PID项目

基于 STM32F103C8T6 简易PID学习项目文档（兼有MPU6050）

[HuiSpec](GitHub - HuiSpec/PID)

1. 项目概述

本项目基于 STM32F103C8T6 最小系统板，结合 TB6612 电机驱动模块，实现对电机的 PID 控制。同时，通过 MPU6050 传感器采集六轴数据（加速度和角速度）并在 OLED 显示屏上显示。此外，按键模块移植了开源的 multi_button 库，用于提供丰富且灵活的按键功能，目前可用于设置 PID 参数、切换显示界面、控制电机启停等操作。

2. 硬件组成

2.1 核心控制器

• 型号：STM32F103C8T6 最小系统板
• 功能：作为系统核心，负责 PID 算法运算、电机驱动控制、MPU6050 数据采集、OLED 显示控制以及按键交互等所有逻辑处理。

2.2 传感器模块

• MPU6050：
  • 功能：集成加速度计和陀螺仪，采集系统的加速度和角速度六轴数据，通过 I2C 传输给 STM32，仅用于数据读取与显示，暂未参与 PID 控制反馈。

2.3 电机驱动模块

• TB6612：
  • 功能：接收 STM32 输出的控制信号（如 PWM 等），驱动电机运转，实现对电机转速、方向等的控制，是 PID 控制的执行端。

2.4 电源模块

• LDO 模块（2 个）：
  • 功能：将输入的 12V DC 电源分别转换为 5V 和 3.3V。5V 为 TB6612 等外设供电，3.3V 为 STM32 单片机、OLED 显示屏、MPU6050、五向按键模块等供电。

2.5 显示与交互模块

• OLED 显示屏：
  • 功能：实时显示系统状态信息，包括 PID 控制相关参数（如设定值、实际值、输出值等）以及 MPU6050 采集的六轴数据。
• 五向按键模块：
  • 功能：提供人机交互接口，可用于设置 PID 参数、切换显示界面、控制电机启停等操作。

3. 软件结构（基于提供的项目文件树）

3.1 目录结构说明

• Core：
  • Inc：存放头文件，包含系统各模块功能的声明，如 PID 控制、MPU6050 驱动、OLED 显示、电机驱动等。
  • Src：存放源文件，是各功能模块的具体实现代码，如主程序、中断服务函数等。
• Drivers：
  • CMSIS：包含 ARM Cortex-M 系列内核的通用系统接口文件，为 STM32 芯片的内核操作提供支持。
  • STM32F1xx_HAL_Driver：STM32F1 系列的 HAL（硬件抽象层）驱动库，封装了芯片各类外设（如 GPIO、I2C、TIM 等）的操作接口，方便开发者使用外设。
• User：
  • 包含多个功能子模块目录：
    • BUTTON：五向按键模块的驱动与功能实现代码，用于处理按键输入。
    • ENCODER：（若有编码器相关功能，此处为编码器驱动与处理代码，本项目暂未明确提及编码器，可根据实际情况补充或说明）。
    • GUI：与 OLED 显示相关的图形界面处理代码，用于控制 OLED 显示内容与格式。
    • LED：此处为 LED 驱动与控制代码。
    • MPU6050：MPU6050 传感器的驱动代码，包括 I2C 通信、六轴数据读取与解析等功能。
    • OLED：OLED 显示屏的驱动代码，实现显示初始化、字符与图形显示等功能。
    • PID：PID 控制算法的实现代码，包含 PID 参数设置、误差计算、PID 输出计算等功能，用于电机控制。
• 其他文件：
  • Makefile：用于构建项目的编译脚本，定义了编译规则、目标文件生成等。
  • platformio.ini：PlatformIO 开发环境的配置文件，可配置开发板类型、框架、编译选项等。
  • startup_stm32f103xb.s：STM32 芯片的启动文件，包含系统启动时的初始化代码，如堆栈设置、中断向量表等。
  • STM32F103C8Tx_FLASH.ld：链接脚本，定义了程序在芯片内存（Flash、RAM 等）中的存储布局，如代码段、数据段的起始地址与大小等。
  • STM32F103_PID-BUTTON.ioc：STM32CubeMX 生成的项目配置文件，记录了芯片外设的配置信息（如引脚分配、时钟设置等），可通过 STM32CubeMX 打开并修改配置。

3.2 主要功能流程

1. 系统初始化：包括 STM32 外设初始化（如 GPIO 用于按键、电机驱动；I2C 用于与 MPU6050、OLED 通信；TIM 用于 PWM 输出等）、MPU6050 初始化、OLED 初始化、PID 参数初始化、TB6612 相关初始化等。
2. 数据采集与显示：通过 I2C 接口从 MPU6050 读取六轴数据（加速度和角速度），并将这些数据实时显示在 OLED 显示屏上。
3. PID 控制与电机驱动：根据设定的目标（如电机转速目标值），结合反馈（如实际电机转速反馈，可通过编码器等方式获取，本项目中若未用编码器，可基于控制逻辑的反馈等），计算误差值，代入 PID 算法计算出控制量，通过控制 TB6612 驱动电机运转。
4. 交互处理：检测五向按键输入，根据按键操作调整 PID 参数、切换 OLED 显示内容（如在 MPU6050 数据显示界面和 PID 控制参数界面间切换）、控制电机启停等。

4. 使用说明

4.1 硬件连接

STM32F103_PID-BUTTON.ioc：STM32CubeMX 生成的项目配置文件，记录了芯片外设的配置信息（如引脚分配、时钟设置等），可通过 STM32CubeMX 打开并修改配置。

4.2 软件编译与下载

4.2.1 使用 PlatformIO

1. 确保已安装 PlatformIO 开发环境。
2. 将项目代码克隆到本地。
3. 打开项目目录，在 platformio.ini 中确认开发板等配置正确。
4. 执行编译命令（如在 PlatformIO IDE 中点击编译按钮），生成可执行文件。
5. 通过下载工具（如 ST-Link）将程序下载到 STM32F103C8T6 芯片中。

4.2.2 使用其他工具链

若使用 Keil 等其他开发工具，可根据 Makefile、STM32F103C8Tx_FLASH.ld 等文件中的信息，配置项目工程，添加相应的源文件和头文件，进行编译和下载。