一款基于STM32及MPU6050的簡易智能防抖勺設計

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計。當勺子發生震顫時，利用改進的PID算法，湯勺內部的伺服控制系統會控電機反向轉動，從而減小湯勺的震顫幅度。患者用餐結束后，系統通過Wi-Fi將采集的震顫數據傳輸到智能手機用于監測治療效果，提供更多數據參考，更有效的幫助患者治療。

關鍵詞：STM32；MPU6050；PID；防抖勺

引言

據統計，我國患有震顫病癥的人數為2000萬—4000萬，其中90%為特發性或神經性、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、肝豆狀核變性、酒精依賴、癔癥等疾病）產生了手抖的癥狀，醫學上把他們稱為“手部震顫群體”。此類震顫病因復雜，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計，首先利用傳感器MPU6050內部集成的三軸加速度、陀螺儀組件和STM32處理器結合來實現震顫數據采集，再運用改進的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，將采集的數據傳輸到智能手機上存儲。

一、系統組成

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

硬件總框架如圖1-1所示。

本設計采用STM32F103ZET6芯片，考慮到外圍芯片的兼容性和方便性，選擇5V作為整個最小系統板的輸入，由于ARM的供電都是3.3V作為標準供電電壓，以整個最小系統板5V的電源總輸入，進入最小系統板后利用LM117芯片進行穩壓成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，可實現傳感器和微處理器通信。

二、算法設計

本設計采用PID算法來控制電機轉動的速度及角度。將勺子處于水平位置時的狀態設為初值，當勺子發生抖動時，單片機從MPU6050傳感器采集數據并與初值進行比較，使得勺子的運動狀態逐漸趨于平穩。PID算法控制器由勺子轉動角度P、角度誤差積分I和角度微分D組成。

勺子轉動角度比例P：對電機角速度進行比例調整，即對勺子的抖動幅度進行調整。比例越大，調節速度越快。

角度誤差積分I：由于勺子的抖動幅度不會過大，為了消除系統穩態誤差，提高無差度，對積分調節的需要就極小。

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。它具有預見性，能預見偏差變化的趨勢而產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前就已被微分調節作用消除。因此，在微分時間確定的情況下，改善系統的動態性能可以大大減少系統的調節時間。

三、數據處理

MPU6050芯片提供的數據夾雜有較嚴重的噪音，在芯片處理靜止狀態時數據擺動都可能超過2%。除了噪音，各項數據還會有偏移的現象，因此要先對數據偏移進行校準，再通過濾波算法消除噪音。

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

震顫數據采集圖如圖3-2所示。

四、結論

本文介紹了一款基于STM32及MPU6050的簡易智能防抖勺設計。MPU6050傳感器能獲取人體運動時的狀態，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、準確性及可靠性的要求。經過測試，該設計能夠起到減少抖動效果以及采集抖動數據的功能，其結構簡單，成本低廉，具有一定創新性和實用性。

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