一、系统整体方案设计
STM32两轮自平衡小车系统核心是通过实时姿态检测与电机控制，实现动态平衡。系统采用“感知-决策-执行”三层架构：感知层负责采集小车姿态与运动信息，决策层基于STM32单片机进行数据处理与平衡算法运算，执行层通过电机驱动模块控制车轮转速与方向。
姿态检测选用MPU6050传感器，它集成三轴加速度计与三轴陀螺仪，能同时获取小车倾斜角度与角速度，解决单一传感器测量精度不足的问题。电机驱动采用TB6612FNG芯片，支持正反转与转速调节，适配直流减速电机，满足小车启停、转向与速度控制需求。电源模块选用11.1V锂电池，经DC-DC稳压模块输出3.3V与5V，分别为STM32单片机和传感器、驱动芯片供电，保障系统稳定运行。整体方案以STM32F103C8T6为控制核心，该芯片具备丰富IO口、定时器与串口资源，能高效处理传感器数据与控制指令，为系统平衡控制提供硬件基础。
二、硬件电路设计
硬件电路设计围绕STM32核心模块展开，分为最小系统、姿态检测、电机驱动与电源四个子电路。STM32最小系统包含复位电路、时钟电路与下载电路：复位电路采用按键复位设计，确保系统异常时可手动重启；时钟电路选用8MHz外部晶振，经内部倍频后提供72MHz主频，满足数据处理实时性需求；下载电路采用SWD模式，简化接线的同时提高调试效率。
姿态检测电路中，MPU6050通过I2C总线与STM32连接，电路需在传感器电源端并联0.1μF电容滤波，减少电源噪声对测量数据的干扰，同时将INT中断引脚接至STM32外部中断口，实现传感器数据就绪时的中断触发，提升数据采集效率。电机驱动电路中，TB6612FNG的PWM引脚接STM32定时器PWM输出口，通过调节PWM占空比控制电机转速；方向控制引脚接STM32普通IO口，通过高低电平组合控制电机正反转。此外，电路中需在电机电源端并联续流二极管与电解电容，防止电机启停时产生的反向电动势损坏驱动芯片。
三、软件程序设计
软件程序基于Keil MDK开发环境，采用C语言编写，主要包含主程序、传感器数据采集与处理程序、平衡控制算法程序、电机驱动程序四大模块。主程序采用模块化设计，初始化各外设后进入无限循环，依次调用传感器数据采集函数、数据处理函数、平衡控制函数与电机驱动函数，实现系统的实时控制。
传感器数据采集程序通过I2C协议读取MPU6050的加速度与陀螺仪原始数据，由于原始数据存在零漂与噪声，需采用卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到稳定的小车倾斜角度与角速度。平衡控制算法是系统核心，采用PID控制算法，以小车倾斜角度为偏差量，计算出所需的电机控制量：当小车前倾时，控制电机正转产生向前的推力，使小车回到平衡位置；当小车后倾时，控制电机反转产生向后的拉力，实现平衡调节。同时，引入角速度作为微分环节，抑制系统超调，提升动态响应速度。电机驱动程序根据PID算法输出的控制量，调节STM32定时器的PWM占空比与IO口电平，控制电机的转速与方向，实现小车的平衡运行。
四、系统调试与性能测试
系统调试分为硬件调试与软件调试两部分，硬件调试首先采用万用表检测各模块电源电压，确保3.3V与5V供电稳定，无短路或过压现象；接着使用示波器测量STM32定时器输出的PWM波形，检查波形频率与占空比是否符合设计要求，同时观察电机驱动芯片的使能引脚电平，确保电机能正常启停。软件调试采用串口调试助手，通过STM32的USART接口输出传感器原始数据、滤波后的数据与PID控制参数，实时监测程序运行状态，逐步优化卡尔曼滤波参数与PID参数，减少数据噪声与系统震荡。
性能测试在平整的室内地面进行，测试内容包括平衡稳定性、动态响应与续航能力：平衡稳定性测试中，小车在无外力干扰情况下，能保持静止平衡状态超过5分钟，倾斜角度波动范围控制在±1°以内；动态响应测试中，用手轻轻推动小车，小车能在0.5秒内回到平衡位置，无明显超调；续航能力测试中，采用11.1V/2200mAh锂电池供电，小车以中等速度持续运行时间超过1.5小时。测试结果表明，系统满足两轮自平衡小车的设计要求，具备良好的稳定性与实用性。
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