自動循跡小車課程設(shè)計

1、課程報告課程名稱：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用項目名稱：自動循跡小車院 系：理學(xué)院專 業(yè)：自動化 1401學(xué) 號：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I摘要本次課程設(shè)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(shè)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(shù)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

2、軌跡的任務(wù)。關(guān)鍵字：STM32；紅外探測；PWM；電機控制IAbstractThis course design mainly completes the system design of intelligent car control system based on STM32F103 microprocessor. The composition of this intelligent car system mainly includes STM32F103 controller, motor drive circuit, infrared detection circuit. This

3、test uses STM32F103 microprocessor as the core chip, the use of PWM technology to control the speed, tracking module for black and white detection, other peripheral expansion circuit to achieve the overall function of the system. To achieve the smart car can automatically track the black track on th

4、e ground task.Keywords：STM32；infrared detection；PWM；motor controlII目錄1 設(shè)計任務(wù)要求.12 方案設(shè)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(shè)計.23.1 循跡模塊接口電路設(shè)計 .23.2 電機驅(qū)動模塊接口電路設(shè)計 .33.3 電源設(shè)計 .43.4 STM32 小系統(tǒng).54 系統(tǒng)軟件設(shè)計.64.1 主程序設(shè)計 .64.2 功能函數(shù)設(shè)計 .65 系統(tǒng)測試.66 結(jié)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 .1101 設(shè)計任務(wù)

5、要求 本設(shè)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(shè)計搭建小車結(jié)構(gòu)框架，兩驅(qū)或四驅(qū)不限，機械轉(zhuǎn)向靈活。（2）設(shè)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(shè)計和電路圖繪制。（3）設(shè)計功能函數(shù)和軟件流程圖。2 方案設(shè)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：STM32L298N左側(cè)電機右右側(cè)側(cè)電電機機信信號號處處理理三三對對紅紅外外發(fā)發(fā)收收對對管管圖 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

6、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。12.3 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(jié)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

7、，結(jié)構(gòu)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 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(zhuǎn)； b.啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)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。 電機選擇：直流減速電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，速度快，功耗低，又因為本設(shè)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(shè)計3.1 循跡模塊接口電路設(shè)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

8、。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(dǎo)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(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2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(cè)。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

9、驅(qū)動模塊接口電路設(shè)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)3動。STM32 為芯片提供驅(qū)動信號，傳至 PWM 控制各個電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整小車的前進速度和轉(zhuǎn)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(shè)計本設(shè)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。4圖 3-5 電源模塊實物圖3.

10、4 STM32 小系統(tǒng)本設(shè)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(yīng)用，實現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、自動循跡的任務(wù)。其原理圖如圖 3-4 所示：圖 3-6 主控制模塊原理圖54 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計當開機時，系統(tǒng)復(fù)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(yù)定路線。該模塊的具體設(shè)計流程框圖如圖 4-1 所示。開開始始讀讀入入模模式式狀狀態(tài)態(tài)黑黑線線在在中中間間嗎嗎？直直行行控控制制左左右右電電機機按按循循跡跡判判斷斷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向是是否否圖 4-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖4.2 功能函數(shù)設(shè)計（1）方向判斷由 if.else if 函數(shù)

11、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 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6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白線（V）4.834.81483487光電傳感器接收端電壓(V)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(yīng)表占空比前進

12、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，我們一定會將今天所學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)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(dǎo)致我們的小車出現(xiàn)那好多問題?？傊?，我們的設(shè)計還有很大的提升空間。本次設(shè)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(shè)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(xué)能力以及團

13、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(xué)習(xí)中，我們會再接再厲。7參考文獻1 劉軍，張洋.原子教你玩 STM32M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013-05-012 李亞巨，樊東.基于 stm32f103zet6 的智能小車的制作J.電子制作，2013-113 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D.蘭州：蘭州理工大學(xué)出版社，2014-44 劉火良，楊森.電子與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計叢書.機械工業(yè)出版社，2017-25 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

14、系統(tǒng)原理及應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2017-02-017 譚會生.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，2017-02-018附錄一：附錄一：系統(tǒng)總體電路圖系統(tǒng)總體電路圖 VCC3GND1P2TCRT1TCRT500VCC3GND1P2TCRT2TCRT500VCC3GND1P2TCRT3TCRT500PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB1PB12PB13PB14PA15PA8PA9PA10PA11U1STM32IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U1L29

15、83.3V6V光光電電傳傳感感器器光光電電傳傳感感器器光光電電傳傳感感器器前前左左電電機機前前右右電電機機電電機機驅(qū)驅(qū)動動9附錄二：部分程序附錄二：部分程序int main(void)BSP_Init();/系統(tǒng)初始化SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK); SysTick_Config(72000); /1ms 延時,72000/72000000Hz=1msTim1_Init();/定時器初始化函數(shù),設(shè)定 PWM 頻率 5kHzwhile(1)if(LeftSensor()=0&MidSensor()=1&RightSe

16、nsor()=0)/只有 中間光電 在黑線上 Motor1234(80,80,80,80);/Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4); /前進 8selse if(LeftSensor()=0&MidSensor()=0&RightSensor()=0)Motor1234(80,80,80,80);/Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4); /前進 8selse if(LeftSensor()=1&MidSensor()=0&RightSensor()=0)/左邊遇見黑線Motor1234(-100,100,-100,100);/Motor1234(-duty1,duty2,-duty3,duty4); /前進 8selse if(LeftSensor()=0&MidSensor()=0&RightSensor()=1)/右邊遇見黑線Motor1234(100,-100