STM32F103+MPU6050两轮自平衡小车保姆级搭建指南（附完整代码）
STM32F103+MPU6050两轮自平衡小车保姆级搭建指南（附完整代码）
两轮自平衡小车作为嵌入式系统开发的经典项目，融合了传感器技术、控制算法和硬件设计，是电子爱好者进阶学习的绝佳选择。本文将手把手带你完成从元器件选型到代码调试的全过程，即使你是刚接触STM32的新手，也能跟着这份指南做出稳定站立的小车。
1. 硬件选型与电路设计
1.1 核心器件清单
平衡小车的硬件架构需要兼顾性能和成本，以下是经过验证的器件组合：
| 模块类型 | 推荐型号 | 关键参数 |
|---|---|---|
| 主控芯片 | STM32F103C8T6 | 72MHz Cortex-M3，64KB Flash |
| 姿态传感器 | MPU6050 | 三轴加速度计+陀螺仪 |
| 电机驱动 | TB6612FNG | 双路1.2A H桥驱动 |
| 直流电机 | N20减速电机 | 6V/200RPM，带编码器 |
| 电源管理 | AMS1117-3.3 | 3.3V LDO稳压器 |
1.2 电源电路设计
稳定的电源是系统可靠运行的基础，建议采用两级稳压方案：
- 输入7.4V锂电池
- 通过DC-DC降压至5V（供电机驱动）
- 经AMS1117转换为3.3V（供MCU和传感器）
注意：MPU6050对电源噪声敏感，建议在3.3V输出端增加10μF钽电容滤波。
1.3 关键接口连接
// STM32引脚分配示例 #define MPU6050_I2C I2C1 // PB6-SCL, PB7-SDA #define MOTOR_PWM_A PA8 // TIM1_CH1 #define MOTOR_DIR_A PB12 #define ENCODER_A PA0 // TIM2_CH12. 机械结构搭建技巧
2.1 车体框架制作
使用3D打印或亚克力板材切割时需注意：
- 重心高度控制在轮轴上方10-15cm
- 电机安装需保证双轮完全同轴
- 电池应安装在靠近轮轴的位置
2.2 电机安装要点
- 使用金属支架固定减速电机
- 车轮与电机轴之间加装橡胶垫片防滑
- 编码器码盘与传感器间距保持1-2mm
3. 软件架构与核心算法
3.1 系统初始化流程
void Hardware_Init(void) { // 1. 时钟配置 RCC_Configuration(); // 2. 外设初始化 MPU6050_Init(); Motor_PWM_Init(); Encoder_Init(); // 3. 中断配置 NVIC_Configuration(); }3.2 姿态解算实现
采用互补滤波融合加速度计和陀螺仪数据：
- 原始数据采集
MPU6050_GetData(&acc, &gyro);- 角度计算
# 伪代码示例 pitch_acc = atan2(accY, accZ) * 180/PI pitch_gyro = pitch_prev + gyroX * dt pitch = 0.98*pitch_gyro + 0.02*pitch_acc3.3 PID控制算法
typedef struct { float Kp, Ki, Kd; float error, integral, derivative; } PID_Controller; float PID_Update(PID_Controller* pid, float setpoint, float input) { pid->error = setpoint - input; pid->integral += pid->error; pid->derivative = (pid->error - pid->last_error); return pid->Kp*pid->error + pid->Ki*pid->integral + pid->Kd*pid->derivative; }4. 调试与优化实战
4.1 传感器校准步骤
- 将MPU6050水平静置
- 连续采样100次取平均值作为零偏
- 存储校准参数到Flash
4.2 PID参数整定方法
按照以下顺序调整参数：
- 先设Ki=0, Kd=0，增大Kp直到小车出现小幅振荡
- 逐步增加Kd抑制振荡
- 最后加入Ki消除静差
提示：使用蓝牙模块实时发送姿态数据到上位机可显著提高调试效率。
4.3 常见问题排查
- 小车往一侧倾倒：检查电机极性是否接反
- 剧烈抖动：降低PID的Kp值
- 反应迟钝：确认MPU6050的采样率是否≥100Hz
5. 完整工程代码解析
项目采用模块化设计，主要包含以下文件：
├── Drivers │ ├── mpu6050.c # 传感器驱动 │ ├── tb6612.c # 电机驱动 ├── Algorithm │ ├── filter.c # 滤波算法 │ ├── pid.c # 控制算法 └── Application ├── balance.c # 主控制逻辑 └── communication.c # 无线通信关键数据结构设计：
typedef struct { float pitch; // 当前俯仰角 float target; // 目标角度(通常为0) int16_t motorA; // 左电机输出 int16_t motorB; // 右电机输出 } BalanceState;在完成基础功能后，可以尝试添加超声波避障或手机蓝牙遥控等扩展功能。调试过程中建议先用支架固定小车，待PID参数初步稳定后再进行自由站立测试。