兩輪平衡小車之硬件設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)一種單片機(jī)最快的方式莫過(guò)于用它實(shí)際制作一個(gè)作品了，前些天看到有人在玩平衡小車，感覺(jué)非常有趣，于是就決定自己動(dòng)手制作一個(gè)基于stm32的兩輪平衡小車。從電路板設(shè)計(jì)，到程序編寫(xiě)，一步一步的，希望自己在這個(gè)過(guò)程中有一定的收獲。

這篇博客先寫(xiě)最開(kāi)始的電路設(shè)計(jì)，之后會(huì)更新后續(xù)的代碼編寫(xiě)和小車調(diào)試。

電路設(shè)計(jì)的基本過(guò)程一般是這樣的：需求分析——元件選型——原理圖設(shè)計(jì)——PCB設(shè)計(jì)——焊接調(diào)試。

需求分析：在這里，主要是確定小車需要哪些模塊、外設(shè)或接口。首先，stm32最小系統(tǒng)是必須的，這是小車控制的核心。然后小車的兩個(gè)輪子需要兩個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)和編碼器接口。需要陀螺儀感知小車的姿態(tài)（包括傾角，轉(zhuǎn)向角，角速度等）。需要一些調(diào)試和指示用的外設(shè)（蜂鳴器，LED等）。需要電源電路為系統(tǒng)供電。需要電池電壓采集電路來(lái)實(shí)時(shí)采集電池電壓，做低壓報(bào)警，防止電池過(guò)放。需要下載接口和調(diào)試用的串口。基本就是根據(jù)自己想要實(shí)現(xiàn)功能，然后確定需要那些部分的電路。

元件選型：為需要的各個(gè)部分電路選擇元件，一般來(lái)說(shuō)，主要是選擇何種型號(hào)、什么封裝的芯片，對(duì)于一些比較特殊的電路，即使是電阻電容這樣常見(jiàn)的無(wú)源器件也需要認(rèn)真選擇，然而平衡小車的電路中并不需要一些高精度或很高速的電路部分，所以，下面主要介紹如何選擇各個(gè)電路部分的主要芯片。

1.最小系統(tǒng)：考慮到小車的主控板可以作為今后做四軸或其他更高級(jí)的機(jī)器人的基礎(chǔ)電路，所以主控選擇了stm32F405RGT6，這款主控是M3內(nèi)核的，主頻可以達(dá)到168M，有豐富的外設(shè)資源可以使用，性能非常強(qiáng)悍，非常適合以后的開(kāi)發(fā)和拓展。

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)：小車的兩個(gè)輪子電機(jī)需要兩個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的選擇和電機(jī)的參數(shù)緊密相關(guān)。我選用的電機(jī)的正常工作電流360mA，并且考慮到小車在正常情況下基本不會(huì)出現(xiàn)賭轉(zhuǎn)的情況，并且為了盡量減小PCB板的面積，所以選擇了東芝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612，該芯片有兩個(gè)集成的H橋，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，每個(gè)H橋可以持續(xù)輸出1.2A的電流，PWM頻率可以到100kHz，芯片的供電電壓最大可以到15V，適合用3S電池供電，并且芯片封裝很小，節(jié)省PCB面積。

3.電源電路：主要考慮輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等。小車電池采用3S鋰聚合物電池，放電率25C，以后做四軸還能用。電池的滿電電壓12.6V左右，電路中需要5V和3.3V的電源，因此需要選擇兩款款芯片將12V電壓降壓到5V，然后再將5V降壓到3.3V。12V-5V的芯片可以選擇MPS公司的DCDC降壓芯片MP2482，該芯片支持最大5A電流輸出，最大28V電壓輸入，0.8至25V可調(diào)電壓輸出，符合需求。5V-3.3V選用常見(jiàn)的AMS1117-3.3。

4.陀螺儀：選用MPU6050模塊，模塊自帶了軟件濾波算法，采用串口對(duì)外輸出數(shù)據(jù)，在115200波特率的情況下，每秒鐘可以輸出100幀的數(shù)據(jù)。

原理圖設(shè)計(jì)：

1.最小系統(tǒng)：包括stm32f405rgt6，晶振電路，復(fù)位電路。R2和R3用于配置啟動(dòng)方式。C9和C12是單片機(jī)內(nèi)部電源變換部分的濾波電容。最小系統(tǒng)基本都是一樣的，按照常用的電路設(shè)計(jì)一般沒(méi)有錯(cuò)。那幾個(gè)電容式芯片的去耦電容，注意一下，模擬電壓、模擬地和數(shù)字電源、數(shù)字地之間用磁珠隔離，防止數(shù)字電路的高頻噪聲影響到模擬電路的精度。

2.電源電路：R22和R23將電池電壓分壓到1.2V，接到單片機(jī)內(nèi)部的ADC引腳，監(jiān)控電池電壓，防止過(guò)放。

3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)和編碼器電路：基本就是按照芯片datasheet上的參考電路設(shè)計(jì)的，注意做好電源去耦，因?yàn)殡姍C(jī)的電壓較高、電流較大，容易通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)對(duì)其它電路產(chǎn)生影響。

4.陀螺儀：集成的模塊，沒(méi)啥好說(shuō)的，把引腳連到單片機(jī)上就好了，簡(jiǎn)單在電源腳上并一個(gè)電容做一下電源去耦（不做也無(wú)妨，因?yàn)槟K內(nèi)部已經(jīng)做了）。

5.CAN通信：在小車上并沒(méi)有用到CAN通信，但是CAN通信在現(xiàn)在的機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)用的非常廣泛。并且我們做小車本來(lái)就是要學(xué)東西的，加上調(diào)一下，多學(xué)習(xí)些知識(shí)，何樂(lè)而不為呢？CAN通信用的芯片是飛利浦的TJA1050，這是一個(gè)CAN收發(fā)器，stm32內(nèi)部集成了CAN控制器。R4是阻抗匹配的電阻，在整個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中有且只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)焊接此電阻，電阻阻值為120ohm?，F(xiàn)在也還沒(méi)有深入學(xué)習(xí)CAN通信相關(guān)的知識(shí)，在以后調(diào)試CAN通信的時(shí)候再詳細(xì)學(xué)習(xí)吧。(^.^)

6.調(diào)試電路和其他的接口：SWD下載接口，USART調(diào)試串口，藍(lán)牙接口（根據(jù)選擇的藍(lán)牙模塊不同確定接口不同引腳的用途，比如使能腳、狀態(tài)輸入腳等，后面寫(xiě)藍(lán)牙的時(shí)候詳細(xì)描述）。蜂鳴器和雙色LED燈用于調(diào)試和指示。另外又引出了幾個(gè)定時(shí)器的引腳，可以留作拓展使用。

PCB設(shè)計(jì)：不詳細(xì)說(shuō)了吧，工程文件在附件里有。注意事項(xiàng)主要有電源去耦（具體做法可以參考我之前關(guān)于電源去耦的博文）、線寬控制（大電流的走線要盡量寬）、開(kāi)關(guān)電源的布局布線（一般來(lái)說(shuō)主要記住三點(diǎn)就好了：一是芯片的SW的信號(hào)是電壓高，頻率高的開(kāi)關(guān)信號(hào)，會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，要盡量遠(yuǎn)離敏感的電路。二是反饋網(wǎng)絡(luò)是很敏感的網(wǎng)絡(luò)，盡量避免受干擾。三是電源的電流較大，注意線寬和過(guò)孔的數(shù)量、孔徑等，保證有能力通過(guò)這么大的電流。注意了這三點(diǎn)，集成的DCDC電路一般沒(méi)有問(wèn)題）等。這里貼一下板子正反兩面的3D效果圖

焊接調(diào)試：也不多說(shuō)了，平時(shí)多練練手，0603 QFP這些封裝的元件就能輕松搞定了。焊接的時(shí)候先焊接電源部分，上電測(cè)試電源沒(méi)有問(wèn)題的話再焊接其他部分，否則一旦電源有問(wèn)題，整板全白焊了。。下面貼一個(gè)焊接調(diào)試好了的實(shí)物圖。

嗯，就先寫(xiě)這么些吧。上面寫(xiě)的比較啰嗦，也沒(méi)有什么高大上的技術(shù)，差不多都是硬件電路設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)知識(shí)吧。只是希望將自己設(shè)計(jì)這塊平衡小車電路板的過(guò)程比較系統(tǒng)和通俗的介紹一下，能將自己這實(shí)踐過(guò)程中學(xué)到的只是和經(jīng)驗(yàn)分享出來(lái)，沒(méi)怎么接觸過(guò)這方面的朋友可以將其當(dāng)作參考，快速入門。同時(shí)希望各位高手和達(dá)人能多多指教。