源码地址：https://github.com/uiuiiii1/balance-car

基于 STM32F103C8T6 的自平衡小车（双轮）固件源码，提供三个版本：STM32 标准外设库裸机版、CubeMX + HAL 库裸机版、HAL + FreeRTOS 多任务版。三者硬件平台与算法骨架一致，区别在于 MCU 软件库与运行架构，便于对比学习。

致谢：本项目主要参考了江科大的 STM32 入门教程。标准库版本主要参考该教程的寄存器写法与外设驱动；HAL 库版与 FreeRTOS 版虽然实现方式不完全相同，但整体设计思路与算法同样参考了该教程。感谢江科大的开源教学。

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一、项目概述

自平衡小车是嵌入式入门的经典项目：双轮结构没有支撑脚，必须依靠传感器实时反馈 + 控制算法不断调整电机 PWM，才能让车身保持竖直平衡。本项目用 STM32F103C8T6 实现，硬件与算法固定，提供三个不同软件架构的版本，目的是让你看清同一个项目在不同软件范式下的取舍。

| 版本 | 目录 | 库 | 架构 | 定位 |

|—|—|—|—|—|

| 标准库版 | standard-lib/ | STM32 标准外设库 | 裸机单循环 | 入门，理解底层寄存器 |

| HAL 库版 | hal-lib/ | STM32 HAL 库（CubeMX 生成） | 裸机单循环 | 工程主流，跨型号移植友好 |

| FreeRTOS 版 | freertos-hal/ | HAL 库 + FreeRTOS | 多任务 | 工程化、模块化、学习实时操作系统 |

源码地址：https://github.com/uiuiiii1/balance-car

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二、硬件平台

• 主控：STM32F103C8T6（72MHz，20KB RAM，64KB Flash）

• 姿态传感器：MPU6050（I2C 接口，加速度 + 陀螺仪，互补滤波融合）

• 驱动：STM32 内置定时器 PWM 驱动直流电机，支持正反转

• 测速：电机编码器 + 定时器输入捕获

• 人机交互：OLED 显示屏、按键、USART 串口（可蓝牙透传，支持在线调参）

三版本共用同一份原理图（仓库根目录 schematic.pdf）。

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三、控制算法：级联 PID

小车平衡的核心是级联 PID 控制环：

1. 角度环（内环）：以 MPU6050 的角度（加速度 + 陀螺仪互补滤波）为反馈，输出期望速度，保证姿态稳定。

2. 速度环（中环）：以编码器速度为反馈，输出左右轮差速，保证小车不前倒后倒。

3. 转向环（外环）：左右轮速差控制转向。

三个环嵌套工作：角度环决定"应该往哪边动"，速度环决定"动多快"，转向环决定"往哪边偏"。

PID 核心实现

三个版本共用同一套 PID 结构，下面是标准库版的 PID.c（其他版本基本一致）：

void PID_Update(PID_t *p)

{

p->Error1 = p->Error0;

p->Error0 = p->Target - p->Actual;



// 积分项（带限幅，防止积分饱和）

if (p->Ki != 0)

{

p->ErrorInt += p->Error0;

if(p->ErrorInt > p->ErrorIntMax) p->ErrorInt = p->ErrorIntMax;

if(p->ErrorInt < p->ErrorIntMin) p->ErrorInt = p->ErrorIntMin;

}

else

{

p->ErrorInt = 0;

}



// P + I + D 计算

// 微分项用"输出微分"形式（用 Actual 差分，而非 Error 差分）

// 这样可以避免目标值突变时微分项剧烈跳变

p->Out = p->Kp * p->Error0

+ p->Ki * p->ErrorInt

- p->Kd * (p->Actual - p->Actual1);



// 死区偏置：输出为正时加偏置，为负时减偏置

// 用于抵消电机启停死区，提升低速响应

if(p->Out > 0) p->Out += p->OutOffset;

if(p->Out < 0) p->Out -= p->OutOffset;



// 输出限幅

if (p->Out > p->OutMax) p->Out = p->OutMax;

if (p->Out < p->OutMin) p->Out = p->OutMin;



p->Actual1 = p->Actual;

}

几个值得注意的设计点：

• 微分用"输出微分"（Actual 差分而非 Error 差分）：当目标值（Target）突变时，如果用 Error 微分，微分项会瞬间跳变，导致输出抖动。改用 Actual 微分可以规避这个问题，对平衡车这种目标值相对稳定的场景特别合适。

• 积分限幅（ErrorIntMax/Min）：防止误差长时间累积导致积分饱和，小车重新稳定后不会因为"历史欠账"而冲过头。

• 死区偏置（OutOffset）：直流电机在低速时有死区（PWM 太小带不动），通过给非零输出加偏置来抵消，提升低速响应。

三个 PID 的初始参数

标准库版 main.c 中定义了三个 PID 的初始参数：

PID_t AnglePID = { .Kp=5, .Ki=0.1, .Kd=4, .OutMax=100, .OutMin=-100, ... };

PID_t SpeedPID = { .Kp=1.0, .Ki=0.05, .Kd=0, .OutMax=20, .OutMin=-20, ... };

PID_t TurnPID = { .Kp=5, .Ki=5, .Kd=0, .OutMax=50, .OutMin=-50, ... };

参数需要按硬件调试，不能照搬。蓝牙串口调参的协议见 Serial.c。

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四、标准库版：裸机单循环

标准库版用 STM32 标准外设库，寄存器操作直观，适合理解底层。主循环把所有功能塞进一个 while(1)：

int main()

{

OLED_Init();

MPU6050_Init();

Serial_Init();

Moter_Init();

LED_Init();

Key_Init();

Encoder_Init();

Encoder_Init2();

Moter_Init();

Timer_Init();



while(1)

{

if(RunFlag) LED_ON(); else LED_OFF();



// 按键启停

if(Key_Check(KEY_SINGLE))

{

if(RunFlag == 0)

{

PID_Init(&AnglePID);

PID_Init(&SpeedPID);

PID_Init(&TurnPID);

RunFlag = 1;

}

else

{

RunFlag = 0;

}

}



// OLED 显示角度、速度、转向三环的状态

OLED_Clear();

OLED_Printf(0, 0, OLED_6X8, " Angle", AX);

OLED_Printf(0, 8, OLED_6X8, "P:%05.2f", AnglePID.Kp);

// ... 更多显示代码 ...

OLED_Update();



// 串口调参

if (Serial_RxFlag == 1)

{

// 解析蓝牙传来的 PID 参数

Serial_RxFlag = 0;

}

}

}

特点：

• 代码结构直观，初学者容易理解每个外设的初始化与调用顺序

• 所有逻辑在同一个循环里串行执行，谁慢谁拖累全局（OLED 刷屏、蓝牙解析、控制逻辑互不影响彼此）

• 控制循环周期由定时器中断触发（Timer_Init 配置），PWM 输出准点更新

• 单文件 main.c 直观，但功能越多 while(1) 越臃肿

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五、HAL 库版：CubeMX 生成 + 工程化写法

HAL 库版用 STM32CubeMX 生成初始化代码，外设寄存器封装在 HAL 驱动里，跨型号移植更友好。工程结构由 CubeMX 生成：

hal-lib/

├── Core/ # CubeMX 生成的核心文件

│ ├── Inc/ # 头文件（main.h、stm32f1xx_hal_conf.h）

│ └── Src/ # 源文件（main.c、stm32f1xx_it.c、usart.c、gpio.c）

├── Drivers/ # 外设驱动

│ ├── CMSIS/ # ARM 内核与设备头文件

│ ├── STM32F1xx_HAL_Driver/ # STM32 HAL 驱动库

│ ├── Hardware/ # 电机、编码器、MPU6050、PWM、I2C、按键、LED

│ ├── OLED/ # OLED 驱动

│ ├── SERIAL/ # 串口驱动

│ └── User/ # PID 等用户模块

└── MDK-ARM/ # Keil MDK 工程文件

与标准库版的对比：

• CubeMX 图形化配置外设，生成的初始化代码不用手写，省心且不易出错

• HAL 驱动封装了寄存器细节，写 HAL_GPIO_WritePin 而不是直接操作 GPIOB->ODR

• 跨 STM32 型号移植时，只需换型号重新生成，业务代码不用大改

• 代价是代码层级更深，调试时要穿透 HAL 封装才能看到寄存器状态

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六、FreeRTOS 版：多任务架构

FreeRTOS 版在 HAL 基础上引入实时操作系统，把功能拆成独立任务，控制环置于最高优先级。

任务划分

| 任务 | 职责 | 优先级 | 调度 |

|—|—|—|—|

| control_task | 控制环（角度/速度/转向 PID 计算、PWM 输出） | 最高（4） | 10ms 周期 |

| comm_task | 串口通信（蓝牙调参协议解析） | 中 | 信号量唤醒 |

| display_task | OLED 显示刷新 | 中低 | 延时阻塞 |

| key_task | 按键扫描与处理 | 中低 | 延时阻塞 |

关键配置（FreeRTOSConfig.h）

#define configCPU_CLOCK_HZ 72000000

#define configTICK_RATE_HZ 1000 // 系统 tick 1kHz

#define configMAX_PRIORITIES 5

#define configMINIMAL_STACK_SIZE 128 // 最小任务栈 128 字

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY \

( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << ( 8 - configPRIO_BITS ) )

FreeRTOS 版 main.c 中关于控制环的说明

// TIM4 仅作为 HAL 时基（控制逻辑已迁移至 control_task 任务）

HAL_IncTick();

控制逻辑从"定时器中断"迁到了"独立任务"，这是裸机版和 FreeRTOS 版最大的架构差异。

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七、FreeRTOS 版的优缺点（实战总结）

这部分是本项目实际验证过的经验，详细对比见仓库 docs/平衡车FreeRTOS优缺点总结.docx。

优点

1. 模块解耦，各功能互不阻塞：OLED 显示、蓝牙解析、按键扫描各自独立，OLED 刷屏不再拖累控制环。实测蓝牙实时调 PID 与 OLED 显示、按键启停能同时正常工作。

2. 实时性有明确保障：控制环置于最高优先级（10ms 周期），不会被显示/通信任务打断。

3. 通信机制规范：串口收帧用信号量唤醒 comm_task（无数据时任务睡眠，不空转占 CPU）；PID 参数用互斥锁保护（蓝牙写与控制环读不冲突）。

4. 可扩展性强：以后加传感器（超声波）、加任务（避障）、加模式，只需新增任务，不动其他逻辑。

缺点

1. 学习成本和调试难度陡增：踩过 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 需左移 4 位、SVC/PendSV/SysTick 宏重命名、TIM4 兼任 HAL 时基、静态/动态内存选择等坑。写错就是 configASSERT 卡死。

2. 任务切换有开销和抖动：控制环从"定时器中断"（准点触发）搬到"任务"后，存在微秒级调度延迟和周期抖动。搬完后需要微调 PID（采样时刻变了），裸机版调好的参数不能直接搬。

3. RAM 占用增加：每个任务需要独立的栈 + TCB（静态任务栈 128~256 字 × 多个），加上内核对象。裸机版一个 main 栈搞定，FreeRTOS 版 ZI-data 从几千涨到 1.7 万+。F103C8 只有 20KB RAM，任务开多会吃紧（为此删掉了软件定时器来省内存）。

4. 中断使用受限：优先级低于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 的中断不能调用 RTOS API。为此把 USART2 优先级从 0 改到 5。中断里只能调用 FromISR 后缀的函数。

5. 代码量/复杂度增加：AppTasks.c + FreeRTOSConfig.h + 各种钩子函数，远比裸机复杂。

对比一览

| 对比项 | 裸机版 | FreeRTOS 版 |

|—|—|—|

| 控制实时性 | 更优（中断准点触发） | 够用但略逊（任务调度有抖动） |

| 代码可读性 | 简单直观 | 复杂，需理解 RTOS 概念 |

| 模块扩展 | 加功能会臃肿 | 加任务即扩展，清晰 |

| 多任务并行 | 单循环互阻塞 | 各自独立并行 |

| 通信机制 | 全局变量 + 标志位 | 信号量 / 互斥锁 / 队列 |

| RAM 占用 | 小 | 大（栈 + TCB + 内核对象） |

| 调试难度 | 低 | 高（配置陷阱多） |

结论

对"单纯让小车更稳"，裸机版更强；对"工程化、多模块、可扩展、学习 RTOS"，FreeRTOS 是正确选择。本项目保留两个版本互相备份：裸机版是性能最优参考，FreeRTOS 版是工程化/学习版。若未来追求最高控制实时性，可在 FreeRTOS 版中将核心控制环保留在定时器中断中，其余外围逻辑放任务，兼顾实时性与模块化。

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八、获取源码与编译

源码地址：https://github.com/uiuiiii1/balance-car

三个版本均包含 Keil MDK-ARM 工程文件（.uvprojx），用 Keil uVision5 打开对应项目即可编译下载：

1. 安装 Keil uVision5（含 STM32F1 支持包）

2. 打开对应版本的 .uvprojx 工程文件（这个没改千万别用）

3. 编译（F7 → Rebuild），下载（F8）到 STM32F103C8T6 最小系统板

4. 按原理图 schematic.pdf 接好电机、MPU6050、OLED、串口等外设

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九、参考

• 江科大自化协 / 江科大众志 — STM32 系列教程（本项目主要参考）

• STM32F103C8T6 官方参考手册与数据手册

• FreeRTOS 官方文档（嵌入式实时操作系统）

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本仓库源码用于学习与交流。原理图与代码的原始著作权归原作者所有，参考的江科大教程版权归原作者所有。