基于STM32的智能循跡往返小車設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)針對(duì)智能交通系統(tǒng)，采用STM32F103作為主控芯片，輔以路面檢測(cè)模塊、顯示模塊等外圍器件，構(gòu)成了一個(gè)完整的車載控制系統(tǒng)，能夠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，并且可以自動(dòng)記錄、顯示一次往返時(shí)間和行駛距離，同時(shí)用蜂鳴器提示返回到了起點(diǎn)。另外，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。
關(guān)鍵詞：循跡小車；反射式紅外傳感器；PWM；STM32F103；直流電機(jī)

    智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，是未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)。本文提出了一個(gè)基于STM32F103芯片為控制核心，附以紅外傳感器采集外界信息和檢測(cè)障礙物的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。充分利用該芯片高速運(yùn)算、處理能力，來實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)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)，使用芯片自帶的PWM輸出功能，步進(jìn)調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過模糊控制和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，提高了對(duì)車位置控制精度。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    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(cè)模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

1．1 主控單片機(jī)模塊
    控制器主要用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，黑線的檢測(cè)以及相關(guān)信息的顯示。本設(shè)計(jì)采用STM32作為控制器，其性能優(yōu)良，移植性好，提高了對(duì)直流電機(jī)的控制效率，并對(duì)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(jí)。本系統(tǒng)的核心控制板是STM32F103的最小系統(tǒng)，它由電源電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、JTAG接口電路、復(fù)位電路、用戶LED和按鍵電路、串口電路等組成。
    本小車由于需要倒車，為了倒車的準(zhǔn)確性在小車的前后兩端分別安裝了兩個(gè)紅外傳感器，小車前端兩個(gè)紅外傳感器檢測(cè)的到的信號(hào)輸入單片機(jī)GPIOB12、GPIOB13，而后端兩個(gè)紅外傳感器檢測(cè)的到的信號(hào)輸入單片機(jī)GPIOB12、GPIOB13，單機(jī)片經(jīng)處理后通過GPIOE3-GPIOE6驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向；顯示模塊以24寸tft為核心，對(duì)記錄的結(jié)果進(jìn)行顯示。
1．2 路面黑線檢測(cè)模塊
    該智能小車在貼有黑線的白紙“路面”上行駛，因此本模塊設(shè)計(jì)需要檢測(cè)鋪在行駛區(qū)的黑膠帶，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”——黑線。本文采用的是簡單實(shí)用的檢測(cè)方法，即紅外探測(cè)法。采用紅外線控制的反射式紅外對(duì)管，紅外對(duì)管只對(duì)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(cè)到跑道黑帶。

    采用反射式光電開關(guān)來識(shí)別軌跡上的黑線標(biāo)記信號(hào)，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。將非門的輸出接至單片機(jī)IO口。車在前進(jìn)和后退過程中，小車每過一道黑線，便產(chǎn)生一次電平變化，主程序從而調(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。
1．3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    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)?？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芯片采用5 V(VSS)與12 V(VS)直流供電，EN A和ENB分別用STM32F103主控芯片的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。
    其基本電路圖如圖3所示。

    如圖2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3種狀態(tài)，每個(gè)電機(jī)由一對(duì)I／O口進(jìn)行控制。表1是I／O端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對(duì)照表。

1．4 液晶顯示模塊
    液晶顯示模塊使用2．4寸TFT觸摸屏，由STM32的FSMC接口通過ILI9325驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)觸摸屏。該驅(qū)動(dòng)芯片支持240RGBx320像素，可以顯示262144真色彩。支持MVA(Multi_domain Vertical Aligement多范圍垂直隊(duì)列)寬視角顯示，組合720通道源極驅(qū)動(dòng)和320通道門極驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部集成172 800字節(jié)的GRAM(圖形內(nèi)存)，以及高速內(nèi)存脈沖寫功能等功能。
1．5 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3．3 V供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用5 V與12 V，紅外收發(fā)檢測(cè)電路采用5 V，液晶顯示與觸角傳感電路均采用3．3 V供電。外部電源采用12 V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)12 V到5 V的轉(zhuǎn)換。KA7805的作用是輸入大于5 V的直流電壓，輸出5 V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4為KA7805芯片引腳接線圖。

    2)本設(shè)計(jì)采用LM1117—3．3芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3．3 V，具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)PWM輸出模塊和普通I／O模塊，根據(jù)系統(tǒng)需求，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化配置，以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能。主程序流程如圖6所示。

3 結(jié)論
    文中根據(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(duì)小車簡單運(yùn)動(dòng)的控制，完成各部分電路設(shè)計(jì)并使用PROTEL畫出電路設(shè)計(jì)原理圖；軟件部分在STM32集成開發(fā)環(huán)境IAR EWARM 5．3下編寫各模塊程序，包括PWM波輸出模塊、液晶顯示模塊自由行走避障模塊和紅外循跡模塊，并通過主控制程序?qū)⒏髂K融合一起。整個(gè)設(shè)計(jì)將硬件與軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制，使小車能夠做出前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，并通過液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，及對(duì)小車速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠在不同模式下通過傳感檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)簡單的避障和循跡功能，在本次設(shè)計(jì)中將PWM波占空比控制在1／2以下，使小車不會(huì)因速度過高而導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎過程中其方向不易控制。論文基本完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并使之符合設(shè)計(jì)要求。
    本設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，利用高性能的STM32F103芯片，輔以各種傳感器來檢測(cè)路面、障礙物等周圍環(huán)境，通過高可靠性的軟件設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)小型電動(dòng)車的智能控制，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。