平衡板电路设计指南

Posted 2022-01-07 JeckXu666

文章目录

• 平衡板电路设计指南
• • 一、功能分析
  • 二、原理图设计
  • 三、PCB设计
  • 四、程序设计
  • 五、最终结果

平衡板电路设计指南

一、功能分析

使用 STM32F103RCT6 芯片作为主核心，搭配多个电子模块设计一款测控系统，装载于外卖箱结构上，实现外卖箱自平衡。在外卖箱里面有一个平台，它会随着外卖箱的颠簸而自动调节，保持平稳。具体实现采用了IMU模块固定在平台上，通过中央处理器实时读取模块的角度信息，根据当前角度信息与平衡时角度信息的差值，带入到平衡算法当中，经过算法计算，算出每一个舵机的调整值，再输出到舵机上，舵机进行角度调整，让平台始终稳定在水平位置，实现防泼洒功能，本项目中使用各个模块及其连接图如下

实现平衡效果，整个系统需要的硬件组成如下：

• 自制PCB

  自制PCB使用STM32F103C8T6为主控芯片，设计外围电路，将陀螺仪、按键、LED灯、PWM接口、ADC接口、电压电路集成到一张PCB电路板上，为软件运行提供稳定的硬件环境

• 压力传感器

  压力传感器使用压敏电阻，经过运算放大电路放大电压信号，方便PCB上的单片机读取

• 舵机

  舵机为平衡板位置调整的执行单元，通过PWM精准驱动，维持系统角度平衡

• 机械结构

  机械结构使用亚克力做平衡板载体，安装PCB电路板以及传感器和舵机，使系统可以进行数据获取以及位置调整

• 电池

  采用3S电池供电，电压稳定，可充电，实现循环使用

二、原理图设计

原理图设计：

三、PCB设计

电路布局：

PCB布线图：

正面：

反面：

PCB三维模型：

四、程序设计

程序设计使用STM32CubeMX代码生成软件结合MDK IDE进行开发，在CubeMX中配置芯片外设以及FreeRTOS操作系统接口，CubeMX配置如下：

基于CubeMX生成的代码，在MDK软件中编写控制逻辑，使用多任务编程，编写出串口任务、LED和按键任务、ADC采样任务、平衡任务，每个任务的实现功能如下：

1. 串口任务：串口任务使用到单片机的串口1和串口2，串口1用于接受成品陀螺仪模块解算出的姿态角数据，获取平衡板的角度状态，便于带入PID计算，串口2用于转发串口1接受到的姿态数据，发送到后台用于进一步处理

2. LED和按键任务：LED和按键任务用于读取按键的状态以及显示当前系统是否正常运行，按键按下后可以切换是否开启平衡功能，LED周期性闪烁方便用户确定系统是否正常运行

3. ADC采样任务：ADC采样任务使用单片机的内置ADC外设，采集压力传感器返回的电压值，与我们设定的压力值进行对比，当压力大于设定值时，即认为检测到重物，开启板子的平衡功能

4. 平衡任务：平衡任务在获取到姿态角的更新信息后会对他进行PID算法运算，并将得出的值输出到PWM上，控制舵机进行姿态调整，维持板子的平衡

代码流程图如下：

五、最终结果

放一个旧版的硬件测试视频，看起来不明显，但新版本的效果是非常好的，可惜最新版本的机器没有拍视频，机器不知道去哪了，大致了解一下即可