一款基于STM32及MPU6050的简易智能防抖勺设计
作者：王杰 杨舒寒 廖秋兰
来源：《科学与财富》2018年第34期
摘要：本文阐述了一款针对帕金森患者的基于STM32及MPU6050传感器的简易智能防抖勺设计。当勺子发生震颤时，利用改进的PID算法，汤勺内部的伺服控制系统会控电机反向转动，从而减小汤勺的震颤幅度。患者用餐结束后，系统通过Wi-Fi将采集的震颤数据传输到智能手机用于监测治疗效果，提供更多数据参考，更有效的帮助患者治疗。 关键词：STM32；MPU6050；PID；防抖勺 引言
据统计，我国患有震颤病症的人数为2000万—4000万，其中90%为特发性或神经性、老年性震颤。其中最有名的帕金森病患者，全球有超过450万、我国就有220多万帕金森患者。他们由于各种各样的原因（如帕金森、甲亢、肝豆状核变性、酒精依赖、癔症等疾病）产生了手抖的症状，医学上把他们称为“手部震颤群体”。此类震颤病因复杂，目前还没有有效的根治手段，也没有特定药物来改善。手部震颤使得基本的身体机能丧失，生活质量急剧下降，患者连简单的正常用餐都成为了奢望。对于常年因“手抖”难以自如吃饭的患者来说，研发一款简易便捷的用餐工具具有重大意义。
本文提出了一款基于cortex-M3及mpu6050的简易智能防抖勺设计，首先利用传感器MPU6050内部集成的三轴加速度、陀螺仪组件和STM32处理器结合来实现震颤数据采集，再运用改进的PID算法对采集到的信息做出反馈从而减小震颤幅度。与此同时，利用Wi-Fi技术，将采集的数据传输到智能手机上存储。 一、系统组成
系统功能模块包括：MPU6050整合性轴运动处理组件，ARM微处理器，微型步进电机，WIFI模块，DC电源模块。 硬件总框架如图1-1所示。
本设计采用STM32F103ZET6芯片，考虑到外围芯片的兼容性和方便性，选择5V作为整个最小系统板的输入，由于ARM的供电都是3.3V作为标准供电电压，以整个最小系统板5V的电源总输入，进入最小系统板后利用LM117芯片进行稳压成3.3V的电压，然后供电给ARM，后面再加一个LED3最为电源指示灯，用来提示电源是否正常连接
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
MPU6050是整合了加速度和陀螺仪的传感器，它和STM32单片机之间的通信采用400KHZ的IIC接口，其供电电压范围为5V。将STM32的引脚（SDA）和PB7（SCL）分别和MPU6050的24号引脚（SDA）和23号引脚（SCL）相连接，可实现传感器和微处理器通信。
二、算法设计
本设计采用PID算法来控制电机转动的速度及角度。将勺子处于水平位置时的状态设为初值，当勺子发生抖动时，单片机从MPU6050传感器采集数据并与初值进行比较，使得勺子的运动状态逐渐趋于平稳。PID算法控制器由勺子转动角度P、角度误差积分I和角度微分D组成。
勺子转动角度比例P：对电机角速度进行比例调整，即对勺子的抖动幅度进行调整。比例越大，调节速度越快。
角度误差积分I：由于勺子的抖动幅度不会过大，为了消除系统稳态误差，提高无差度，对积分调节的需要就极小。
角度微分D：微分的作用是反映电机的角速度，及勺子角度的变化率。它具有预见性，能预见偏差变化的趋势而产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前就已被微分调节作用消除。因此，在微分时间确定的情况下，改善系统的动态性能可以大大减少系统的调节时间。 三、数据处理
MPU6050芯片提供的数据夹杂有较严重的噪音，在芯片处理静止状态时数据摆动都可能超过2%。除了噪音，各项数据还会有偏移的现象，因此要先对数据偏移进行校准，再通过滤波算法消除噪音。
由图得出这个读数的偏移量为+0.04852。在获取偏移量后，每次的读数都加上偏移量就可以得到校准后的读数。最后运用卡尔曼滤波器对其进行去噪处理便可得到较为准确的数据。 震颤数据采集图如图3-2所示。 四、结论
本文介绍了一款基于STM32及MPU6050的简易智能防抖勺设计。MPU6050传感器能获取人体运动时的状态，且具有安装简便、体积小等特点，能满足人体运动识别的实时性、客观性、准确性及可靠性的要求。经过测试，该设计能够起到减少抖动效果以及采集抖动数据的功能，其结构简单，成本低廉，具有一定创新性和实用性。 参考文献：
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
[1]刘莉.基于MPU6050的老年人跌倒监测系统设计[J].中国医疗器械杂志研究与论著.2015.（39）
[2]李芳.板球系统设计及控制系统研究[D].内蒙古科技大学，2013
[3]陶志成.张海.MPU6050和STM32L152的微功耗三维无线鼠标设计[M].北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191
[4]张虎军，张楠楠，顾建文， 等.人体运动监测技术的发展与应用 [J]. 医疗卫生装备， 2011， 32（8）： 83-85， 98.
[5]赵学玲，朱雁锋，郝立果，郑桐加.速度传感器在动作识别中的应用[J].机床与液压2011，39，2
[6]李尹.PID控制算法及其在风速控制中的应用.天津大学学报[J]，2007，45（2）：1～7 [7]王祖麟.航空摄像机防抖平台——云台设计.江西理工大学本科生毕业设计论文 2017年成都理工大学国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号201710616017
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容