-4-陳越：基于單片機的智能小車設計基于單片機的智能小車結構設計摘要這次的課題設計是基于STM32F103微處理器智能小車的過程設計。該處理器屬于32位ARM控制器，有著低功耗，等優點。在此智能小車設計中，采用STM32F103為控制核心，用紅外傳感器檢測道路，在循跡模塊下開始黑白檢測功能，在避障模塊下進行檢測避障物避障的功能，在遙控模式下用PWM的技術來控制小車的速度及轉向讓小車進行指令的后退,左轉,右轉。所以我此次的設計思路主要是通過智能小車紅外循跡,紅外避障跟紅外遙控系統。紅外循跡探頭就是紅外循跡檢測探頭通過紅外光對于檢測的地面,地面具備反射的能力,把紅外光線從探頭中反射回檢測器紅外所接收到的二極管上面,檢測到的光信號會被轉換成無線電信號,并傳輸到單片機,單片機最終下達指令進行循跡。紅外避障探頭是由紅外避障探頭檢測到前方已經存在障礙物,會將探頭通過紅外線向檢測器反射回一根紅外接收器的二極管上,檢測到的光信號會被轉換成無線電信號,并傳輸到單片機,單片機最終下達了打指令進行避障。紅外遙控器主要是指遙控器向焊接單片機發出的紅外線,焊接好的紅外線通過接頭來直接接受光源,將紅外線的光信號以無線形式轉化成相應的電信號,并傳輸到單片機,小車隨著遙控指令而運行。關鍵字：STM32紅外避障紅外循跡PWM紅外遙控目錄第1章智能小車的概況 61.1小車概況 61.2系統結構圖 61.3總體結構圖 6第2章小車的軟硬件設計 72.1STM32F103的介紹 72.2紅外循跡模塊的介紹 82.2.1紅外循跡模塊的原理圖 92.2.2紅外循跡模塊的程序設計 92.3紅外避障模塊的介紹 102.3.1紅外避障模塊的原理圖 112.3.2紅外避障模塊的程序設計 112.4電機驅動模塊 122.4.1電機驅動模塊的原理圖 122.4.2電機驅動模塊的程序設計 122.5紅外遙控模塊 132.5.1紅外遙控模塊的原理圖 142.5.2紅外遙控模塊的程序設計 14第3章智能小車的安裝過程 153.1智能小車的主板轉接板焊接及接線 153.1.1色環電阻的識別方法 153.1.2主板轉接板的焊接 163.1.3主板的接線安裝 173.2智能小車的底板焊接及安裝 183.3智能小車循跡模塊的焊接及安裝 18第4章智能小車的軟件調試過程 194.1智能小車的程序仿真 194.2智能小車的程序下載 19第五章智能小車的測試及問題 20總結 22緒論隨著科技的發展，機器人的智能水平不斷提高，慢慢的走進人類的生活。比如在宇航、交通、軍事、電子、機械、餐飲等領域都有著機器人的身影。在人們的不斷研發和探索中，有些人想要機器人來代替人類的工作等方面。雖然存在著爭議，但是目前看來利大于弊。由于人們對智能化本質認識的加深，機器人技術也越來越完善。人們創造了各式各樣的具有感知、行動、決策和交互能力的機器人，智能小車就是其中的代表之一。智能小車研究于20世紀50年代，美國公司研發出的世界上第一臺自動引導車輛系統。它利用傳感器采集信號，將采集到的信號轉換成電信號傳輸給單片機，通過單片機編程控制汽車進行響應。智能汽車是典型的高科技綜合體，是集規劃決策、環境感知、自動駕駛等功能于一體的綜合系統，它集中運用計算機、信息、通信、傳感、導航和自動控制等技術。通過構建智能小車系統，培養設計能力。在實踐過程中，學會以單片機為控制核心，設計小車的驅動、檢測和外部電路，靈活的運用在學校中學到的自動化等相關的知識，與實際電路設計相聯系，實現理想與實踐的統一。本次智能小車設計采用STM32F103為控制核心，用紅外傳感器檢測道路，在循跡模式下進行黑白檢測，在避障模式下進行檢測避障物避障，在遙控模式下用PWM的技術來控制小車的速度及轉向讓小車進行前進、后退、左轉、右轉的指令。

第1章智能小車的概況1.1小車概況智能小車的核心是采用了大容量64腳STM32F103RCT16ARM芯片，主板尺寸管腳完全兼容ArduinoUnoR3主板，主板使用了USB一鍵下載，無需BooT跳線選擇。增加了電壓自保護防止燒壞PC端USB接口，增加了專業的電源去干擾芯片，穩定可靠。支持STLINKV2仿真器進行下載和仿真程序，擴展出大部分的IO口，完全可以單獨作為開發板使用，擴展出AD模擬信號端口等模塊。1.2系統結構圖傳感器傳感器采樣STM32主控電路電路傳感器電路電機驅動電路系統將傳感器信號送入STM32F103單片機，傳感器傳感器采樣STM32主控電路電路傳感器電路電機驅動電路1.3總體結構圖智能小車有自動循跡、障礙物探測，自動避障、紅外遙控等性能，由紅外傳感器、可見光傳感器、電機驅動、紅外接收器等部分組成。CPUCPUSTM32紅外傳感器可見光傳感器電機驅動紅外接收器第2章小車的軟硬件設計2.1STM32F103的介紹STM32是由意法半導體集團開發的嵌入式單片機。并且已經推出了多種系列，如：STM32基本型系列、增強型系列、USB基本型系列、互補型系列。增強型系列具有72MHz處理頻率。STM32F1有著ARM公司的高性能內核，一流的外設、低功耗、最大的集成度、簡單的結構和易用的工具等特點。STM32F103內核有ARM32位CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。硬件除法和單周期乘法。集成32-512KB的Flash存儲器，6-64KB的SRAM存儲器。時鐘復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。上電復位（POR）、掉電復位和可編程的電壓檢測器。4-16MHz的晶振。內部40kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：休眠、停止、待機三種低功耗模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調試模式：串行調試和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外設：定時器、ADC、DAC、SPI，IIC和UART。3個12位的US級A/D轉換器（16通道）：A/D測量范圍：0-3.6V。雙采樣和保持能力。2.1.1STM32系統電路設計STM32的系統電路主要由主芯片、時鐘電路、上電復位電路、串口下載電路、啟動模式電路等電路組成。STM32的主芯片原理圖如下圖所示：時鐘電路就是產生像時鐘一樣精準運動的振蕩電路。任何工作都必須安照時間順序來進行，用于產生這個時間的電路叫時鐘電路。STM32有五個時鐘源，分別為HIS高速內部時鐘、HSE高速外部時鐘、LSI低速內部時鐘、LSE低速外部時鐘、PLL為鎖相環倍頻輸出。該時鐘采用的是HIS高速內部時鐘，RC振蕩器，頻率為8MHz。時鐘電路的設計如下圖所示：上電復位電路上電復位電路在系統上電時提供復位脈沖，讓單片機處于復位狀態，以保證單片機的電源電路、時鐘電路等工作穩定后，再讓單片機開始正常工作。STM32的復位引腳低電平有效，當按鈕懸空時，RST輸入為高電平，當按鈕按下時，RST輸入為低電平，從而電路復位。如下圖所示：串口下載電路STM32開發板運用的是USB轉串口驅動芯片CH340，需要在電腦上安裝USB轉串口驅動-CH340版本。電路圖如下圖所示：啟動模式電路STM32的芯片上有著兩個管腳BOOT0和B00T1，這兩個管腳在芯片復位時的電平狀態決定了芯片復位后從哪個區域開始執行程序，如下表：啟動模式的原理圖如下：2.2紅外循跡模塊的介紹小車的循跡系統是通過安裝循跡模塊，利用信號的發出跟接收，不同顏色的障礙物對紅外光的反射能力不同，黑色對紅外光的反射能力最弱，白色對紅外光的反射能力最強。所以為了更好地實現小車的循跡，一般采用在白色瓷磚上貼上黑色膠帶，這樣小車向前發射紅外光，光線遇到白色會出現漫反射現象，安裝接收管的小車會第一時間接收到漫反射；紅外光先遇到黑色會被吸收，小車不會接收到任何信號。為了加強小車在運行過程中的信號檢測，運用高低電平的操作方式，通過LM393來實現，紅外線發射到白色地面會反射回紅外接收二極管上，這時二極管導通，會輸出低電平到LM393上的同相端，比較器會輸出低電平到單片機上，紅外線發射到黑色軌跡線上時會被吸收，紅外二極管接收不到任何信號，這時二極管截止，輸出高電平到LM393上的同相端，比較器會輸出高電平到單片機上，單片機會將信息處理后控制電機驅動模塊執行相應的動作，從而實現小車的自動循跡模式。2.2.1紅外循跡模塊的原理圖 2.2.2紅外循跡模塊的程序設計 charctrl_comm=COMM_STOP//控制指令charctrl_comm_last=COMM_STOP//上一個指令voidIRSearchInit(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=SEARCH_R_PIN//配置使能GPIO管腳GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU//配置GPIO模式，輸入上位GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz//配置GPIO端口速度GPIO_Init(SEARCH_R_GPIO,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=SEARCH_L_PIN //配置使能GPIO管腳GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU//配置GPIO模式，輸入上位 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz//配置GPIO端口速度 GPIO_Init(SEARCH_L_GPIO,&GPIO_InitStructure);}voidSearchRun(void){ if(SEARCH_L_IO==WHITE_AREA&&SEARCH_R_IO==WHITE_AREA) ctrl_comm=COMM_UP; elseif(SEARCH_L_IO==BLACK_AREA&&SEARCH_R_IO==WHITE_AREA) ctrl_comm=COMM_LEFT; elseif(SEARCH_R_IO==BLACK_AREA&SEARCH_L_IO==WHITE_AREA) ctrl_comm=COMM_RIGHT; elsectrl_comm=COMM_STOP; if(ctrl_comm_last!=ctrl_comm) { ctrl_comm_last=ctrl_comm; switch(ctrl_comm) { caseCOMM_UP:ZYSTM32_run(50,10);break; caseCOMM_DOWN:ZYSTM32_back(50,10);break; caseCOMM_LEFT:ZYSTM32_Left(50,10);break; caseCOMM_RIGHT:ZYSTM32_Right(50,10);break; caseCOMM_STOP:ZYSTM32_brake(10);break; default:break; }} }2.3紅外避障模塊的介紹紅外循跡的原理是通過LM393電壓比較芯片上的2腳來比較參考電壓，當電壓大于它本身的時候輸出電平。紅外發射管一直發出紅外線，當小車的左前方有障礙物時，紅外二極管接收到光信號，其電阻降低，檢測到的光信號轉化為電信號，經過發射反應，由1腳輸出低電平，單片機控制小車右轉，避開左前方的障礙物；當小車的右前方有障礙物時，紅外二極管接收到反射回來的信號，其電阻降低，檢測到的光信號轉化為電信號，經過發射反應，由1腳輸出低電平，單片機下達命令，驅動電機控制小車左轉來避開右方的障礙物。2.3.1紅外避障模塊的原理圖 2.3.2紅外避障模塊的程序設計 voidZYSTM32_run(intspeed,inttime);voidZYSTM32_brake(inttime);voidZYSTM32_Left(intspeed,inttime);voidZYSTM32_Spin_Left(intspeed,inttime);voidZYSTM32_Right(intspeed,inttime);voidZYSTM32_Spin_Right(intspeed,inttime);voidZYSTM32_back(intspeed,inttime);intmain(void){ delay_init(); KEY_Init(); IRSearchInit(); IRAvoidInit(); TIM4_PWM_Init(7199,0);ZYSTM32_brake(500); keysacn(); while(1) { AVoidRun(); }}2.4電機驅動模塊智能小車是由四個車輪來驅動運行的，前兩個車輪是驅動輪，后兩個小車是萬向輪，簡單的來說，前兩個車輪是由電機來驅動的，后兩個就是支撐輔助的作用。由于直流減速電機功率較小，將采用L293D芯片供電機驅動使用。當L293D的引腳EN1為1，IN為1，IN2為0，電機正傳；當L293D的引腳EN1為1，IN1為0，IN2為1，電機正轉。小車的運行狀態：當左電機正轉，右電機正轉時，小車前進；當左電機反轉，右電機正轉時，小車左轉；當左電機正轉，右電機反轉時，小車右轉；當左電機反轉，右電機反轉時，小車后退。2.4.1電機驅動模塊的原理圖 2.4.2電機驅動模塊的程序設計 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=LEFT_MOTOR_GO;//左電機方向控制 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(LEFT_MOTOR_GO_GPIO,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=LEFT_MOTOR_PWM;//左電機PWM控制 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; //復用輸出 GPIO_Init(LEFT_MOTOR_PWM_GPIO,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=RIGHT_MOTOR_GO;//右電機方向控制 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(RIGHT_MOTOR_GPIO,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=RIGHT_MOTOR_PWM;//右電機方向控制 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init(RIGHT_MOTOR_PWM_GPIO,&GPIO_InitStructure);2.5紅外遙控模塊紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，又稱紅外熱輻射。也可當作傳輸介質。紅外線的波長0.75～1000μm。紅外線按照波長長度可分為三部分:近紅外線、中紅外線、遠紅外線。近紅外線波長（0.75-1）～（2.5-3）μm，中紅外線波長（2.5-3）～（25-40）μm，遠紅外線波長（25-40）～1500μm。近紅外光線可以作為遙控光源，通過安裝紅外接收裝置來實現按照。在近紅外光線波的范圍內，兩者的光譜重合度很高，能夠更好的匹配，獲得較好的匹配性跟可靠性。定義遙控器的方向鍵是通過編譯遙控器上對應的碼值，在遙控程序中進行相應的編輯。將遙控器的音量鍵-改為向左，音量鍵+改為暫停，快進鍵改為向右，節目＋改為后退，CH鍵改為前進。2.5.1紅外遙控模塊的原理圖 2.5.2紅外遙控模塊的程序設計voidZYSTM32_run(signedcharspeed,inttime){ signedcharf_speed=-speed; SetMotorSpeed(1,f_speed);SetMotorSpeed(0,speed);delay_ms(time);}voidZYSTM32_brake(inttime){ SetMotorSpeed(1,0);SetMotorSpeed(0,0); RIGHT_MOTOR_GO_RESET; LEFT_MOTOR_GO_RESET; delay_ms(time);}voidZYSTM32_Left(signedcharspeed,inttime){ SetMotorSpeed(1,0);SetMotorSpeed(0,speed); delay_ms(time);}voidZYSTM32_Spin_Left(signedcharspeed,inttime){ SetMotorSpeed(1,speed);SetMotorSpeed(0,speed); delay_ms(time);}voidZYSTM32_Right(signedcharspeed,inttime){ signedcharf_speed=-speed; SetMotorSpeed(1,f_speed);SetMotorSpeed(0,0);delay_ms(time);}voidZYSTM32_Spin_Right(signedcharspeed,inttime){ signedcharf_speed=-speed; SetMotorSpeed(1,f_speed);SetMotorSpeed(0,f_speed); delay_ms(time);}voidZYSTM32_back(signedcharspeed,inttime){ signedcharf_speed=-speed; SetMotorSpeed(1,speed);SetMotorSpeed(0,f_speed);delay_ms(time);}第3章智能小車的安裝過程3.1智能小車的主板轉接板焊接及接線3.1.1色環電阻的識別方法 在焊接電路板的時候，我們一般先從小的器件開始焊接，小的器件焊接完之后，大的器件就會很容易被焊接。首先我們先從電阻焊接，電阻采用的是四環電阻。何為四環電阻？就是一個電阻上有四種顏色的環，顏色不同阻值不同。色環電阻中又區分于兩種：帶金色的環和帶銀色的環。在讀阻值時，我們將金色環或者銀色環放置最右邊，然后從左到右依次讀取：第一環代表數值的第一位，第二環代表數值的第二位，第三環代表數值的第三位，第四環代表電阻值的誤差值。電阻數值讀取如下表：3.1.2主板轉接板的焊接識別好了四環電阻，接下來就是焊接過程，電路板上會有阻值的提醒，所以我們識別出阻值后一一對應進行焊接，在焊接的時候我們會發現如果一邊沒有固定好，再在焊接的時候就會松動，所以我用膠布固定一邊，這樣更加方便焊接。焊接完之后，再用剪刀把多余的廣角減掉。焊接完色環電阻之后，開始焊接蜂鳴器，蜂鳴器有一長一短兩端，長接正短接負；同樣發光二極管也是長腳為正級，短腳為負極，焊接完成之后，開始焊接瓷片電容，瓷片電容是沒有級性的，直接焊接就行了。然后就是紅外接收頭的焊接，紅外接后頭有三根長腳，突出部分朝外就行了，然后就是按鍵的焊接，緊接著就是撥動開關又稱電源開關，下面就是焊接穩壓芯片7805，因為小車是由鋰電池供電，裝此芯片是為了穩壓。焊接IN5619電阻也是有講究的，黑色部分是正級，銀色一邊的是負極。電解電容的焊接也是有級性的，長腳為正級，短腳為負極。接線座子的焊接也是要注意的，因為本身有著缺口朝外，要是焊接錯了，會影響后面的接線。后面是對轉接排針的焊接，這個焊接特別重要，要求也十分的嚴格，千萬不能焊接歪了，在焊接的時候也是要非常的注意。焊錫也不能留下太多，否則影響插排，焊接廣角的時候要焊正，可以先焊接一個，調正之后焊接剩下的。所有焊接完之后，就是安裝驅動芯片L293D，安裝的時候要注意廣角是不是歪了。安裝好之后對接板對接成功就完成了。3.1.3主板的接線安裝 首先是電池盒的安裝，將螺絲先裝到電池盒上，然后對準小車對應孔位，背面上螺絲進行緊固。裝好電池盒之后，接下來就是安裝主板，先從背面插好螺絲，正面上銅螺柱緊固，主板對應相應的孔位上螺絲，同樣螺絲也是有講究的。有盤頭螺絲跟沉頭螺絲，但是主板上用的是盤頭螺絲，沉頭螺絲因為空間小，會有阻礙到排母，所以采用盤頭螺絲。主板安裝好之后，插上轉接板，然后將電機上的線，接上轉接板，左邊的電機線接左邊的接線座，右邊的電機線接右邊的接線座，電池盒的線接剩下的接線座，最后將傳感器線插好。3.2智能小車的底板焊接及安裝 通過之前識別的色環電阻，我們開始焊接地板上的電阻，一一焊接好之后，就開始焊接跳線，可以利用剪下電阻的廣角焊接形成短路，使不通的電路導通，接下來就是紅外發射二極管、紅外接收二極管的焊接，要注意二極管的朝，以及要彎曲到底，左邊為正極右邊為負極安裝。后面就是焊接4P排針，對照孔位安裝后焊接，然后就是IC座的焊接，裝在LM393下面，紅外發光二極管的焊接同上面的接收管一樣，左邊接正極，右邊接負極。彎排針的焊接要特別注意，短的一頭放底板上面，一個一個焊接，不能焊短路了或者虛焊。這些焊接完之后，就是小車底板的安裝過程，首先安裝電機固定片，一邊上螺絲一邊上螺母，用螺絲刀緊固之后，將另一邊按照相同的方法安裝一遍，然后裝上連接桿，兩邊裝上墊圈，然后裝上那個輪子，用另一個墊圈去抵住緊固。輪子安裝好之后就是電機的安裝，在安裝電機之前，要焊接電機上的正負極線，紅線接電機的上方，黑線接電機的下方，焊接好之后，用兩個電機固定片固定好之后，開始上螺絲螺母緊固。先從上面的開始固定，然后固定下面的固定片，特別注意電機的安放位置有沒有安措，防止線位裝反。最后給小車電機裝上輪子，套上防滑墊，小車底盤焊接安裝完成。3.3智能小車循跡模塊的焊接及安裝 下面是智能小車的循跡模塊的安裝，在裝循跡模塊的時候，要注意一些細節，黑色的是接收二極管，白色是發射二極管，黑色是R，白色是T，識別好了之后就是安裝循跡模塊，一邊裝上銅螺柱一邊裝上螺母，用盤頭螺絲緊固在小車底板。第4章智能小車的軟件調試過程4.1智能小車的程序仿真 先從網頁中下載keil軟件，然后根據教程安裝好軟件。打開keil軟件，需要進行注冊，打開Feil-LicenseManagemengt,通過網絡上的注冊信息，對其進行注冊，這時會發現該軟件的注冊到期時間，在這段時間內都可以進行編程，然后我們就可以進行編寫程序。編程的時候分開編寫，不同模塊的功能區分開，先寫循跡模塊，然后寫避障模塊，緊接著電機模塊，最后遙控模塊這四部分。編程好之后，對其進行編譯，看是否有錯誤，沒有錯誤的話就會形成HEX文件。4.2智能小車的程序下載 首先安裝一個下載的驅動，將USP連接到主控板上面，然后打開電腦上的設備管理器，找到連接的串口號，然后打開驅動軟件，選擇對應的串口，bps選擇25600，然后選擇之前形成的HEX文件，下方選擇DTI的低電平復位，然后開始編程下載，直到提示下載成功。智能小車的程序下載成功。第五章智能小車的測試及問題經過對智能小車的測試，發現了以下幾種問題及解決方法：問題一：智能小車