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简介：一套基于STM32微控制器的两轮平衡小车完整代码工程，面向嵌入式初学者与进阶开发者，适合学习PID控制、传感器数据采集、PWM电机驱动等核心知识。资源共857个文件，压缩包约47.51MB，以C源码（.c/.h）、HAL库头文件、编译中间文件（.o/.d）、Keil工程配置（uvprojx/uvoptx）及CubeMX的ioc文件为主，另含txt说明文档与md笔记，可直接打开工程进行编译和二次开发。已有5960人学习下载。工程按功能模块划分，覆盖MPU6050姿态读取、L298N电机驱动、ADC采样、蓝牙通信等环节，并提供多份不同功能的可执行文件与HAL定时器库代码。通过研读源码可理解PID控制器如何根据倾斜角度误差计算PWM占空比，掌握比例、积分、微分项的整定方法，以及陀螺仪加速度计数据融合、串级反馈控制回路的完整实现流程，有助于快速搭建自己的平衡小车并完成参数调试，是一份可直接对照硬件进行学习的实战资料。

1. 平衡小车不是玄学：先从 PID 说起

做 STM32 平衡小车，最劝退的不是焊电路，也不是写底层驱动，而是车立起来之后疯狂抖、往一边飞、或者根本站不住。很多人第一反应是"我代码抄错了"，实际上 90% 的问题出在 PID 参数上。这份代码资源把整个平衡小车的核心逻辑拆成了可复用的模块，从 MPU6050 读取、姿态解算到 PID 输出，每一步都有对应的函数和注释，不是把网上零散的代码拼在一起就完事。

适合谁？刚把单片机外设玩熟、想从"能亮灯"跨到"能闭环控制"的开发者，或者是课程设计选了平衡车、被 deadline 追着跑的学生。它解决的核心问题只有一个：让车站起来，并且站得稳。下面从原理到调参，按我实际调试过的顺序讲。

2. 传感器与姿态解算：MPU6050 的数据到底怎么变成角度

2.1 为什么选 MPU6050 而不是只读加速度计

平衡车需要知道车身倾角，但单独用加速度计有个致命问题——电机振动和车体加速时，加速度计输出的噪声会直接让角度数据跳来跳去。单独用陀螺仪呢？陀螺仪有零漂，积分一段时间角度就飘了。这就是 MPU6050 存在的意义：它同时包含加速度计和陀螺仪，用互补滤波或卡尔曼滤波把两者融合。

代码里用的是互补滤波，核心思路是：加速度计负责长期稳定，陀螺仪负责短期动态。公式长这样：

float angle = 0.98f * (angle + gyro_y * dt) + 0.02f * accel_angle;

这个0.98和0.02就是权重系数，合起来等于 1。陀螺仪积分出来的角度在短时间可信，加速度计计算出的角度在长时间不漂，互补即取两者优点。

参数说明：dt是采样周期（单位秒），在定时器中断里固定，比如 5ms 一次。gyro_y是绕 Y 轴的角速度，单位要换算成度每秒，MPU6050 原始输出需要除以 16.4（量程 ±2000dps 时）。accel_angle用反正切算：atan2(accel_x, accel_z) * 57.3。

2.2 原始数据的处理顺序，顺序错了全白搭

读 MPU6050 不是直接调 I2C 读寄存器就行。代码里的读取顺序是：初始化 I2C → 配置电源管理寄存器（唤醒芯片）→ 设置陀螺仪量程 → 设置加速度计量程 → 设置数字低通滤波器（DLPF）。

DLPF 这个参数很多人忽略，但它直接影响融合效果。我一般把 DLPF 配成 20Hz 或 42Hz，把高频振动噪声滤掉。如果你发现角度数据毛刺特别多，先看 DLPF 配置，别急着改 PID。

// 配置MPU6050，量程：陀螺仪±2000dps，加速度计±16g void MPU6050_Init(void) { I2C_WriteReg(MPU6050_ADDR, PWR_MGMT_1, 0x00); // 解除休眠 I2C_WriteReg(MPU6050_ADDR, GYRO_CONFIG, 0x18); // 陀螺仪量程 ±2000dps I2C_WriteReg(MPU6050_ADDR, ACCEL_CONFIG, 0x18);// 加速度计量程 ±16g I2C_WriteReg(MPU6050_ADDR, DLPF_CONFIG, 0x06); // 低通滤波 5Hz }

逻辑说明：顺序不能乱，特别是 PWR_MGMT_1，芯片上电默认是休眠态，不唤醒的话读出来的数据全是 0xFF。DLPF_CONFIG 的0x06对应截止频率约 5Hz，这个值因人而异，如果你车体重心高、响应慢，可以放宽到 0x03（44Hz）。

常见做法是把这套初始化封装成独立模块，和 PID 模块分开编译。这样后期换传感器型号，只改这一个文件就行。

2.3 角度计算的坑：零偏校准不能省

陀螺仪零漂是出厂就有的，每颗芯片还不一样。代码里做了上电校准：上电后静止 500ms，采集 100 次陀螺仪数据取平均，把这个平均值作为零偏值存起来，后续每次读取都减掉它。

// 上电校准陀螺仪零偏 void Gyro_Calibrate(void) { int32_t sum = 0; for (int i = 0; i < 100; i++) { sum += Read_Gyro_Y(); delay_ms(5); } gyro_offset = sum / 100; }

跳过这一步的后果：车静止时角度积分会慢慢往一个方向飘，PID 会认为车在倾斜，于是电机持续输出，车就会朝一个方向加速冲出去，直到撞墙。你调 PID 调半天发现参数没问题，其实就是零偏没校准。

参数说明：校准时间 500ms 不是固定的，如果你板上电瞬间电源有波动，可以延长到 1s。采集次数越大，零偏值越接近真实，但上电等待时间也越长。

3. 电机驱动与速度环：为什么只调直立环车还是会跑

3.1 从 PWM 到转速：编码器的数据怎么闭环

平衡车只有直立环的话，车能站住，但会往一个方向缓慢加速，直到电机饱和。原因很简单：车身只要有一点点倾角，直立环就会输出一个让车轮加速的力矩，车为了追这个倾角会一直加速。这时候必须加速度环，让车的平均速度归零。

代码里速度环的输出叠加在直立环输出上，结构是串级 PID——内环是直立环，控制角度；外环是速度环，控制位移。

// 速度环 PID，输入是编码器测得的车轮速度 int speed_output = speed_pid(position_error); // 最终输出 = 直立环输出 + 速度环输出 int motor_output = balance_output + speed_output;

逻辑说明：速度环的 P 项让车在倾角为零时保持静止，I 项消除静态误差，D 项一般用不上，因为速度信号本身已经有滤波。这个资源里的速度环就只用了 PI，我在实际调的时候也发现加 D 反而容易引入噪声。

3.2 编码器读取：定时器正交解码模式

STM32 的定时器可以配置成编码器模式，直接硬件解码，不占用 CPU 中断。代码里用的是 TIM2 的编码器模式，四倍频计数。

// 编码器模式配置 TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM2, TIM_ENCODERMODE_TI12, TIM_IC_POLARITY_RISING, TIM_IC_POLARITY_RISING);

参数说明：TIM_ENCODERMODE_TI12表示同时计数 A 相和 B 相的跳变沿，四倍频。如果你用两倍频甚至一倍频，分辨率会降低，低速时速度反馈会顿挫，做速度环会明显感觉不够顺滑。

另一个坑是编码器计数方向。两个电机安装方向不同，编码器计数的正方向可能反了。代码里用了带符号的 short 类型存储计数，如果发现速度环越来越偏，把编码器极性取反就行，不用改硬件。

3.3 电机死区：为什么给 5% 占空比电机不动

有刷电机的启动电压不是 0，PWM 占空比太小的时候电机根本不转，但电机会有嗡鸣声和发热。代码里做了一个死区补偿：当 PID 输出绝对值小于 threshold 时，直接把这个值归零或跳到最小有效占空比。

// 死区补偿 if (motor_output > 0 && motor_output < dead_zone) { motor_output = dead_zone; } else if (motor_output < 0 && motor_output > -dead_zone) { motor_output = -dead_zone; }

死区值不是固定的，取决于你的电机和供电电压。常见做法是把死区设成能稳定转动的最小占空比。这个值可以通过开环测试得到：把车架空，手动给一个逐渐增大的 PWM，记录轮子刚转起来的值。

我做的时候用的驱动芯片是 TB6612，供电 7.4V 锂电池，死区大概在 12 左右（占空比约 5%）。如果你用的是 L298N，这个值会更大，因为 L298N 的压降高，而且不能支持高频 PWM——当然这是另一个坑，后面细说。

4. 串级 PID 的具体实现：直立环和速度环的代码长什么样

4.1 位置式 PD 控制直立环，增量式 PI 控制速度环

代码里直立环用的是位置式 PD，速度环是增量式 PI。为什么这样混搭？直立环需要的是绝对输出——输出和当前角度误差直接对应；速度环用增量式是因为它只关心误差的变化，不会因为累积误差导致输出饱和。

直立环的伪代码逻辑：

// 直立环 PD balance_output = Kp_balance * angle_error + Kd_balance * gyro_y; // 注意：这里直接用了陀螺仪角速度，不是角度的微分

angel_error是目标角度（通常 0 度）和当前角度的差，gyro_y就是角速度，省去了对角度求微分这一步，噪声小得多。这是实际工程里常用的小技巧：能直接测的量就不要去算导数。

速度环的核心就三行：

// 增量式速度环 PI speed_error = target_speed - current_speed; speed_integral += speed_error * dt; speed_output = Kp_speed * speed_error + Ki_speed * speed_integral;

target_speed是遥控或上位机给定的目标速度，默认 0。current_speed由编码器测出。速度环的输出加到直立环输出上，但要注意方向——如果速度环输出方向反了，车会原地振荡然后甩飞。

4.2 两个环的优先级和响应频率

内环（直立环）必须跑得快，我一般放在定时器中断里，频率 200Hz 到 500Hz。外环（速度环）可以慢一点，100Hz 就够。代码里是两个不同的定时器中断，速度环的标志位被直立环中断里检查。

// 定时器中断 ISR，频率 500Hz，每 5 次中断跑一次速度环 void TIMx_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIMx) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIMx); Balance_PID(); // 直立环，每次中断都执行 if (speed_tick >= 5) { Speed_PID(); // 速度环，100Hz speed_tick = 0; } else { speed_tick++; } } }

这个频率分配是有讲究的。直立环响应慢了，车容易产生高频抖动；速度环跑太快，编码器量化噪声会被放大，速度输出会不稳定。这个参数组合我试过很多次，200Hz 直立 + 50Hz 速度也能跑，但动态响应明显不如这个配置。

4.3 电机输出限幅与 PWM 方向处理

PID 算出来的输出不能直接给 PWM 寄存器，必须先限幅，再做方向控制。代码里限幅值一般是 PWM 周期的一半，比如你 PWM 频率 10kHz、ARR 设 720，那输出限幅在 -360 到 360 之间。

// 输出限幅和方向控制 if (motor_output > PWM_LIMIT) motor_output = PWM_LIMIT; if (motor_output < -PWM_LIMIT) motor_output = -PWM_LIMIT; if (motor_output >= 0) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); // 方向正 TIM_SetCompare1(TIM1, motor_output); } else { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); // 方向反 TIM_SetCompare1(TIM1, -motor_output); }

逻辑说明：-motor_output是为了把负数取绝对值给比较寄存器，方向由 GPIO 控制。这里有个容易翻车的细节——限幅必须放在方向判断之前，不然限幅后的正负号丢失，电机方向会混乱。

5. 避坑与常见问题：我调车时翻过的五个车

5.1 现象：车一上电就往前冲，完全不受控

原因分析：陀螺仪零偏没有校准，或者校准的时候车不是在静止状态。有些人把车拿在手里上电，手在抖，校准出来的零偏就是歪的。

解决方案：强制在代码里加一个上电等待 LED 提示，LED 亮了再校准，校准期间车身必须放在地面上。我后来还加了一个 2 秒倒计时，确保不会误触。

5.2 现象：车直立后高频抖动，声音像电锯

原因分析：直立环 Kd 项太大。Kd 的作用是阻尼，给大了会让系统对噪声特别敏感，尤其是陀螺仪角速度没有滤波的时候。

解决方案：先把 Kd 砍到原来的一半，看抖动是否消失，再重新往上加。如果 Kd 已经很小还抖，检查 DLPF 配置，把截止频率调低。

5.3 现象：车能站住，但会缓慢跑偏，最后撞墙

原因分析：速度环的 P 项太小或 I 项不够。直立环保持住了角度，但速度环没能把位移拉回来。

解决方案：先加速度环的 P，观察车是否会有来回走动的趋势，如果有就加 I。注意 I 项的积分要限幅，不然每次开机都有一段积分饱和，车会朝一个方向猛跑。

5.4 现象：PWM 输出正常，但电机不动或只能单方向转

原因分析：PWM 和 GPIO 的初始化顺序错了。先初始化 GPIO，再配置定时器复用功能，最后开启定时器。如果 GPIO 的复用功能没配上，引脚输出不了 PWM。

解决方案：检查 GPIO 配置的 AFIO 映射，特别要注意 STM32 部分定时器的通道需要重映射到别的引脚。另外看看驱动芯片的 IN1/IN2 逻辑——TB6612 在输入全是低电平时是刹车状态，不是停止。

5.5 现象：跑一会儿后车突然失去平衡，复位重启

原因分析：电源跌落。电机急停或大电流瞬间，锂电池电压被拉低，STM32 欠压复位。代码里如果开了看门狗，也会因为主循环卡死而复位。

解决方案：在电源输入端加大电容（我用了两个 470uF 电解电容并联），同时在代码里把看门狗关闭或延长喂狗时间。我最初开着 IWDG 调 PID，车一抖就喂狗超时，后来把看门狗关了才消停。

6. 最后一步：用上位机看波形，把 PID 参数一次调透

盲调 PID 是最低效的，尤其在平衡车上。代码资源里带了一个简单的串口协议，把角度、角速度、直立环输出、速度环输出这些变量通过串口发到上位机，用匿名上位机或者 Vofa 看波形。

我一般调参的流程是这样的：先把速度和直立环的 P、I、D 全部清零，只加直立环的 P，从 100 开始往上加，加到车开始有恢复力矩的感觉。然后加 Kd，让车不抖。直立环稳定后，再加速度环的 P 和 I。整个流程下来，正常半小时能把参数调到一个稳定区间。

Vofa 的配置很简单，串口波特率 115200，数据格式用 float。代码里加一行就搞定：

printf("angle:%f\r\n", angle);

要注意的是，STM32 用 printf 重定向到串口，需要把_write或fputc重定向一下。很多人卡在这里，信号死活出不来，其实就是没重定向。常见做法是:

// 重定向 printf 到串口 int fputc(int ch, FILE *f) { USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); return ch; }

参数说明：USART_FLAG_TXE表示发送数据寄存器空，这个等待保证每个字符发完才发下一个。如果上位机显示的数据全是 0，先检查波特率是否匹配，再检查fputc是否被 main 函数里的stdio.h正确链接。

验证 PID 参数是否调好的标准动作是：手扶着车，让它微微前倾然后松手。如果车能在一个来回内恢复平衡，参数就是合格的。如果来回两次以上才稳，说明阻尼不够，加 Kd。如果车在前倾瞬间猛加速，说明 P 大了。

那次调完，我总结了一个习惯：每次上电必须先看陀螺仪零偏值，小于 0.5 才继续调参，不然全部白调。从那以后我每次调平衡车都强制走一遍这个流程：校准 → 看波形 → 调直立环 → 调速度环 → 下地实测。希望帮到你。

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