基于STM32控制的自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車(chē)

1、湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院STM32控制自動(dòng)往返小汽車(chē)設(shè)計(jì)報(bào)告 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 二班 姓 名： 曾有根 學(xué) 號(hào)： 0904030218 指導(dǎo)教師： 羅 朝 輝 自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車(chē) 本設(shè)計(jì)民用STM32作為自動(dòng)往返小汽車(chē)的檢測(cè)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(chē)載控制系統(tǒng)。路面黑線(xiàn)檢測(cè)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(chē)在限速和壓線(xiàn)過(guò)程中的精確控制。電動(dòng)小汽車(chē)能夠根據(jù)題目要求在直線(xiàn)方向上完成調(diào)速、急剎車(chē)、停車(chē)、倒車(chē)返回等各種運(yùn)動(dòng)形式；這輛小車(chē)還可以

2、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(guò)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(guò)模糊控制和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，提高了對(duì)車(chē)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(wú)法滿(mǎn)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(duì)

3、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(guò)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(chē)電子、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械、玩具等領(lǐng)域?；贑ortex-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(mǎn)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?xún)r(jià)比以及令人意外的功耗水準(zhǔn)，使其自面世以來(lái)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

4、的平臺(tái)。因此將STM32F103應(yīng)用于智能小車(chē)的控制系統(tǒng)是一種較好的選擇?；诖?，本文提出了一個(gè)比較合理的智能小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。整個(gè)小車(chē)系統(tǒng)以STM32F103芯片為控制核心，附以外圍電路，利用紅外探測(cè)器、觸角傳感器采集外界信息和檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)識(shí)別路線(xiàn)按跡行走、躲避障礙物，并且通過(guò)LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示小車(chē)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(guò)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

5、、黑線(xiàn)檢測(cè)模塊、測(cè)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(xiàn)檢測(cè)模塊測(cè)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)動(dòng)，黑線(xiàn)的檢測(cè)以及相關(guān)信息的顯示。對(duì)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(mǎn)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(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)

6、計(jì)，有利于智能小車(chē)的功能擴(kuò)展和升級(jí)。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(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)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(jiǎn)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

7、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(duì)直流電機(jī)具有良好的驅(qū)動(dòng)控制能力，故這里選擇方案三。3、 路面黑線(xiàn)檢測(cè)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(lái)控制信號(hào)。由于外界光亮條件不定，一旦光線(xiàn)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(xiàn)控制的反射式紅外對(duì)管。紅外對(duì)管只對(duì)紅外線(xiàn)具有較高靈敏度，從而避免了外界光線(xiàn)的干擾；跑道黑帶能夠吸收紅外線(xiàn)，而白色跑道能夠反射紅外線(xiàn)，從而檢測(cè)到跑道黑帶。方案選擇

8、：光敏電阻的易干擾性和紅外對(duì)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(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，發(fā)出低電平信號(hào)。因此可以在車(chē)輪上安裝微型磁鐵，而將霍爾傳感器安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車(chē)速測(cè)量。方案二：采用檢測(cè)黑線(xiàn)的方法，每經(jīng)過(guò)一條黑線(xiàn)就增加相應(yīng)的里程數(shù)，并通過(guò)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(chē)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(pán)擴(kuò)展電路、觸角傳感電路、

9、紅外收發(fā)檢測(cè)電路等模塊。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)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STM32F103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1.3 STM32F103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(duì)部分電路設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要說(shuō)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

10、C109構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘電路。HSE晶體可以通過(guò)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)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(guò)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(shuō)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)

11、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(guò)設(shè)置BOOT1和BOOT0引腳的狀態(tài)，來(lái)選擇在復(fù)位后的啟動(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(cè)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5

12、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2.4為KA7805芯片引腳接線(xiàn)圖。圖2.4 KA7805引腳接線(xiàn)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2.5 所示。圖2.5 LM1117-3.3引腳接線(xiàn)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(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過(guò)電機(jī)A和B的不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)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(duì)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(duì)照表。表2-2 I/O端口狀態(tài)與電機(jī)制

13、動(dòng)對(duì)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(cè)電路設(shè)計(jì)采用反射式光電開(kāi)關(guān)來(lái)識(shí)別軌跡上的黑線(xiàn)標(biāo)記信號(hào)，如圖3 所示。這種光電開(kāi)關(guān)的紅外發(fā)射管和接收管位于同一

14、側(cè)，光敏三極管只能接收反射回的紅外光。 當(dāng)車(chē)身下面是黑線(xiàn)時(shí)，由于黑線(xiàn)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(kāi)關(guān)輸出高電平，經(jīng)非門(mén)輸出低電平。 反之，當(dāng)車(chē)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(kāi)關(guān)輸出低電平，經(jīng)非門(mén)整形后輸出高電平。 將非門(mén)的輸出接至CPU的INT1輸入端.車(chē)在前進(jìn)和后退過(guò)程中，小車(chē)每過(guò)一道黑線(xiàn)，便產(chǎn)生一次中斷申請(qǐng)，從而調(diào)用相應(yīng)的子程序，隨著小車(chē)的不斷行駛，相應(yīng)的程序依次被調(diào)用執(zhí)行，使小車(chē)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(chē)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(yǔ)言進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)各種

15、算法和邏輯控制1 紅外光電檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)信號(hào)作為中斷源, 送入STM32中斷源EXTI_Line0; STM32 再對(duì)中斷請(qǐng)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(guò)GPIOC0、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(duì)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(cè)到黑，發(fā)光 12外 13內(nèi) if(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12) && GPIO_ReadInputData

16、Bit(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_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(GP

17、IOC, GPIO_Pin_0); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);else 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,

18、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、 后退（帶矯正）子程序void houtui() while(1) /檢測(cè)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

19、）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 if (!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_8) && !GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_9) /都亮GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPI

20、O_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4);else 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_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_1); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_0);GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_5);

21、GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_4); if(flag=12) GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_4); break; 3、 橫線(xiàn)檢測(cè)并調(diào)速程序void EXTI0_IRQHandler(void)if ( EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET ) EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);flag+;if(flag=2|flag=4) /|flag=3|flag=4 pulse = 3000; TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetComp

22、are4(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);if(flag=9) pulse = 2900;/2350 TIM_SetCompare3(TIM3,pulse);TIM_SetCompare4(TIM3,pulse);if(flag=8|flag=10) /flag=7| pulse = 3000; /2600 TIM_Se

23、tCompare3(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) pulse = 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+(row<<3),y,*s,fColor,bColor);s+;row+;elseILI9325_PutGB16x16(x+(row<<3),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