长间。还有在程序设计的时候需要注意，直立控制环为整个系统最为重要的部分，它因该在程序中体现出最高优先级[19]。

图2-5 自跟随和遥控功能控制逻辑图

2.4 本章小结

本章节主要讲述了平衡小车实现的基本原理，包括小车的自平衡、自跟随和转向控制功能的实现原理，有分别分析了PID算法和卡尔曼滤波在整个系统中的作用，最后对整体方案进行了设计，包括具体的PID控制起器的设计，和各部分所学要的传感器，并对可行性进行了分析，解决了控制算法和数据处理两大难题，为后续工作做出了很好的铺垫。

第3章硬件系统设计

3.1 主处理器的选择

本次设计中需要有两个单片机作为处理器，一个用作平衡小车中，一个用作与智能LCD连接做成遥控设备，其中在平衡小车控制系统中单片机所要处理的程序较多也较为复杂，所以需要一款高级的单片机，而制作遥控设备的单片机所要处理的逻辑运算就相对比较简单，所以可以选择一款低级的单片机，这样比较合理的运用资源。

在本次设计中平衡小车中的处理器选用的是ST（意法半导体）生产的一款单片机，ST 生产的STM32系列的单片机有着高性能、低功耗、低成本等优点，是基于ARM内核设计的嵌入式传感器。本次设计选择的是ST的STM32F103RCT6单片机（见图3-1），它是基于Cotex?-M3嵌入式内核制作的一款增强型单片机，作为一块32位的单片机，它的主频最高可达72MHZ,可由硬件完成的通信有CAN、IIC、USART、USB等常用通信，同时它还集成了许多功能强大的外围设备，如DMA、PWM、WDT、ADC和8个定时器等功能设备供用户使用，外部I/O个数51个，程序以FLASH的形式进行存储，且容量高达256KB，RAM容量为48K,可以满足大部分设计中的开发使用，在本次设计中它要完成的任务比较多，传感器的数据读取和算法的周期执行。

在遥控设备中与智能LCD相连接的单片机，由于它所处理的任务较为简单，所以此次设计选择了STC（宏晶科技）的一款单片机，在国内STC公司生产的51系列单片机具有很强的竞争力，其生产51单片机具有大容量的FLASH型的程序存储器，并且完全兼容了传统的8051单片机，因此深受广大用户喜爱，本次选择的是STC12C5A60S2单片机（见图3-2），它是一款增强型8051CPU单时钟周期，工作效率远远超过传统51，IO口可独立编程，自带PWM、SPI、ADC等功能强大的硬件，AD转换速度高达250K/S，还有独立的波特率发生器，节省了内部定时器资源，在本次设计中主要完成解析智能LCD发出的数据，并把遥控数据由无线模块发给平衡小车。

3.2 传感器的选择

3.2.1 姿态检测传感器

姿态检测是整个控制系统中比较重要的环节，它的数据的即时性和准确性直接影响着整个系统的稳定情况。在本次设计中姿态检测芯片选择的是InvenSense公司推出的一款集成三轴加速度和三轴角速度的低成本的六轴传感器MPU6050（见图3-3）,其体积小功能强大，应用范围非常广泛。

MPU6050内部集成一个内部DMP(Digital Motion Processor)，并且开源部分库文件，在使用的时候可以直接调用功能函数就可以得到想要的姿态信息，大大简化了开发难度。MPU6050内部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数字量，并且精度范围可控，陀螺仪的最高精度可达±2000°/S，加速度计的最高精度达到±2g，精度足够满足用户使用。片上自带1M的FIFO有助于降低系统功效，设备通讯可通过高达400KHZ的IIC完成，在平衡车系统中它提供的姿态信息有小车的角速度和加速度，经过处理之后送给系统的是倾角和角速度。

3.2.2 电机转速传感器

对平衡小车的所有的控制中，最终输出的其实都是对小车转速和转向的控制，所以小车的真实转速在系统中就显得尤其重要，在位置控制和转向控制中都需要小车的实际的转速作为输入量，它的准确性平衡小车系统的稳定性起着重要的作用。

本次设计中电机转速检测采用增量式磁性编码器相对于光电编码器具有较高的抗干扰能力，同时又具有较高的精度，AB相脉冲输出，车轮每转一圈电机输出390脉冲（见图3-4）。它是利用磁环旋转产生周期变化的磁场，与霍尔元件产生霍尔效应经过放大器放大产生的方波，编码器在电机测速方面的应用较为广泛，利用软件处理之后它可以给系统提供一圈1560个脉冲的高精度数据。

图3-3 MPU6050 图3-4 AB相输出霍尔磁编码器

3.2.3距离检测传感器

持一定的距离，距离信号的检测在自跟随控制中显得尤为重要。

常用的距离检测传感器有红外检测和超声波检测，红外检测是基于三角测量原理，红外发射器依照一定的角度发射红外光线，遇到障碍物体经过光的反射，反射光线通过滤镜照到CCD检测器上，X距离固定D值的增大不会影响到CCD检测，但是D值过小有可能超出CCD检测的范围（见图3-5），所以红外不适合检测较小距离，而本次平衡小车的自跟随功能都是小距离范围的，所以红外测距不适合本次设计，超声波测距的方法很实用，现在最常用的是回声探测法，超声波的检测过程如图3-6所示。

图3-5 红外检测过程图图3-6 超声波检测过程超声波测距过程是先由超声波发射器发射出超声波，经过障碍物之后反设回来被接收器接收通过声音在空气中的传播速度计算出距离，超声波的优点是可以检测到很小的距离。在本次设计中超声波传感器选择的是HC-SR04（见图3-7），它拥有超小的静态工作电流，感应角度范围较宽2-400cm，高精度0.3cm，工作时由单片机触发开始工作，连续发送8个40kHZ的电平，输出回响信号的高电平时间与距离成正比，非常方便用户使用。

图3-7 HC-SR04

3.3 无线传输模块及电机驱动芯片

无线传输技术是利用无线技术完成数据传输的技术，随着无线技术的日渐成熟，它将

本次设计所选取的无线传输芯片是蓝牙模块HC06（见图3-7）,它是主从一体化的串口传输的无线通讯模块，主从指令、波特率设置、密码设置等功能都可以通过AT指令来设置，AT指令由厂家提供，极大程度的减少了用户的开发难度。在空旷地域中最大传输距离为10m，为透传模式，可通过密码连接手机电脑等移动设备，使用起来十分方便。

图3-7 蓝牙模块HC06

电机驱动负责驱动电机转动，直接与动力的来源相关，所有的控制输出速度都是经过电机驱动来控制直流电机的，所以驱动我们要选择一个输出功率较大的且线性度比较好的电机驱动，保证控制算法的执行效果[20]。

比较常见的电机驱动L298N驱动电流不够大，并且容易发热，电流线性度没有保障，驱动电路的开关频率比较低，所以本次设计选择的驱动芯片是东芝半导体公司生产的一款MOS驱动芯片TB6612FNG（见图3-8），它可以同时驱动2个电机，双通道H桥结构可输出大电流,每个通道可以最大持续的输出1.2A电流，启动是峰值电流可以达到2.2A，PWM 频率高达100KHZ，片内自带温度检测保护和低压保护装置，可以实现正传、反转、停止和紧急制动四种运动状态，同时它的外围电路简单无需外加散热片等优势，使它在小功率电机驱动方面有较大的优势。

图3-8 电机驱动芯片TB6612

3.4 电路设计与PCB制板

3.4.1电路设计

本次设计中除了超声波模块和蓝牙模块之外的其他芯片的外围电路都需要自己设计，这两个模块中已经集成好它们的基本工作环境，可以直接与单片机IO口相连接就可以正常工作，但是其他控制芯片需要自己搭建稳定的工作环境之后才能和单片机正常的配合工作。首先是STM32F103RCT6最小系统设计（见图3-9），单片机的最小系统是能够保证单片机可以正常工作的前提，最小系统包括三部分，电源电路、晶振电路和复位电路。

图3-9 STM32F103RCT6最小系统

STM32F103RCT6的正常工作电压为2-3.6V，但是需要注意的是电源和地之间要加上滤波电容，否则电源电压的波动会导致单片机异常，晶振电路外接8MHZ的适石英晶振加上两个起振电容，复位电路选择的是上电自动复位，利用电容刚上电时的充放电来实现复位功能，其中有些特殊的引脚需要设计，如VBAT需要接上电源电压，当VDD不足以提供电能的时候，由VBAT为内部RTC和后备寄存器供电，还有BOOT0和BOOT1引脚的连接关河这单片机系统的启动方式，我们选择从FLASH启动属于正常的启动工作模式，还有为了节约引脚选择了SWJ接法这样可以通过4根线完成仿真和下载。

MPU6050芯片的外围电路比较简单，完全参照数据手册即可，外接电源与单片机STM32F103RCT6相同电压即可，如图3-10所示。

同时也要注意的是，电源和地之间要加上滤波电容，SDA和SCL为单片机与MPU6050IIC通信的接口接上4.7K上拉电阻以提高驱动能力，AD0为MPU6050D的地址引脚，没有特殊要求与地线相连接就可以，其它可对照手册连接即可。

接下来是电机驱动芯片电路TB6612FNG外围电路的搭建，他需要接两个电源电路，其中一个是控制电路一个是驱动电路，控制电路电源接与单片机相同的3.3V即可，电机驱动电源需要接11.7V，并且每个电源和地之间都应该接上去耦电容，需要注意的是驱动电路输出引脚有许多功能相同，直接接在一起即可（见图3-11）。

图3-11 TB6612FNG电机驱动外围电路图

与STM32系列最小系统相比，STC12C5A60S2的最小系统电路就比较简单，如图3-12所示，它页同样包括电源电路、晶振电路和复位电路，外接电源宽电压范围3.3-5.5V，设计电路时注意要把串口引脚引出即可。

图3-12 STC12C5A60S2最小系统

3.4.2 PCB制板

结合电路设计和控制逻辑进行PCB绘制，使用Altium Designer原Protel公司开发的一

DXP，并且加入了高端的新功能，全面集成FPGA和SOPC设计功能，应用这款软件可以完成电气原理图的绘制、PCB的制作和电路仿真等设计中重要的工作，使设计者可以轻松进行设计工作，熟练使用Aultim Designer这款软件会使电路设计这门工作的质量和效率有显著的提高。

原理图如电路设计中所述，接下来说明一下PCB的设计制作过程，首先有已选择的的芯片之间的逻辑关系检查原理图有无错误，查找手册确定每个芯片的封装尺寸，然后制作封装库，焊盘的大小要适量大于引脚的面积，因为此次设计所选择的大部分都是贴片元件，所以元件的布局尽量在可用范围内保持良好的距离，否则会给后期的元件焊接带来困难，布线是电源正极要使用0.8mm的线保证电流的流畅，电源地留在最后布线，因为最后在PCB板的正反两面都要覆铜，并且与GND连接保证所有元器件共地，在元件之间隙内打上一些过孔有助于公共地的建立，布线时因该还要注意高频的线要避免交叉，如通信线、PWM线和编码器脉冲线等应该保持在同一面平行布线，防止寄生电感和电容效应对信号的衰减，布好线之后要尽心编译观察有无错误，在编译之前因该做好规则的建立，比如线宽、有无漏接、线间间距大小等，可以依据自己的规则设置。

最后把检查好的PCB布线图进行保存（见图3-12），并且按照生产PCB厂家要求输出制作文件，等到PCB板制作完成就可以开始检验整个电路的焊接和测试了（见图3-13）。

图3-12 PCB布线图图图3-13 PCB实物图

3.5 本章小结

本章主要讲述的是硬件部分的内容，从传感器和处理器等硬件的选型，到各个硬件的外围电路设计，都详细说明了设计过层，并对每个硬件都加以介绍，说明用途并且在平衡小车系统中扮演的角色，最后介绍了Altium Designer这款一体化的电子设计软件，并且利