自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車基于stm32

1、自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車本設(shè)計(jì)民用STM32作為自動(dòng)往返小汽車的檢測和控制核心，輔以傳感器、控制電路、顯示電路等外圍器件，構(gòu)成了一個(gè)車載控制系統(tǒng)。路面黑線檢測使用反射式紅外傳感器，利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了小車在限速和壓線過程中的精確控制。電動(dòng)小汽車能夠根據(jù)題目要求在直線方向上完成調(diào)速、急剎車、停車、倒車返回等各種運(yùn)動(dòng)形式；這輛小車還可以自動(dòng)記錄、顯示一次往返時(shí)間和行駛距離，并用蜂鳴器提示返回起點(diǎn)。另外，我們經(jīng)過MATLAB仿真后，成功地實(shí)現(xiàn)了從最高速降至低速的平穩(wěn)調(diào)速。本系統(tǒng)主要采用模糊控制算法進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。通過模糊控制和PW

2、M脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，提高了對車位置控制精度，并且實(shí)現(xiàn)了恒速控制。關(guān)鍵詞：PWM，STM32F103，電機(jī)，傳感器前言嵌入式技術(shù)依靠其體積小、成本低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)了智能化發(fā)展的最新要求。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，在數(shù)據(jù)處理和代碼存儲(chǔ)等方面都已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的要求，ARM微處理器資源豐富，具有良好的通用性。Cortex-M3是ARM公司最新推出的第一款基于ARMv7體系的處理器內(nèi)核。它主要針對MCU領(lǐng)域，在存儲(chǔ)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、調(diào)試接口等方面做了較大的改進(jìn)，有別于過去的ARM7處理器；Cortex-M3具有高性能、低功耗、極低成本、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合汽車電子、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械

3、、玩具等領(lǐng)域。基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器于2007年由ST公司率先推出，它集先進(jìn)Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)、出眾創(chuàng)新的外設(shè)、良好的功耗和低成本于一體，極大的滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。作為先進(jìn)的32位通用微控制器的領(lǐng)跑者，STM32以其出眾的性能、豐富且靈活的外設(shè)、很高的性價(jià)比以及令人意外的功耗水準(zhǔn)，使其自面世以來得到眾多設(shè)計(jì)者的青睞，眾多行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者紛紛選用STM32作為新一代產(chǎn)品的平臺(tái)。因此將STM32F103應(yīng)用于智能小車的控制系統(tǒng)是一種較好的選擇。基于此，本文提出了一個(gè)比較合理的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。整個(gè)小車系統(tǒng)以STM32F103芯片為控制核心，附以外圍電路，利用紅

4、外探測器、觸角傳感器采集外界信息和檢測障礙物；充分利用STM32F103的串口、并口資源和高速的運(yùn)算、處理能力，來實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識別路線按跡行走、躲避障礙物，并且通過LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示小車運(yùn)動(dòng)參數(shù)；配置STM32F103通用定時(shí)器為PWM輸出模式產(chǎn)生PWM波，通過步進(jìn)調(diào)節(jié)PWM波占空比參數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。第一章 系統(tǒng)方案論證與分析根據(jù)題目中的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由主控單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、黑線檢測模塊、測速模塊以及液晶顯示模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如下圖所示：STM32L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片黑線檢測模塊測速模塊電源模塊TFT顯示1、 主控單片機(jī)根據(jù)題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)的運(yùn)

5、動(dòng)，黑線的檢測以及相關(guān)信息的顯示。對于控制器的選擇主要有以下兩種方案：方案一：采用51系列單片機(jī)作為控制器。51系列單片機(jī)應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，但是運(yùn)行速度慢，內(nèi)部資源較少，且只有2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，不滿足題目要求。方案二：采用STM32作為控制器?；贑ortex- M3內(nèi)核的STM32F10x系列芯片是新型的32位嵌入式微處理器，其性能優(yōu)良，移植性好，提高了對直流電機(jī)的控制效率，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，有利于智能小車的功能擴(kuò)展和升級。綜上，我們選用了方案一，采用了STM32，該單片機(jī)價(jià)格便宜，資源足夠。2、 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：采用達(dá)林頓管陣列ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003是7通道

6、高電壓、大電流驅(qū)動(dòng)器，并聯(lián)端口可以加大輸出電流，對直流電機(jī)具有良好驅(qū)動(dòng)能力。但其結(jié)構(gòu)決定驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)只能是單方向的，不能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，這與題目要求不符。方案二：采用繼電器對電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片L298。其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298的邏輯電平與51單片機(jī)匹配，可以與其直接相連?？刂菩酒尿?qū)動(dòng)使能端就可以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度。L298對直流電機(jī)具有良好的驅(qū)動(dòng)控制能力，故這里選擇方案

7、三。3、 路面黑線檢測模塊選擇方案一：采用發(fā)光二極管與光敏電阻，利用光敏電阻的阻值變化來控制信號。由于外界光亮條件不定，一旦光線條件改變很可能造成誤判和漏判；雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這用將增加額外的功率損耗。方案二：采用紅外線控制的反射式紅外對管。紅外對管只對紅外線具有較高靈敏度，從而避免了外界光線的干擾；跑道黑帶能夠吸收紅外線，而白色跑道能夠反射紅外線，從而檢測到跑道黑帶。方案選擇：光敏電阻的易干擾性和紅外對管的單一靈敏行決定方案二具有較好控制作用。4、 里程計(jì)算與計(jì)時(shí)模塊選擇方案一:采用霍爾傳感器。該器件內(nèi)部由三篇霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)

8、生橫向?qū)?，發(fā)出低電平信號。因此可以在車輪上安裝微型磁鐵，而將霍爾傳感器安裝在固定軸上，通過對脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車速測量。方案二：采用檢測黑線的方法，每經(jīng)過一條黑線就增加相應(yīng)的里程數(shù)，并通過定時(shí)器計(jì)時(shí)。方案選擇：相比而言，方案二不需要另外的傳感器，計(jì)算方便，定時(shí)器也很精確，故選擇方案二。圖2.1 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖由系統(tǒng)框圖可看出，小車整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液晶顯示、鍵盤擴(kuò)展電路、觸角傳感電路、紅外收發(fā)檢測電路等模塊。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)原理圖見附錄，下面分別介紹各部分模塊的設(shè)計(jì)。一、 主要電路設(shè)計(jì)1、STM32F103及外圍電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用STM32F103為主控芯片，則STM32

9、F103芯片的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1.2、1.3所示。圖1.2 STM32F103芯片最小系統(tǒng)圖圖1.3STM32F103芯片最小系統(tǒng)圖續(xù)如圖1.2、1.3，此部分電路包括系統(tǒng)時(shí)鐘電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、JTAG調(diào)試接口電路，復(fù)位電路和啟動(dòng)模式選擇電路。下面對部分電路設(shè)計(jì)做簡要說明。1時(shí)鐘電路系統(tǒng)時(shí)鐘電路選用8MHZ的HSE晶體作為振蕩器晶振。如圖2.2所示，由R113、Y100（HSE晶振）、C108及C109構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘電路。HSE晶體可以通過設(shè)置時(shí)鐘控制寄存器里RCC_CR中的HSEON位被啟動(dòng)和關(guān)閉。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路選擇LSE時(shí)鐘模式，如圖2.2所示，由Y101（LSE晶振）、C112及C113構(gòu)

10、成LSE旁路，提供一個(gè)32.768kHz頻率的外部時(shí)鐘源。LSE晶體是一個(gè)32.768kHz的低速外部晶體或陶瓷諧振器。它為實(shí)時(shí)時(shí)鐘或者其他定時(shí)功能提供一個(gè)低功耗且精確的時(shí)鐘源。2啟動(dòng)模式選擇電路如圖2.3所示，通過BOOT1:0引腳可以選擇三種不同啟動(dòng)模式。如下表2-1所示。表2-1 啟動(dòng)模式啟動(dòng)模式選擇引腳啟動(dòng)模式說明BOOT1BOOT0X0主閃存存儲(chǔ)器主閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域01系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域11內(nèi)置SRAM內(nèi)置SRAM被選為啟動(dòng)區(qū)域在系統(tǒng)復(fù)位后，SYSCLK的第4個(gè)上升沿，BOOT引腳的值將被鎖存。此時(shí)可以通過設(shè)置BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的

11、啟動(dòng)模式。2、電源電路設(shè)計(jì)由于各電路模塊所需電壓不同，本設(shè)計(jì)需多種電源供電。STM32F103主控芯片采用3.3V供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用5V與12V，紅外收發(fā)檢測電路采用5V與3.3V，液晶顯示與觸角傳感電路均采用3.3V供電。外部電源采用12V的直流電壓，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。1. 采用KA7805芯片實(shí)現(xiàn)12V到5V的轉(zhuǎn)換。KA7805的作用是輸入大于5V的直流電壓，輸出5V的直流電壓，且管腳較少，易于連接和實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性高。圖2.4為KA7805芯片引腳接線圖。圖2.4 KA7805引腳接線圖2.本設(shè)計(jì)采用LM1117-3.3芯片將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，具體電路設(shè)計(jì)如圖2.

12、5 所示。圖2.5 LM1117-3.3引腳接線圖3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)STM32F103芯片外部擴(kuò)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298芯片控制，其基本電路圖如圖2.6。圖3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路基本電路原理圖如圖2.6所示，小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過電機(jī)A和B的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)，每個(gè)電機(jī)由一對I/O口進(jìn)行控制。表2-2是I/O端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對照表。表2-2 I/O端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對照表電機(jī)AIN1IN2電機(jī)BIN3IN4停止00停止00正轉(zhuǎn)10正轉(zhuǎn)10反轉(zhuǎn)01反轉(zhuǎn)011111L298芯片采用5V(VSS)與12V(VS)直壓供電，EN A和EN B分別用STM32F103主控

13、芯片的TIM3_CH3和PB1/ADC_IN9/TIM3_CH4控制，產(chǎn)生PWM1和PWM2兩路PWM波輸出，IN1-IN4分別用PE3-PE6實(shí)現(xiàn)I/O輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在L298與電機(jī)之間加入二極管，以保護(hù)電路。4、液晶顯示電路設(shè)計(jì)液晶顯示電路采用2.4寸TFT顯示5、 紅外探測電路設(shè)計(jì)采用反射式光電開關(guān)來識別軌跡上的黑線標(biāo)記信號，如圖3 所示。這種光電開關(guān)的紅外發(fā)射管和接收管位于同一側(cè)，光敏三極管只能接收反射回的紅外光。當(dāng)車身下面是黑線時(shí)，由于黑線吸收部分光，光敏三極管接收到的紅外光不能使光敏三極管導(dǎo)通，光電開關(guān)輸出高電平，經(jīng)非門輸出低電平。反之，當(dāng)車身下面是白色的地面時(shí)，紅外發(fā)射管

14、發(fā)射的光經(jīng)其反射后，被接收管接受，光電開關(guān)輸出低電平，經(jīng)非門整形后輸出高電平。將非門的輸出接至CPU的INT1輸入端.車在前進(jìn)和后退過程中，小車每過一道黑線，便產(chǎn)生一次中斷申請，從而調(diào)用相應(yīng)的子程序，隨著小車的不斷行駛，相應(yīng)的程序依次被調(diào)用執(zhí)行，使小車在跑道上按設(shè)計(jì)要求時(shí)快、時(shí)慢、時(shí)前進(jìn)、時(shí)后退.第三章小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STM32為主控制器.采用C 語言進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制1 紅外光電檢測到的開關(guān)信號作為中斷源, 送入STM32中斷源EXTI_Line0; STM32再對中斷請求做出響應(yīng), 并在GPIOB0和GPIOB1口輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的脈沖和轉(zhuǎn)速; 通過GPIOC

15、0、GPIOC1、GPIOC4、GPIOC5驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向; 顯示模塊以2.4寸tft為核心, 對記錄的結(jié)果進(jìn)行顯示.1、 前進(jìn)（帶矯正）子程序void qianjin() while(1) /檢測到黑，發(fā)光 12外 13內(nèi) if(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12) & GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_13) / 12亮（高電平） 13不亮（低電平） GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);GPIO_

16、SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);else if (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12) & !GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_13) /都亮GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);else

17、 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12) & !GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_13)/ 12亮（低電平） 13不亮（高電平）GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5); if(flag=6)/ GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_4); break; 2

18、、 后退（帶矯正）子程序void houtui() while(1) /檢測到黑，發(fā)光 12外 13內(nèi) if(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_8) & GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_9) / 12亮（高電平） 13不亮（低電平）GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);else i

19、f (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_8) & !GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_9) /都亮GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12) & !GPIO_ReadInputDataBit

20、(GPIOB,GPIO_Pin_13)/ 12亮（低電平） 13不亮（高電平）GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4); if(flag=12) GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_4); break; 3、 橫線檢測并調(diào)速程序void EXTI0_IRQHandler(void)if ( EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)

21、!= RESET ) EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);flag+;if(flag=2|flag=4) /|flag=3|flag=4 pulse = 3000; TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);if(flag=3) /|flag=3 pulse = 2850; TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);if(flag=5) pulse = 2650; TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);i

22、f(flag=9) pulse = 2900;/2350 TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);if(flag=8|flag=10) /flag=7| pulse = 3000; /2600 TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);if(flag=11|flag=7) pulse = 2850; /2600 TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);if(flag=12) puls

23、e = 0; /2600 TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);4、 顯示子程序void ILI9325_PutString(u16 x, u16 y, u8 *s, u16 fColor, u16 bColor) u8 row=0;while(*s) if( *s 0x80) ILI9325_PutChar(x+(row3),y,*s,fColor,bColor);s+;row+;elseILI9325_PutGB16x16(x+(row3),y,(u8*)s,fColor,bColor);s+=2;row+=2;第四章結(jié)論本文根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求，制定了設(shè)計(jì)方案，并逐步完成了硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)以STM32為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對小車簡單運(yùn)動(dòng)的控制，其中硬件部分