基于STM32的蓝牙平衡小车系统设计

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本设计提出了一种基于STM32的蓝牙平衡车的软硬件设计方案，该方案利用蓝牙将手机APP 与系统进行通讯。实现了小车的移动，以及对烟雾信息采集的功能。

随着控制技术的快速发展，两轮平衡车被广泛的应用。这种紧凑、灵活的双轮平衡车，可以在稍微复杂一点的环境中工作。本系统采用stm32f411ccu6作为主控制器，小车的倾斜度通过陀螺仪和加速度计获得，角度信息使用卡尔曼滤波算法进行修正，然后通过PID 算法控制汽车的速度来完成小车的自平衡。

1 系统整体方案设计

系统使用STM32单片机作为主要的控制器，通过卡尔曼滤波算法使通过MPU6050采集到的角度更加稳定，再通过PID 算法控制输出信号的占空比(PWM 值)，进而通过驱动模块控制小车的转速，使小车的平衡。使用MQ-2烟雾传感器来获取周围环境的信息，PID 控制器的速度和倾角是基于传感器所获得的数据，使用蓝牙与手机APP 通信，手机APP 可以覆盖所有输出数据，输出到驱动芯片，并控制小车。

整体设计方案如图1

所示。

图1 系统整体框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

Stm32f411ccu6作为主控芯片，使用ARM 公司32位的 Cortex-M4内核，有48个引脚，256K 字节的FLASH 和128K 字节的SRAM 。2.2 电源模块

整个系统的所有模块需要+12V 、+5V 、+3.3V 电压。使用+12V 的锂电池。5V 电源是通过LM317可调线性电源模块降压得到的，由于线性电源波纹较小，因此有助于稳定系统，5V 通过AMS1117-3.3降压至3.3 V ，并提供给STM32。模块示意图如图2

所示。

图2 电源供电示意图

2.3 电机驱动模块

使用TB6612FNG 为直流电机进行驱动。该驱动IC 是基于MOS-FET H 桥原理，它比晶体管H 桥更为有效的驱动。外围电路简单。它支持100KHZ 的PWM 信号。2.4 MPU6050姿态检测模块

MPU6050是六轴运动处理器，芯片内部集成了3轴微机械陀螺仪和3轴微机械加速度计，通过这六个量可以获得俯仰角，横滚角。STM32可以通过IIC 获取MPU6050内部的姿态数据。获取姿态

的准确性和实时性是整个系统中最重要的地方。

图3 软件整体流程图

2.5 蓝牙通信模块

使用HC-06蓝牙模块。STM32通过蓝牙协议与手机APP 进行通信。3.3V 电源进行供电。 2.6 烟雾传感器模块

MQ-2烟雾传感器可以用于液化气、酒精、烟雾等检测。随着浓度变大，电导率变大，输出电阻变低，模拟信号输出变大。STM32可以通过内部12位的ADC 进行模拟信号的采集。

基于STM32的蓝牙平衡小车系统设计

沈阳化工大学 信息工程学院 王子浩 王 健

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3 系统软件设计

软件部分主要是系统初始化、信息采集、算法处理等组成。如图3所示。3.1 姿态控制算法

因为惯性传感器本身的特性，例如温度和振动，这将导致数据产生很小的偏差。但是通过时间的累积，会使数据偏差很大，导致系统失控，因此要减少数据的错误,来减少陀螺仪漂移和车身摇晃。将数据采集的角度信息通过卡尔曼滤波器,去除噪声和干扰。卡尔曼滤波是使用线性系统状态方程通过系统的输入和输出的观测数据最佳地估计系统状态的算法。可以从已知的数据中动态推测出下一时刻的状态。小车移动的时候，使用PID 控制算法，输出PWM 信号驱动电机，保持汽车动态平衡。算法如图4所示，Kd 、KP 、KSP 、KIS 是PID

控制器的相关参数。

图4 姿态控制算法流程图

3.2 输出控制算法

在完成速度控制与角度控制之后，需要将获得的数据进行叠加，并且加入蓝牙方向控制，以完成小车的左右转。最后对所得数据进行判断与转换，以数据的正负控制电机的转向，以数据的数值控制占空比，调节PWM 输出来控制转速，完成左右电机的差分控制。图5为输出控制流程图。

4 结语

本文设计了一种基于蓝牙控

制两轮自平衡小车系统。通过软硬

图5 输出控制流程图

件结合，完成了小车的移动和自平衡功能并且完成了烟雾信息的采集。

作者简介：

王子浩（1998—），男，辽宁大连人，沈阳化工大学电子科学与技术专业本科生在读。

王健（1965—），男，副教授，沈阳化工大学电子科学与技术专业教师。

随着时代的不断发展，近年来，我国已经逐步进入了老年化社会，面对数量庞大的老年群众多方面需求，妥善解决人口老龄化带来的社会问题与国家发展和社会建设具有密不可分的关系。基于此，本文分析了基于Zigbee 的无线养老护理监控系统的研究意义，从系统总体架构、硬件设计、软件设计三个方面对基于Zigbee 的无线养老护理监控系统的设计和开发进行了研究。

1 基于Zigbee的无线养老护理监控系统的研究意义

近年来，我国全面推动了全国统一城乡居民基本养老保险制度的实施，有效地改善了居民养老环境，现代养老服务体系建设须尊重国情，从实际出发，尽力而为、量力而行，合理引导社会预期，科学改善老龄人口的养老环境，提升老年人口生活幸福感。我国在养老事业的发展上投入了大量的人力、物力和有力，基于Zigbee 的无线养老护理监控系统的研究和应用，能够有效地解

决当前我国养老体系中存在的主要问题，如养老服务知识体系不完善、养老服务有效供给不足、养老服务质量效益偏低、养老服务资源不均衡、养老服务人员综合素质不高、养老护理人员短缺等，充分利用了现代化科技的优势，降低了我国在养老服务系统中的人力资源投入。同时，基于Zigbee 的无线养老护理监控系统还具有着现代化的定位功能，凭借可靠的定位优势，能够为有养老需求的群众提供个性化的服务。另外，Zigbee 短程无线通信技术还具有着信号强度高的作用优势，其在养老监控系统中的合理应用，能够有效地扩大定位覆盖范围，进一步满足了我国养老机构和相关人员对于养老护理监控系统的应用需求，发挥了较高的社会价值和经济价值。

2 基于Zigbee的无线养老护理监控系统的设计

2.1 系统总体架构

据中国产业信息报告显示，2019年到2014年，中国养老服务业市场规模分别为8498亿元，10420亿元，13320亿元，16621元，20200亿元，24461元，呈现了明显的上升趋势，这也意味着我国在养老系统中投入的人力资源将越来越多，然而，当前我国养老服务体系的建设存在着明显的人力资源短缺现象，这说明基于Zigbee 的无线养老护理监控系统具有广阔的应用空间和优良的应用前景，以下对该系统的整体架构进行介绍：

上海

恩

谷信息科技有限公司

陈

健基于Zigbee

的无线养老护理监控系统的设计与开发