一、项目概述

目标和用途

本项目旨在开发一款基于 STM32 控制的自动平衡机器人，结合步进电机和陀螺仪传感器，实现对平衡机器人的精确控制。该机器人可以用于教育、科研、娱乐等多个领域，帮助用户了解自动控制、机器人运动学等相关知识。

技术栈关键词

• STM32 单片机

• 步进电机

• 陀螺仪传感器

• AD 采集电路

• Qt 人机界面

• 实时数据监控

二、系统架构

系统架构设计

本项目的系统架构设计包括以下主要组件：

1. 控制单元: STM32 单片机

2. 传感器模块: 陀螺仪传感器

3. 驱动模块: 步进电机驱动器

4. 人机交互界面: Qt 桌面应用程序

5. 通信协议: UART 或 I2C

系统架构图

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

1. 硬件环境:

   • STM32 开发板（如 Nucleo 或 Discovery）

   • 步进电机及驱动模块

   • 陀螺仪传感器（如 MPU6050）

   • 面包板及连接线

2. 软件环境:

   • STM32CubeIDE 或 Keil MDK

   • Qt Creator

   • STM32 HAL 库

注意事项

• 确保电源供应稳定，避免电源波动导致的设备损坏。

• 在调试过程中，注意步进电机的工作电流，避免过载。

• 传感器的连接线要正确，防止接反导致数据采集错误。

四、代码实现过程

在本部分中，我们将详细介绍 STM32 自动平衡机器人的各个功能模块的代码实现，包括陀螺仪数据采集、步进电机控制以及 Qt 人机界面控制。每个模块的实现都将包含代码示例、说明和算法的详细介绍，最后将展示系统的时序图。

1. 陀螺仪数据采集模块

功能

该模块的主要功能是通过 I2C 总线读取陀螺仪传感器（如 MPU6050）的数据（角速度和角度），并进行滤波处理以提高数据的准确性。

代码实现

#include "mpu6050.h"
#include "i2c.h"

#define MPU6050_ADDR 0x68 // MPU6050 I2C 地址

void MPU6050_Init() {
    // 1. 初始化 I2C
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, MPU6050_ADDR << 1, 0x6B, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t[]){0}, 1, HAL_MAX_DELAY);
    // 2. 设置陀螺仪为正常工作模式
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, MPU6050_ADDR << 1, 0x1B, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t[]){0}, 1, HAL_MAX_DELAY); // 设置为 ±250°/s
}

void Read_Gyro_Data(float* gyro_x, float* gyro_y, float* gyro_z) {
    uint8_t data[6];
    
    // 读取陀螺仪数据
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR << 1, 0x43, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 6, HAL_MAX_DELAY);
    
    // 数据转换
    int16_t rawGyroX = (data[0] << 8) | data[1];
    int16_t rawGyroY = (data[2] << 8) | data[3];
    int16_t rawGyroZ = (data[4] << 8) | data[5];
    
    // 转换为角速度（°/s）
    *gyro_x = (float)rawGyroX / 131.0;
    *gyro_y = (float)rawGyroY / 131.0;
    *gyro_z = (float)rawGyroZ / 131.0;
}

代码说明

• MPU6050_Init() 函数用于初始化 MPU6050 陀螺仪，包括设置工作模式。

• Read_Gyro_Data() 函数读取陀螺仪的原始角速度数据，将其转换为实际的角速度（单位为 °/s）。

• 读取的数据通过 I2C 总线传输，使用 HAL 库函数 HAL_I2C_Mem_Read() 和 HAL_I2C_Mem_Write() 进行数据的读写。

2. 步进电机控制模块

功能

该模块负责接收来自陀螺仪的数据，计算控制步进电机的速度和方向，从而实现机器人的平衡控制。

代码实现

#include "stepper_motor.h"

#define STEPS_PER_ROTATION 200 // 步进电机每转一圈的步数
#define MAX_SPEED 1000 // 最大速度

static int current_speed = 0;
static int current_direction = 1; // 1: 正转, -1: 反转

void StepperMotor_SetSpeed(int speed) {
    if (speed > MAX_SPEED) speed = MAX_SPEED;
    if (speed < 0) speed = 0;

    current_speed = speed;
    // 根据 speed 设置定时器的频率
    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(&htim1, (SystemCoreClock / (current_speed * STEPS_PER_ROTATION)) - 1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

void StepperMotor_SetDirection(int direction) {
    current_direction = direction;
    // 方向引脚设置
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, current_direction > 0 ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}

void StepperMotor_Run() {
    // 控制步进电机旋转
    while (1) {
        if (current_speed > 0) {
            // 产生脉冲信号控制步进电机
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
            HAL_Delay(1); // 脉冲宽度
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_Delay(1); // 等待下一个脉冲
        }
    }
}

代码说明

• StepperMotor_SetSpeed(int speed) 函数设置步进电机的速度，使用定时器来生成定时脉冲信号来控制电机的转动速度。

• StepperMotor_SetDirection(int direction) 函数设置步进电机的转动方向，通过控制 GPIO 引脚的高低电平来设置电机的方向。

• StepperMotor_Run() 函数根据当前速度持续产生脉冲信号，从而使步进电机旋转。

3. Qt 人机界面控制模块

功能

Qt 人机界面模块用于实时显示被测转子的转速、转向和驱动脉冲频率，并提供控制按钮以启动、停止、加速、减速和改变方向。

代码实现

#include <QMainWindow>
#include <QTimer>
#include <QLabel>
#include <QPushButton>
#include <QVBoxLayout>

class MainWindow : public QMainWindow {
    Q_OBJECT

public:
    MainWindow(QWidget *parent = nullptr);
    ~MainWindow();

private slots:
    void startMotor();
    void stopMotor();
    void updateDisplay();

private:
    QLabel *speedLabel;
    QLabel *directionLabel;
    QPushButton *startButton;
    QPushButton *stopButton;
    QTimer *timer;

    float currentSpeed;
    int currentDirection; // 1: 正转, -1: 反转
};

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent), currentSpeed(0), currentDirection(1) {
    speedLabel = new QLabel("转速: 0");
    directionLabel = new QLabel("方向: 正转");

    startButton = new QPushButton("启动");
    stopButton = new QPushButton("停止");

    QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout();
    layout->addWidget(speedLabel);
    layout->addWidget(directionLabel);
    layout->addWidget(startButton);
    layout->addWidget(stopButton);

    QWidget *centralWidget = new QWidget();
    centralWidget->setLayout(layout);
    setCentralWidget(centralWidget);

    connect(startButton, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::startMotor);
    connect(stopButton, &QPushButton::clicked, this, &MainWindow::stopMotor);

    timer = new QTimer(this);
    connect(timer, &QTimer::timeout, this, &MainWindow::updateDisplay);
    timer->start(100); // 每100毫秒更新一次显示
}

MainWindow::~MainWindow() {
    // 清理
}

void MainWindow::startMotor() {
    currentSpeed = 100; // 启动电机
    currentDirection = 1; // 正转
    // 向 STM32 发送启动和速度指令
}

void MainWindow::startMotor() {
    currentSpeed = 100; // 启动电机
    currentDirection = 1; // 正转
    // 向 STM32 发送启动和速度指令
    // 这里可以调用串口通信函数，发送控制命令
    // 例如: sendCommandToSTM32("START", currentSpeed, currentDirection);
}

void MainWindow::stopMotor() {
    currentSpeed = 0; // 停止电机
    // 向 STM32 发送停止命令
    // 例如: sendCommandToSTM32("STOP");
}

void MainWindow::updateDisplay() {
    // 更新转速和方向标签
    speedLabel->setText(QString("转速: %1").arg(currentSpeed));
    directionLabel->setText(currentDirection == 1 ? "方向: 正转" : "方向: 反转");

    // 这里可以读取 STM32 发送过来的实时数据并更新界面
    // 例如: currentSpeed = readSpeedFromSTM32();
    // 方向可能需要从 STM32 读取或根据计算结果更新
}

代码说明

• startMotor() 函数被点击时调用，设置当前速度和方向，并向 STM32 发送启动指令。

• stopMotor() 函数被点击时调用，停止电机并发送停止指令。

• updateDisplay() 函数定时更新界面上的转速和方向标签。这一部分可以通过读取 STM32 的串口数据实现实时更新。

4. 数据通信模块

功能

本模块实现 STM32 和 Qt 界面之间的数据通信，使用串口（UART）进行双向数据传输。

代码实现

#include "usart.h"

void sendCommandToSTM32(const char* command) {
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)command, strlen(command), HAL_MAX_DELAY);
}

void receiveDataFromSTM32(char* buffer, uint16_t size) {
    HAL_UART_Receive(&huart2, (uint8_t*)buffer, size, HAL_MAX_DELAY);
}

代码说明

• sendCommandToSTM32(const char* command) 函数用于向 STM32 发送指令。

• receiveDataFromSTM32(char* buffer, uint16_t size) 函数用于接收来自 STM32 的数据，存储在指定的缓冲区中。

5. 时序图

以下是系统时序图，展示了用户与 Qt 界面、Qt 界面与 STM32 之间的交互过程。

五、项目总结

主要功能

本项目的主要目标是设计并实现一款基于 STM32 的自动平衡机器人。项目的核心功能包括：

1. 实时数据采集：

   • 使用陀螺仪传感器（如 MPU6050）获取机器人的角速度和角度数据，实现对机器人的实时姿态监测。

   • 通过 I2C 接口与 STM32 进行数据通信，确保数据的准确传输。

2. 步进电机控制：

   • 利用步进电机驱动模块，实现机器人的加速、减速及转向控制。

   • 根据陀螺仪反馈的数据，动态调整电机的速度和方向，以保持机器人的平衡状态。

3. 人机交互界面：

   • 使用 Qt 框架设计用户界面，提供启动、停止、加速和减速等操作按钮。

   • 实时显示机器人的转速、转向和驱动脉冲频率等信息，增强用户体验。

4. 数据通信：

   • 通过 UART 串口实现 STM32 和 Qt 界面之间的双向通信，支持实时数据传输。

   • 确保用户可以通过界面直接控制机器人，并获取其状态信息。