在校期間，為了參加電子比賽，我曾使用飛思卡爾K60、意法半導體STM32、宏晶STC12作為控制晶片，製作了多輛兩輪自平衡小車。
後來，好多同學和網友都表示想製作一輛自己的兩輪自平衡小車，並且向我請教製作方法。我發現他們中有一部分是8051內核單片機的初學者，苦於ARM內核的晶片上手難度大，又沒有通俗易懂的指導資料，再加上單獨製作成本高，製作計劃容易中途而廢。
我開始思索著能否為小夥伴們做些什麼，萌生了使用簡單的8051內核單片機製作為初學者而生的兩輪自平衡小車的念頭，於是製作出了MWbalancedSTC15的雛形。
幾經迭代，MWbalancedSTC15兩輪自平衡小車已經推進到第二版，基本功能已經完善。後續我將為大家介紹我設計兩輪自平衡小車的教程和一些思路。
今天主要介紹兩輪自平衡小車的硬體原理。
MWbalancedSTC15是什麼？
MWbalancedSTC15是一款為初學而生的可二次開發的開源兩輪自平衡小車。
代號MWbalancedSTC15的命名遵循「MW+xxx」的方式，MW為大寫，是Miaow的縮寫，balanced為小寫，意為「平衡的」，STC15為系統所用的控制晶片型號。
兩輪自平衡小車硬體組成：
* 控制晶片：IAP15W4K61S4【STC增強型51單片機，跟STC89C51一樣簡單易用】
* 姿態傳感器：MPU6050 【內置三軸加速度傳感器+三軸陀螺儀】
* 無線通信協議：藍牙SPP-C 【可用於手機藍牙遙控】
* 有線通信協議：CP2102
* 電機驅動：TB6612FNG
* 外部接口：Mirco-USB接口
* 電機：直流減速電機
* 車輪：65mm
* 電池：2000mAh大電流鋰電池
板載預留接口，增加開發性和娛樂性：
MWbalanced原理圖設計簡介
單片機最小系統
單片機選擇宏晶公司IAP15W4K61S4，它體積小（LQFP48），工作電壓寬（2.5V-5.5V），具有豐富的外設模塊，適合製作兩輪自平衡小車。
我們選擇IAP15W4K61S4作為主控晶片是有一些原因的：
一是IAP15W4K61S4是51單片機中的戰鬥機，性能滿足系統需求。
IAP15W4K61S4是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的增強型8051單片機，4K字節SRAM，5個16位定時器，6路15位高精度PWM，主頻能達到33.1776M。IAP15W4K61S4採用STC-Y5超高速CPU內核，在相同時鐘頻率下，速度比傳統8051快7～12倍，速度也比STC早期的1T系列單片機(如STC12/11/10系列)的速度快20%。
二是IAP15W4K61S4始終還是51單片機，簡單易學，降低學習門檻。
眾多學校開設單片機課程都是以51單片機作為講解對象，為此，大部分同學都是以「用8051單片機點亮個LED燈」的方式踏上了學習單片機這條路的。IAP15W4K61S4是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的增強型8051單片機，但萬變不離其宗，IAP15W4K61S4始終還只是8051單片機，容易入門的特點仍在。
我們選用STC的IAP系列單片機，而不用STC系列單片機，還有個原因是考慮到後續需要改寫Bootloader，實現無線更新固件的功能等。
STC的IAP系列單片機，和STC系列單片機的不同之處在於，整顆MCU的Flash空間，用戶可在自己的程序中進行改寫，開發用戶自己的ISP程序。例如改寫用戶bootloader，實現無線升級固件等功能。
它的主要外設包括：
1. PWM ：6路15位硬體PWM+2路CCP的16位；
2. UART：4組；
3. ADC：8路10位高速ADC；
3. 定時器：共7個定時器，5個16位可重裝載定時器/計數器,2路CCP還可再實現2個定時器；
5. IO口：最多提供62個GPIO；
6. 內部存儲器資源包括： 61k程序Flash，4kSRAM。
此外，IAP15W4K61S4內部還集成了時鐘電路、內部高可靠復位電路以及看門狗電路等。下圖顯示該單片機的內部資源情況。
由於該單片機內已經包含了時鐘和復位電路，所以單片機的最小系統電路非常簡潔。
系統電源
系統採用的動力源是定製的大電流鋰電池，電池組充滿電壓達8.4V。而系統的部分晶片需要5V供電，部分晶片需要3.3V供電，所以需要電源轉換電路。MWbalanced採用的是晶片LM2940-5.0和ASM1117-3.3。
姿態傳感器
MWbalanced採用的是當下很火的的MPU6050陀螺儀加速度計一體晶片，成本不超過15元，對兩輪自平衡小車來說，它的精度和性能綽綽有餘了，MPU6050在這個價位裡面幾乎是佔有絕對的性價比優勢。首先，它將陀螺儀和加速計封裝在一起，通過IIC總線給出六個維度的ADC值；其次，晶片本身提供一個IIC從接口，供用戶接第三方的IIC器件，一般選擇是接一個電子羅盤，如HMC5883L，構成一個9軸的輸出的姿態模組。現在MPU9150已經喪心病狂的把電子羅盤功能也整合在片上了，但是要買60+元。最後，這顆晶片內部集成了一個DMP（Digital Motion Processor）處理器，能直接硬體解算四元數。這讓姿態解算不再是難事，跳過這個障礙後，就連路人都能做兩輪自平衡小車了。
電機驅動電路
由於小車需要兩組電機，因此也需要兩組H橋驅動電路。我們選用電機驅動晶片 TB6612FNG組成了電機驅動電路。一塊TB6612FNG驅動晶片內置了兩組H橋電路。
每一路電機為了能夠實現控制速度和正反轉，都分別需要一路PWM信號和兩路GPIO控制喔。
USB-Serial協議轉換
因為考慮到不是每位小夥伴手上都有USB-TTL下載模塊的，而且市面上的USB-TTL模塊質量參差不齊，質量差的還會導致電腦藍屏。於是，MWbalancdSTC15板載USB-TTL下載電路，通過一根安卓手機標配的Micro-USB線，就可以輕易簡單地進行固件更新和調試參數。如此簡單的操作步驟，想來隨便從大街拉個路人過來應該都可以完成。
藍牙透傳模塊
為了讓小車能跟上智能機泛濫的步伐，同時也是為了增加它的適應性和降低成本的考慮，我們在原來的基礎上增加了藍牙透傳SPP-C模塊，硬體焊盤上兼容藍牙2.1技術。
藍牙協議是很複雜的，要想去接觸並試圖一步一步的寫出來，在我現有的時間下，幾乎不太可能了。而將藍牙透明傳輸成串口，這就很好的將小車與安卓設備對接了，可以直接在安卓設備上面開發遙控app或者上位機。這想想也有點小激動呢，於是，我們真的這麼幹了，也成功了。
今天的硬體原理部分就到此，敬請期待下一講。
順便插個廣告：MWbalancedSTC15兩輪自平衡小車當前正在電子發燒友網眾籌，感謝大家的支持轉發，讓我們一起把51單片機也能玩high！
長按二維碼識別直達眾籌頁面