基于Android的WIFI遥控电动滑板车的硬件系统设计

本设计核心主要采用STM32和WIFI作为主控模块，下位机采用STM32F103C8T6 MCU为主控芯片，由主控模块、电调模块、WIFI模块和夜灯驱动模块等模块组成，上位机软件开发通过Android系统和C#语言，系统实现了对大功率相无刷电机智能调速。

【关键词】STM32 WIFI模块 EMP C5065无刷电机 IFR-38120抗冻磷酸铁锂电芯 24VLED灯带 Solidwork画图

本文主要介绍一款自主研发的电动滑板的硬件系统，采用低噪音、寿命长、性能高的三相无刷电机作为滑板的动力，并且搭配油门响应快的无刷电子调速器（简称电调），使滑板的载重能力和快速响应命令有前提保障。滑板上由6个IFR-38120抗冻磷酸铁锂电芯构成的10AH电池为滑板提供有效且强有力的电源，使其续航能力比其他电动滑板更有优势。基于Cortex-M3处理器内核的STM32为滑板上的控制电路保驾护航。安卓上位机的开发使得滑板的控制更加方便和智能。C#上位机的开发使得滑板的调试更加简单便捷。

1 系统方案

1.1 下位机总体方案设计

下位机采用STM32F103C8T6 MCU为主控芯片，由主控模块、电调模块、WIFI模块和夜灯驱动模块等模块组成。下位机系统框图如图1所示。

1.2 设计方案论证

1.2.1 主控芯片的选取

本设计选用STM32F13C8T6作为核心控制芯片。它是高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32F103xxxx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包含-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+105°C的扩展温度范围。一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

1.2.2 电机的选取

采用大功率三相无刷电机作为动力源，无刷电机具有无电刷、低干扰、噪音低、维护成本低等优点，本设计选用EMP C5065 270KV无刷电机，该电机空载转速在3055～3445rmp/s之间，负载功率可达948W。

1.2.3 无线通信模块的选取

由于WIFI的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此WIFI无线设备提供了一个应用于全世界，费用低廉而且数据带宽非常高的无线空中接口。相比较之前应用在手机上的蓝牙技术，WIFI具有更大的覆盖范围和更高的传输速率。因此本设计采用WIFI作为无线通信模块。WIFI模块采用的是海陵科电子新推出的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口-以太网-WIFI）模块，通过HLK-RM04 模块，STM32可以和手机、电脑通过Internet网络互相传输自己的数据。当然这就要将WIFI模块配置成WIFI AP模式，既WIFI热点模式。

1.3 上位机总体方案设计

1.3.1 Android上位机

Android是一个专门为移动设备设计的操作系统平台，凭借其良好的稳定性、可移植性和开放性，迅速占领了大部分的移动电子设备市场。随着嵌入式硬件技术的发展，以及对操作系统的功能需求与日俱增，Android操作系统在嵌入式领域中有着越来越广阔的前景。故本设计采用Android来开发上位机。

1.3.2 C#上位机

本设计考虑到方便下位机的调试，采用了C#开发了电脑端的上位机，以实现对电动滑板开发一些智能算法提供便利。

2 实现原理

2.1 三相无刷电机的控制

三相无刷电机采用专用的无刷电调，电调的输入线与电池相连，电调的三相输出与无刷电机相连，电调的信号线连接到主控模块，STM32输出50Hz、占空比1ms～2ms的PWM就能对电机进行调速。当PWM占空比为1ms时电机反向油门最大，当PWM占空比为1.5ms时电机油门值为零，当PWM占空比为2ms时电机正向油门最大。

通过改变Android上位机Seekbar值或C#上位机Trackbar值，发送给下位机油门值（范围是1～201）。

STM32初始化Tim4的周期为20000，下位机根据上位机发送的油门值，通过

PWM_Value=（（uint16_t）PC_comm-1）*5+1000

计算出占空比，这里PC_comm为上位机发送的油门值。

2.2 上位机与下位机的通信协议

在这里简单介绍一下上位机和下位机的通信协议，上位机通过发送

<0x1E><0x12><0x05><0x**><0x**><0x**><0x1B>

这7个字节给下位机，其中<0x1E><0x12>是帧头。<0x1B><0xAA>是帧尾。第四位字节是上位机要发送的油门值，范围是1～201，当油门值为101时为油门中点，1为油门反向最大，201为油门正向最大。第五位字节是控制夜灯开关位，当第五位字节为1时夜灯关，为2时夜灯开。第六位字节是失控保护位，上位机将会交替发送0X0F和0XF0。如果下位机接收到上位机正确的命令，将会执行相关命令，并且返回油门值给上位机。

2.3 上位机Socket的建立与使用

Socket又称套接字，在程序内部提供了与外界通信的端口，即端口通信。通过建立Socket连接，可为通信双方的数据传输提供通道。Socket的主要特点是数据丢失率低，使用简单易于移植。下面以Android上位机建立和使用Socket为例。

首先需要创建一个Socket对象，指定服务器端的IP和端口号。这里需要注意的是Android创建Socket时会自动连接，连接成功之后就可以通过InputStream/OutputStream流实现互传数据。当不使用Socket时需要将连接断开。

3 硬件框图

3.1 微控制器最小系统

STM32F103C8T6是LQFP-48封装，3.3V供电，搭配8M外部晶振，内部多个预分频器用于配置AHB的频率、高速APB和低速APB区域。将BOOT1和BOOT0引脚设置为低电平，STM32将会从主内存存储器启动。这里STM32下载方式为四线的SW下载方式。微控制器最小系统如图2所示。

3.2 供电系统

电池组是由6个IFR-38120的磷酸铁锂电芯组成，该电芯标称容量10AH，放电电流能持续20A，最大75A，经实验，瞬间可达10C，持续5C。由于瞬间放电电流大，造成电源接口处打火花的现象，为此，在电池组接口处并联上了一个独石电容，经实验，能有效的消除火花。低压报警器可以检测单体电芯电压，当其电压小于2.7V时报警器将发出报警信号。电调上带有6V输出的SBEC（开关稳压电源），经过3.3V和5V稳压后分别为STM32和WIFI模块提供电源。

3.3 夜灯驱动电路

本设计采用24VLED灯带作为夜灯，STM32通过3.3V的IO脚驱动24V灯带的亮灭。驱动电路如图3所示。

4 外形设计

电机与滑板轮之间采用15：60的同步轮传动，皮带是255-3M。同步轮具有无间隙免键联接、高精度的传动力扭等特点。

电机依靠电机固定架固定在滑板桥上，用Soildwork画出电机固定架如图4所示。

电机固定架长100mm，宽35mm，最厚尺寸为8mm，实物图如图5。通过这种设计，可以很轻松调整同步轮之间皮带的松紧。

5 系统测试结果

STM32输出正确的PWM波形是对电机进行调速的重要参数之一。我们使用Android上位机对下位机进行控制，并用示波器对不同油门值输出的PWM波形的脉宽进行记录。如表1所示。

同时，我们也对电动滑板在实际路况上进行一些测试，我们采用Sports Tracker的手机应用对数据进行记录，测试者体重为60公斤，图6和图7是两次测试的一些参数。

6 结束语

测试表明，本设计功耗低，续航能力强，在起伏不大的路面，1V压降能跑12km；动力足，能轻松爬陡坡；速度容易调节，可通过触控屏幕调节，也可以通过手机的声音按键来调节；对电机控制有失控保护，当电机在运转的时候，如果与上位机断开连接时，STM32会将油门值降为零；本设计还留有其他接口，方便产品的后续研发与升级，由STM32和WIFI组成的核心控制系统可以用在其他控制领域。

该电动滑板车系统有着设计稳定、抗干扰能力强、续航时间长等优点，并且，此课题可进行更多智能功能的拓展，比如智能测速与限速、智能导航等。

参考文献

[1]STM32F103C8T6_datasheet[R].STMicroelectronics Inc，2009.

[2]罗娜.基于88W8686的手持终端WiFi功能的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[3]李凯.Android操作系统分析与移植[D].广州：华南理工大学，2011.

作者简介

许瑾（1978-），女，四川省成都市人。现为四川省水产学校讲师。主要研究方向为电子线路与通讯。

作者单位

四川省水产学校 四川省成都市 611730