智能平衡车的研究与设计
摘 要本课题以嵌入式智能平衡车当作研究目标，嵌入式系统作为当下最为流行的一种微处理器系统，在控制器芯片中也有了优秀的实现效果。本课题构建的该款智能平衡车控制系统完成了在前进过程中时刻保持车辆平衡并且在经过外力干扰情况下能够迅速恢复平衡状态等性能，与此同时还可以实现前进过程中的障碍物检测，实现避障功能，搭配处理器最小电路以及液晶屏姿态检测电路、超声波探测电路、显示电路和直流电机驱动等电路实现了各功效对应的硬件电路系统，通过C语言软件程序代码使主控芯片调动响应的输出输入接口对每一个功能电路模块进行了高效的驱动。为了完成嵌入式系统的特征，本课题在系统硬件上尽量选用外形体较小而且以最大程度的压缩电路空间等形式，将这种类型的智能平衡车系统的外形做到最小，完成了便携式特性。在软件的开发方面，本课题选用的是边编写边断点调试的开发模式，极大的提升了对软件结构的开发速度，另外提升了编程代码的正确性，压缩了BUG代码段的出现概率。
目录
一、 引言 1
（一） 智能平衡车的发展背景 1
（二） 智能平衡车的发展现状 1
（三） 本课题的主要设计内容 2
二、 智能平衡车的方案设计 3
（一） 平衡原理设计 3
（二） 总体架构设计 3
三、 系统硬件设计 5
（一） 智能平衡车的主控电路设计 5
1. STM32C8T6处理器简介 5
2. 最小系统电路设计 5
（二） 小车平衡姿态检测电路设计 6
1. MPU6050三维加速度传感器简介 6
2. 电路设计 6
（三） 超声波测障电路设计 7
（四） 车轮驱动电路设计 7
四、 系统软件设计 9
（一） 智能平衡车的主程序流程设计 9
（二） 小车平衡姿态检测流程设计 10
（三） 蜂鸣提示流程设计 11
（四） 车轮驱动流程设计 11
（五） 程序编译 12
五、 实物及调试结果 13
总结与展望 15
参考文献 16
致 谢 17
附录一 原理 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
图 18
附录二 PCB 19
附录二 元器件列表 20
附录四 程序 21
引言
智能平衡车的发展背景
本课题构建的这个系统与以往的智能平衡车控制系统不同的是，控制核心使用了STM32C8T6，尽管这款主控处理器是一种比较老并且功效不是十分突出的处理器，而结合到该器件的价格和内部配置来看，该器件的经典性是非常有道理的，而本毕业设计使用它来做为主控也是基于这个道理的，把其嵌入到此智能平衡车系统中，不但可以缩短丰富软硬件电路构建调试周期，相关的系统参考代码可以在网上或者图书馆中很容易看到，这对保证毕业设计的成功性具有很大保障。本次毕业设计将以大学期间的相关课程作为背景，通过此前学习过的处理器知识来制作一种应用主控器件来实现的智能平衡车系统，该系统将会使用到我学到的微处理器芯片、模拟电路、数字电路以及电路图绘制软件的知识，把这些知识进行融会贯通之后就可以可以初步完成课题的设计理念，当然这个过程中还会遇到各种艰难险阻，须要具备问题分析和软硬件系统调试能力才能够全盘实现这款智能平衡车控制系统。智能平衡车系统最早出现在集成电路刚发展起来的那段时间，那个时候集成芯片技术出现，许多分立模拟电路被集成芯片所代替，这使得多数电路的效果得到了巨大的提升，电路的稳定性能大大增加，而且给予电路的调试和维修也带来了很大的便利，初期智能平衡车控制系统即是在该环境下应运而生，工程师们经过丰富的构建和实验，最终构建出了这类早期的智能平衡车控制系统，完成了人们最初对它的期望目标，当然这些功效较为简易，随着电子技术的不断前进，这些简易的目标渐渐不能满足使用者的胃口，从而该早期的智能平衡车系统开始变得不具有实用价值，研究者不断意识到唯有彻底性的改变这种系统的设计方案才能够使其发生根本性的增加。这一想法在主控处理器出现以后获得了实现，结合代码设计以及硬件系统的配置，通过控制芯片完成的智能平衡车控制系统具有了智能系统的初态，研究人员将思想转换成算法植入到该芯片中，通过内部芯片的操控和对信号的飞速运算，对于电路的控制通过了算法来实现，这就是我们现在看到的智能平衡车系统。而伴随着处理器技术的持续前进，处理器芯片的功能变得越来越强大，其驱动能力也不断被增加，一些高精度的液晶屏、数字化传感器组以及无线通信模块被嵌入到了智能平衡车控制系统中，使智能平衡车系统始终保持着发展的脚步。
智能平衡车的发展现状
通过对中国知网上的期刊文献进行查阅，前段时间美国芝加哥大学一个和智能平衡车控制系统相关的研究小组推出了一条公告，宣布他们最新推出了一款专门用做实现智能平衡车控制系统进行数据采集的高性能智能传感器，这种类型的传感器件集合了多种探头，通过这种型号的智能传感器的工作可以为系统提供多个上的采集数据并通过传感器内部主控器的处理，将这些数据进行整合和提取，将底层数据中有效的数据提取出来传入到信息层而且通过高速SPI接口送出，这种型号的高性能传感器的推出将意味着对智能平衡车系统的研究又取得了一大进步。经过对电子器件市场上现存的智能平衡车控制系统进行了一次完全调研之后能够得出一个结论，与之相关的不论是半成品模块还是完整产品，国产和进口相互间的价格不在同一水平上，国产产品比进口产品的成本低好几个档次，通过现场询问和提供的参考文献调研查阅后可以发现，在使用环境和大多数的参数精度上，国产产品要比进口产品的效果低，可想在智能平衡车控制系统的重点技术掌握方面，国内的生产厂家还没有走在时代的前列。
本课题的主要设计内容
本次毕业论文配置了一种能够高清晰度液晶显示、发送声音、快速检测距离、加速度的快速检测和PWM波输出功效的智能平衡车控制系统，在论文的结构上，第一章主要对这款系统的历史背景和现如今市面上国内外产品的现状做了简要地介绍；论文的第二章对这种型号的智能平衡车控制系统原理结构中所要使用的元件进行了简略描述；第三、四两章依次对智能平衡车的硬件电路和软件流程进行了构建，第五章主要通过丰富测试来实现对设计结果的验证，在设计内容方面，下列为本系统所要实现的任务。
1、配置MPU6050三维加速度传感器电路，通过处理器的驱动实现对小车平衡姿态的检测，能够较为准确的测量到倾斜角度；
2、配置距离检测电路，通过超声波传感器的测距原理实现小车在前进过程中的躲避障碍物功能；
3、设计液晶屏电路，在处理器的控制下实现对平衡小车运行状态等相关参数的显示；
目录
一、 引言 1
（一） 智能平衡车的发展背景 1
（二） 智能平衡车的发展现状 1
（三） 本课题的主要设计内容 2
二、 智能平衡车的方案设计 3
（一） 平衡原理设计 3
（二） 总体架构设计 3
三、 系统硬件设计 5
（一） 智能平衡车的主控电路设计 5
1. STM32C8T6处理器简介 5
2. 最小系统电路设计 5
（二） 小车平衡姿态检测电路设计 6
1. MPU6050三维加速度传感器简介 6
2. 电路设计 6
（三） 超声波测障电路设计 7
（四） 车轮驱动电路设计 7
四、 系统软件设计 9
（一） 智能平衡车的主程序流程设计 9
（二） 小车平衡姿态检测流程设计 10
（三） 蜂鸣提示流程设计 11
（四） 车轮驱动流程设计 11
（五） 程序编译 12
五、 实物及调试结果 13
总结与展望 15
参考文献 16
致 谢 17
附录一 原理 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
图 18
附录二 PCB 19
附录二 元器件列表 20
附录四 程序 21
引言
智能平衡车的发展背景
本课题构建的这个系统与以往的智能平衡车控制系统不同的是，控制核心使用了STM32C8T6，尽管这款主控处理器是一种比较老并且功效不是十分突出的处理器，而结合到该器件的价格和内部配置来看，该器件的经典性是非常有道理的，而本毕业设计使用它来做为主控也是基于这个道理的，把其嵌入到此智能平衡车系统中，不但可以缩短丰富软硬件电路构建调试周期，相关的系统参考代码可以在网上或者图书馆中很容易看到，这对保证毕业设计的成功性具有很大保障。本次毕业设计将以大学期间的相关课程作为背景，通过此前学习过的处理器知识来制作一种应用主控器件来实现的智能平衡车系统，该系统将会使用到我学到的微处理器芯片、模拟电路、数字电路以及电路图绘制软件的知识，把这些知识进行融会贯通之后就可以可以初步完成课题的设计理念，当然这个过程中还会遇到各种艰难险阻，须要具备问题分析和软硬件系统调试能力才能够全盘实现这款智能平衡车控制系统。智能平衡车系统最早出现在集成电路刚发展起来的那段时间，那个时候集成芯片技术出现，许多分立模拟电路被集成芯片所代替，这使得多数电路的效果得到了巨大的提升，电路的稳定性能大大增加，而且给予电路的调试和维修也带来了很大的便利，初期智能平衡车控制系统即是在该环境下应运而生，工程师们经过丰富的构建和实验，最终构建出了这类早期的智能平衡车控制系统，完成了人们最初对它的期望目标，当然这些功效较为简易，随着电子技术的不断前进，这些简易的目标渐渐不能满足使用者的胃口，从而该早期的智能平衡车系统开始变得不具有实用价值，研究者不断意识到唯有彻底性的改变这种系统的设计方案才能够使其发生根本性的增加。这一想法在主控处理器出现以后获得了实现，结合代码设计以及硬件系统的配置，通过控制芯片完成的智能平衡车控制系统具有了智能系统的初态，研究人员将思想转换成算法植入到该芯片中，通过内部芯片的操控和对信号的飞速运算，对于电路的控制通过了算法来实现，这就是我们现在看到的智能平衡车系统。而伴随着处理器技术的持续前进，处理器芯片的功能变得越来越强大，其驱动能力也不断被增加，一些高精度的液晶屏、数字化传感器组以及无线通信模块被嵌入到了智能平衡车控制系统中，使智能平衡车系统始终保持着发展的脚步。
智能平衡车的发展现状
通过对中国知网上的期刊文献进行查阅，前段时间美国芝加哥大学一个和智能平衡车控制系统相关的研究小组推出了一条公告，宣布他们最新推出了一款专门用做实现智能平衡车控制系统进行数据采集的高性能智能传感器，这种类型的传感器件集合了多种探头，通过这种型号的智能传感器的工作可以为系统提供多个上的采集数据并通过传感器内部主控器的处理，将这些数据进行整合和提取，将底层数据中有效的数据提取出来传入到信息层而且通过高速SPI接口送出，这种型号的高性能传感器的推出将意味着对智能平衡车系统的研究又取得了一大进步。经过对电子器件市场上现存的智能平衡车控制系统进行了一次完全调研之后能够得出一个结论，与之相关的不论是半成品模块还是完整产品，国产和进口相互间的价格不在同一水平上，国产产品比进口产品的成本低好几个档次，通过现场询问和提供的参考文献调研查阅后可以发现，在使用环境和大多数的参数精度上，国产产品要比进口产品的效果低，可想在智能平衡车控制系统的重点技术掌握方面，国内的生产厂家还没有走在时代的前列。
本课题的主要设计内容
本次毕业论文配置了一种能够高清晰度液晶显示、发送声音、快速检测距离、加速度的快速检测和PWM波输出功效的智能平衡车控制系统，在论文的结构上，第一章主要对这款系统的历史背景和现如今市面上国内外产品的现状做了简要地介绍；论文的第二章对这种型号的智能平衡车控制系统原理结构中所要使用的元件进行了简略描述；第三、四两章依次对智能平衡车的硬件电路和软件流程进行了构建，第五章主要通过丰富测试来实现对设计结果的验证，在设计内容方面，下列为本系统所要实现的任务。
1、配置MPU6050三维加速度传感器电路，通过处理器的驱动实现对小车平衡姿态的检测，能够较为准确的测量到倾斜角度；
2、配置距离检测电路，通过超声波传感器的测距原理实现小车在前进过程中的躲避障碍物功能；
3、设计液晶屏电路，在处理器的控制下实现对平衡小车运行状态等相关参数的显示；
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