自動循跡小車課程設計

課程報告課程名稱：嵌入式系統(tǒng)與應用項目名稱：自動循跡小車院系：理學院專業(yè)：自動化1401學號：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx姓名：xxxxxxxx指導導師：xxxxxxxx2017年05月23日西京學院理學院制摘要本次課程設計主要完成基于STM32F103微處理器的智能小車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設計。此智能小車系統(tǒng)的組成主要包括STM32F103控制器、電機驅(qū)動電路、紅外探測電路。本次試驗采用STM32F103微處理器為核心芯片，利用PWM技術對速度進行控制，循跡模塊進行黑白檢測，其他外圍擴展電路實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能。實現(xiàn)了智能小車能夠自動跟蹤地面上的黑色軌跡的任務。關鍵字：STM32；紅外探測；PWM；電機控制AbstractThiscoursedesignmainlycompletesthesystemdesignofintelligentcarcontrolsystembasedonSTM32F103microprocessor.ThecompositionofthisintelligentcarsystemmainlyincludesSTM32F103controller,motordrivecircuit,infrareddetectioncircuit.ThistestusesSTM32F103microprocessorasthecorechip,theuseofPWMtechnologytocontrolthespeed,trackingmoduleforblackandwhitedetection,otherperipheralexpansioncircuittoachievetheoverallfunctionofthesystem.Toachievethesmartcarcanautomaticallytracktheblacktrackonthegroundtask.Keywords：STM32；infrareddetection；PWM；motorcontrol目錄1設計任務要求 12方案設計及選型 12.1總體方案選擇 12.2車型選型 12.3器件選型 23系統(tǒng)電路設計 23.1循跡模塊接口電路設計 23.2電機驅(qū)動模塊接口電路設計 33.3電源設計 43.4STM32小系統(tǒng) 54系統(tǒng)軟件設計 64.1主程序設計 64.2功能函數(shù)設計 65系統(tǒng)測試 66結束語 7參考文獻 8附錄一：系統(tǒng)總體電路圖 9附錄二：部分程序 10附錄三：作品實物圖 111設計任務要求本設計通過對軌跡跟蹤問題的分析，制作了一輛能夠自動跟蹤地面上的黑色軌跡的智能小車。（1）設計搭建小車結構框架，兩驅(qū)或四驅(qū)不限，機械轉向靈活。（2）設計選型電源、電機、傳感器、STM32控制器板等電路模塊，完成方案設計和電路圖繪制。（3）設計功能函數(shù)和軟件流程圖。2方案設計及選型2.1總體方案選擇基于對小車循跡準確性以及速度的綜合考慮，我們最終選擇的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：圖2-1總體方案框圖2.2車型選型基于在循跡小車設計報告的實際完成情況，我們考慮到小車調(diào)試頻繁的問題、電池使用時間長短以及小車的靈活性，我么們選擇了由倆個電機與一個萬向輪組成的倆驅(qū)小車。車架使用市面上的合成簡易車架。2.3器件選型（1）循跡模塊選型方案一：采用紅外對管對黑帶進行高頻率掃描，并將掃描結果串行輸出，用斯密特觸發(fā)器對波形整形后，將數(shù)據(jù)送入STM32進行分析判斷。優(yōu)點：節(jié)省系統(tǒng)消耗的功率，節(jié)約STM32的I/O，硬件電路的接線變得簡潔。缺點：信息處理速度相對于并行輸出慢，相鄰紅外會產(chǎn)生干擾。方案二：采用多路反射型的光電傳感器TCRT5000對地面進行檢測，將所采集到的信息并行輸入比較器比較后，再將數(shù)據(jù)送入STM32處理。優(yōu)點：信息處理速度快，相鄰傳感器不會相互干擾，操作方便，結構簡單。缺點：占用STM32的I/O較多，連線相對繁瑣。方案選擇：考慮到小車對信息的采集速度及檢測的準確性，我們最終選用了方案二。（2）驅(qū)動及電機選擇①驅(qū)動選擇：由于L298N驅(qū)動有以下優(yōu)點：a.可實現(xiàn)電機正反轉；b.啟動性能好，啟動轉矩大；c.可同時驅(qū)動兩臺直流電機；所以我們最終選擇了L298N驅(qū)動。②電機選擇：直流減速電機轉速平穩(wěn)，速度快，功耗低，又因為本設計是用電池供電，所以我們最終選擇了6V的直流減速電機作為小車的驅(qū)動電機。3系統(tǒng)電路設計3.1循跡模塊接口電路設計小車在白色地面行駛時，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號被反射，接收管接收到信號后，輸出端為低電平。紅外傳感器的三個輸出端口分別與控制模塊的PA4-PA6依次相連，而當紅外信號遇到黑色導軌時，紅外信號被吸收，接收管不能接收到信號，輸出端為高電平。單片機通過采集每個紅外接收管的輸出信號，便可以檢測出所處位置，從而控制小車的轉向。我們采用的傳感器為紅外避障模塊傳感器，它是采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高度靈敏光電晶體管組成。紅外避障傳感器的發(fā)射管和接收管是一起封裝在矩形塑料殼中，為了使檢測更加準確，我們用了紅外避障傳感器檢測黑線，其中一只放在黑線上方其余2只對稱分布在黑線的兩側。循跡模塊實物如圖3-1所示：圖3-1紅外避障模塊傳感器實物圖圖3-2循跡模塊原理圖3.2電機驅(qū)動模塊接口電路設計對于小車車輪的兩個直流電機，我們采用了一片電機驅(qū)動芯片L298N對其進行驅(qū)動。STM32為芯片提供驅(qū)動信號，傳至PWM控制各個電機的轉速，從而調(diào)整小車的前進速度和轉向。其實物模塊如圖3-2所示。其中左前電機：PB12（方向）+PA8（PWM），右前電機：PB13（方向）+PA9（PWM）。圖3-3電機驅(qū)動實物模塊圖圖3-4電機驅(qū)動模塊原理圖3.3電源設計本設計中采用的是6V電池供電，因為主控芯片以及其余模塊均采用的3.3V供電，直流減速電機采用6V供電，傳感器采用5V供電，其實物圖如3-3所示。圖3-5電源模塊實物圖3.4STM32小系統(tǒng)本設計采用了一片STM32單片機為控制核心。通過循跡模塊、驅(qū)動模塊的應用，實現(xiàn)了小車轉速調(diào)節(jié)、自動循跡的任務。其原理圖如圖3-4所示：圖3-6主控制模塊原理圖4系統(tǒng)軟件設計4.1主程序設計當開機時，系統(tǒng)復位，然后進入自動運行狀態(tài)。使小車沿黑線行進，并且在小車偏離軌道后自動調(diào)整走向使之返回預定路線。該模塊的具體設計流程框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)軟件設計框圖4.2功能函數(shù)設計（1）方向判斷由if..elseif函數(shù)書寫；（2）用定時器來生成PWM的占空比；（3）定時器初始化函數(shù)Tim1_Init()；5系統(tǒng)測試（1）測試儀器：示波器，電源，萬用表。測試方法：采用模擬電路由前端到后段，數(shù)字電路先仿真再試測，先逐個模塊測試再整體調(diào)試的辦法。（2）循跡模塊測試連接好電路，調(diào)好靈敏度，然后用萬用表分別測量光電傳感器接收端的輸出電壓值，其值如表5-1所示：表5-1光電傳感器輸出電壓測量光電傳感器編號1234光電傳感器接收端電壓(V)白線（V）4.834.814．834．87黑線（V）0.420.430.450.45（3）占空比與小車運行速度測試表5-2占空比與小車運行速度對應表占空比前進速度（cm/s）后退（cm/s）20%0050%30.530.370%36.736.5100%45.945.76結束語首先謝謝老師對我門的指導，謝謝同學給我們的幫助。在以后的學習工作中，我們一定會將今天所學習到的知識應用于生產(chǎn)實踐中。當然，該小車還存在著一些缺陷，比如：功耗較大、外型不夠美觀等。導致我們的小車出現(xiàn)那好多問題?？傊覀兊脑O計還有很大的提升空間。本次設計我們無論是在硬件還是軟件上的能力都有很大的提高，比如，接線端口有誤，沒有檢查仔細是我們的進程有了延誤。這使我們經(jīng)歷了一個設計從方案提出到確定，到最后的調(diào)試出實物，看到效果。在這個過程中收獲巨大。通過競賽，我們提高了自學能力以及團隊協(xié)作能力，并進一步提高了對本專業(yè)的興趣。本次競賽對自己的信心也有很大提高，在以后的學習中，我們會再接再厲。

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附錄一：系統(tǒng)總體電路圖

附錄二：部分程序intmain(void){ BSP_Init();//系統(tǒng)初始化 SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK); Tim1_Init();//定時器初始化函數(shù),設定PWM頻率5kHz while(1) { if(LeftSensor()==0&&MidSensor()==1&&RightSensor()==0)//只有中間光電在黑線上 { Motor1234(80,80,80,80); //Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4);//前進8s } elseif(LeftSensor()==0&&MidSensor()==0&&RightSensor()==0) { Motor1234(80,80,80,80); //Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4);//前進8s } elseif(LeftSensor()==1&&MidSensor()==0&&RightSensor()==0)//左邊遇見黑線 { Motor1234(-100,100,-100,100); //Motor1234(-duty1,duty2,-duty3,duty4);//前進8s } elseif(LeftSensor()==0&&MidSensor()==0&&RightSensor()==1)//右邊遇見黑線 { Motor1234(100,-100,100,-100); //Motor1234(duty1,-duty2,duty3,-duty4);//前進8s } elseif(LeftSensor()==1&&MidSensor()