自動(dòng)循跡小車課程設(shè)計(jì)

課程報(bào)告課程名稱：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用項(xiàng)目名稱：自動(dòng)循跡小車院系：理學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化1401學(xué)號(hào)：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx姓名：xxxxxxxx指導(dǎo)導(dǎo)師：xxxxxxxx2017年05月23日西京學(xué)院理學(xué)院制摘要本次課程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。此智能小車系統(tǒng)的組成主要包括STM32F103控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、紅外探測(cè)電路。本次試驗(yàn)采用STM32F103微處理器為核心芯片，利用PWM技術(shù)對(duì)速度進(jìn)行控制，循跡模塊進(jìn)行黑白檢測(cè)，其他外圍擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能。實(shí)現(xiàn)了智能小車能夠自動(dòng)跟蹤地面上的黑色軌跡的任務(wù)。關(guān)鍵字：STM32；紅外探測(cè)；PWM；電機(jī)控制AbstractThiscoursedesignmainlycompletesthesystemdesignofintelligentcarcontrolsystembasedonSTM32F103microprocessor.ThecompositionofthisintelligentcarsystemmainlyincludesSTM32F103controller,motordrivecircuit,infrareddetectioncircuit.ThistestusesSTM32F103microprocessorasthecorechip,theuseofPWMtechnologytocontrolthespeed,trackingmoduleforblackandwhitedetection,otherperipheralexpansioncircuittoachievetheoverallfunctionofthesystem.Toachievethesmartcarcanautomaticallytracktheblacktrackonthegroundtask.Keywords：STM32；infrareddetection；PWM；motorcontrol目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)要求 12方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 23.1循跡模塊接口電路設(shè)計(jì) 23.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口電路設(shè)計(jì) 33.3電源設(shè)計(jì) 43.4STM32小系統(tǒng) 54系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 64.1主程序設(shè)計(jì) 64.2功能函數(shù)設(shè)計(jì) 65系統(tǒng)測(cè)試 66結(jié)束語 7參考文獻(xiàn) 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(shí)物圖 111設(shè)計(jì)任務(wù)要求本設(shè)計(jì)通過對(duì)軌跡跟蹤問題的分析，制作了一輛能夠自動(dòng)跟蹤地面上的黑色軌跡的智能小車。（1）設(shè)計(jì)搭建小車結(jié)構(gòu)框架，兩驅(qū)或四驅(qū)不限，機(jī)械轉(zhuǎn)向靈活。（2）設(shè)計(jì)選型電源、電機(jī)、傳感器、STM32控制器板等電路模塊，完成方案設(shè)計(jì)和電路圖繪制。（3）設(shè)計(jì)功能函數(shù)和軟件流程圖。2方案設(shè)計(jì)及選型2.1總體方案選擇基于對(duì)小車循跡準(zhǔn)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(shè)計(jì)報(bào)告的實(shí)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(shí)間長(zhǎng)短以及小車的靈活性，我么們選擇了由倆個(gè)電機(jī)與一個(gè)萬向輪組成的倆驅(qū)小車。車架使用市面上的合成簡(jiǎn)易車架。2.3器件選型（1）循跡模塊選型方案一：采用紅外對(duì)管對(duì)黑帶進(jìn)行高頻率掃描，并將掃描結(jié)果串行輸出，用斯密特觸發(fā)器對(duì)波形整形后，將數(shù)據(jù)送入STM32進(jìn)行分析判斷。優(yōu)點(diǎn)：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(jiǎn)潔。缺點(diǎn)：信息處理速度相對(duì)于并行輸出慢，相鄰紅外會(huì)產(chǎn)生干擾。方案二：采用多路反射型的光電傳感器TCRT5000對(duì)地面進(jìn)行檢測(cè)，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(diǎn)：信息處理速度快，相鄰傳感器不會(huì)相互干擾，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：占用STM32的I/O較多，連線相對(duì)繁瑣。方案選擇：考慮到小車對(duì)信息的采集速度及檢測(cè)的準(zhǔn)確性，我們最終選用了方案二。（2）驅(qū)動(dòng)及電機(jī)選擇①驅(qū)動(dòng)選擇：由于L298N驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：a.可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)；b.啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；c.可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)；所以我們最終選擇了L298N驅(qū)動(dòng)。②電機(jī)選擇：直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，速度快，功耗低，又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是用電池供電，所以我們最終選擇了6V的直流減速電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1循跡模塊接口電路設(shè)計(jì)小車在白色地面行駛時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號(hào)被反射，接收管接收到信號(hào)后，輸出端為低電平。紅外傳感器的三個(gè)輸出端口分別與控制模塊的PA4-PA6依次相連，而當(dāng)紅外信號(hào)遇到黑色導(dǎo)軌時(shí)，紅外信號(hào)被吸收，接收管不能接收到信號(hào)，輸出端為高電平。單片機(jī)通過采集每個(gè)紅外接收管的輸出信號(hào)，便可以檢測(cè)出所處位置，從而控制小車的轉(zhuǎn)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(cè)更加準(zhǔn)確，我們用了紅外避障傳感器檢測(cè)黑線，其中一只放在黑線上方其余2只對(duì)稱分布在黑線的兩側(cè)。循跡模塊實(shí)物如圖3-1所示：圖3-1紅外避障模塊傳感器實(shí)物圖圖3-2循跡模塊原理圖3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口電路設(shè)計(jì)對(duì)于小車車輪的兩個(gè)直流電機(jī)，我們采用了一片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。STM32為芯片提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，傳至PWM控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整小車的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向。其實(shí)物模塊如圖3-2所示。其中左前電機(jī)：PB12（方向）+PA8（PWM），右前電機(jī)：PB13（方向）+PA9（PWM）。圖3-3電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物模塊圖圖3-4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖3.3電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用的是6V電池供電，因?yàn)橹骺匦酒约捌溆嗄K均采用的3.3V供電，直流減速電機(jī)采用6V供電，傳感器采用5V供電，其實(shí)物圖如3-3所示。圖3-5電源模塊實(shí)物圖3.4STM32小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了一片STM32單片機(jī)為控制核心。通過循跡模塊、驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、自動(dòng)循跡的任務(wù)。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(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)當(dāng)開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，然后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。使小車沿黑線行進(jìn)，并且在小車偏離軌道后自動(dòng)調(diào)整走向使之返回預(yù)定路線。該模塊的具體設(shè)計(jì)流程框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖4.2功能函數(shù)設(shè)計(jì)（1）方向判斷由if..elseif函數(shù)書寫；（2）用定時(shí)器來生成PWM的占空比；（3）定時(shí)器初始化函數(shù)Tim1_Init()；5系統(tǒng)測(cè)試（1）測(cè)試儀器：示波器，電源，萬用表。測(cè)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(cè)，先逐個(gè)模塊測(cè)試再整體調(diào)試的辦法。（2）循跡模塊測(cè)試連接好電路，調(diào)好靈敏度，然后用萬用表分別測(cè)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(cè)量光電傳感器編號(hào)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(yùn)行速度測(cè)試表5-2占空比與小車運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)表占空比前進(jìn)速度（cm/s）后退（cm/s）20%0050%30.530.370%36.736.5100%45.945.76結(jié)束語首先謝謝老師對(duì)我門的指導(dǎo)，謝謝同學(xué)給我們的幫助。在以后的學(xué)習(xí)工作中，我們一定會(huì)將今天所學(xué)習(xí)到的知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。當(dāng)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(dǎo)致我們的小車出現(xiàn)那好多問題?？傊覀兊脑O(shè)計(jì)還有很大的提升空間。本次設(shè)計(jì)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(xì)是我們的進(jìn)程有了延誤。這使我們經(jīng)歷了一個(gè)設(shè)計(jì)從方案提出到確定，到最后的調(diào)試出實(shí)物，看到效果。在這個(gè)過程中收獲巨大。通過競(jìng)賽，我們提高了自學(xué)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，并進(jìn)一步提高了對(duì)本專業(yè)的興趣。本次競(jìng)賽對(duì)自己的信心也有很大提高，在以后的學(xué)習(xí)中，我們會(huì)再接再厲。

參考文獻(xiàn)[1]劉軍，張洋.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013-05-01[2]李亞巨，樊東.基于stm32f103zet6的智能小車的制作[J].電子制作，2013-11[3]李婕.基于STM32的智能小車的制無線視頻監(jiān)控智能小車設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)出版社，2014-4[4]劉火良，楊森.電子與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)叢書.機(jī)械工業(yè)出版社，2017-2[5]蔣建春，曾素華.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用.高等教育出版社，2014-01-01[6]劉彥文.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2017-02-01[7]譚會(huì)生.ARM嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)，西安電子科技大學(xué)出版社，2017-02-01

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(shí)器初始化函數(shù),設(shè)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(jìn)8s } elseif(LeftSensor()==0&&MidSensor()==0&&RightSensor()==0) { Motor1234(80,80,80,80); //Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4);//前進(jìn)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(jìn)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(jìn)8s } elseif(LeftSensor()==1&&MidSensor()