一款基于STM32及MPU6050的簡易智能防抖勺設(shè)計

王杰 楊舒寒 廖秋蘭

摘要：本文闡述了一款針對帕金森患者的基于STM32及MPU6050傳感器的簡易智能防抖勺設(shè)計。當(dāng)勺子發(fā)生震顫時，利用改進(jìn)的PID算法，湯勺內(nèi)部的伺服控制系統(tǒng)會控電機反向轉(zhuǎn)動，從而減小湯勺的震顫幅度?；颊哂貌徒Y(jié)束后，系統(tǒng)通過Wi-Fi將采集的震顫數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C用于監(jiān)測治療效果，提供更多數(shù)據(jù)參考，更有效的幫助患者治療。

關(guān)鍵詞：STM32；MPU6050；PID；防抖勺

引言

據(jù)統(tǒng)計，我國患有震顫病癥的人數(shù)為2000萬—4000萬，其中90%為特發(fā)性或神經(jīng)性、老年性震顫。其中最有名的帕金森病患者，全球有超過450萬、我國就有220多萬帕金森患者。他們由于各種各樣的原因（如帕金森、甲亢、肝豆?fàn)詈俗冃浴⒕凭蕾?、癔癥等疾?。┊a(chǎn)生了手抖的癥狀，醫(yī)學(xué)上把他們稱為“手部震顫群體”。此類震顫病因復(fù)雜，目前還沒有有效的根治手段，也沒有特定藥物來改善。手部震顫使得基本的身體機能喪失，生活質(zhì)量急劇下降，患者連簡單的正常用餐都成為了奢望。對于常年因“手抖”難以自如吃飯的患者來說，研發(fā)一款簡易便捷的用餐工具具有重大意義。

本文提出了一款基于cortex-M3及mpu6050的簡易智能防抖勺設(shè)計，首先利用傳感器MPU6050內(nèi)部集成的三軸加速度、陀螺儀組件和STM32處理器結(jié)合來實現(xiàn)震顫數(shù)據(jù)采集，再運用改進(jìn)的PID算法對采集到的信息做出反饋從而減小震顫幅度。與此同時，利用Wi-Fi技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C上存儲。

一、系統(tǒng)組成

系統(tǒng)功能模塊包括：MPU6050整合性軸運動處理組件，ARM微處理器，微型步進(jìn)電機，WIFI模塊，DC電源模塊。

硬件總框架如圖1-1所示。

本設(shè)計采用STM32F103ZET6芯片，考慮到外圍芯片的兼容性和方便性，選擇5V作為整個最小系統(tǒng)板的輸入，由于ARM的供電都是3.3V作為標(biāo)準(zhǔn)供電電壓，以整個最小系統(tǒng)板5V的電源總輸入，進(jìn)入最小系統(tǒng)板后利用LM117芯片進(jìn)行穩(wěn)壓成3.3V的電壓，然后供電給ARM，后面再加一個LED3最為電源指示燈，用來提示電源是否正常連接

MPU6050是整合了加速度和陀螺儀的傳感器，它和STM32單片機之間的通信采用400KHZ的IIC接口，其供電電壓范圍為5V。將STM32的引腳（SDA）和PB7（SCL）分別和MPU6050的24號引腳（SDA）和23號引腳（SCL）相連接，可實現(xiàn)傳感器和微處理器通信。

二、算法設(shè)計

本設(shè)計采用PID算法來控制電機轉(zhuǎn)動的速度及角度。將勺子處于水平位置時的狀態(tài)設(shè)為初值，當(dāng)勺子發(fā)生抖動時，單片機從MPU6050傳感器采集數(shù)據(jù)并與初值進(jìn)行比較，使得勺子的運動狀態(tài)逐漸趨于平穩(wěn)。PID算法控制器由勺子轉(zhuǎn)動角度P、角度誤差積分I和角度微分D組成。

勺子轉(zhuǎn)動角度比例P：對電機角速度進(jìn)行比例調(diào)整，即對勺子的抖動幅度進(jìn)行調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快。

角度誤差積分I：由于勺子的抖動幅度不會過大，為了消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，對積分調(diào)節(jié)的需要就極小。

角度微分D：微分的作用是反映電機的角速度，及勺子角度的變化率。它具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢而產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前就已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，在微分時間確定的情況下，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能可以大大減少系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間。

三、數(shù)據(jù)處理

MPU6050芯片提供的數(shù)據(jù)夾雜有較嚴(yán)重的噪音，在芯片處理靜止?fàn)顟B(tài)時數(shù)據(jù)擺動都可能超過2%。除了噪音，各項數(shù)據(jù)還會有偏移的現(xiàn)象，因此要先對數(shù)據(jù)偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，再通過濾波算法消除噪音。

由圖得出這個讀數(shù)的偏移量為+0.04852。在獲取偏移量后，每次的讀數(shù)都加上偏移量就可以得到校準(zhǔn)后的讀數(shù)。最后運用卡爾曼濾波器對其進(jìn)行去噪處理便可得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

震顫數(shù)據(jù)采集圖如圖3-2所示。

四、結(jié)論

本文介紹了一款基于STM32及MPU6050的簡易智能防抖勺設(shè)計。MPU6050傳感器能獲取人體運動時的狀態(tài)，且具有安裝簡便、體積小等特點，能滿足人體運動識別的實時性、客觀性、準(zhǔn)確性及可靠性的要求。經(jīng)過測試，該設(shè)計能夠起到減少抖動效果以及采集抖動數(shù)據(jù)的功能，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有一定創(chuàng)新性和實用性。

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2017年成都理工大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號201710616017