遥控智能小车(课程设计)

1、 嵌入式系统原理 课程设计说明书题 目： 遥控智能小车 院 （系）： 信息与电气工程学院 专业班级： 通信二班 学生姓名： 周波 学 号： 指导教师： 罗朝辉 嵌入式系统原理 课程设计任务书一、设计题目遥控智能小车二、设计主要内容（1） 广泛查找文献资料，认真研究，反复论证，精心设计技术方案。（2） 较为深入的掌握ARM处理器的体系结构、指令系统、编程方法，初步了解ARM应用系统的软硬件开发方法及手段，较熟练地掌握ARM处理器几种重要的片内外设（定时器、PLL、I2C、RTC等）的基本原理及编程方法，初步掌握ARM处理器外围电路的扩展方法。（3） 在现有车模的基础上，以嵌入式ARM微处理器构成

2、小车控制核心，同时加装声光电、红外线、超声波传感器、LED显示等外围设备，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至处理器进行处理，然后由处理器根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制；（4） 设计的智能小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。并有相应的声光电设备发出相关的提示或警示信息。（5） 遥控方式可自选，系统通过遥控器可以控制小车的行驶方向、速度、起停等运行状态，要求要达到一定的控制精度、距离及范围,小车行驶速度应达到3m/s以上。三、原始资料硬件资源：四驱小车车模、STM32系统板、用于ARM处理器的JT

3、AG仿真器、PC机Pentium100以上。设计指导书：STM32系统板配套光盘四、要求的设计成果（1）在现有车模的基础上，以嵌入式ARM微处理器构成小车控制核心，同时加装声光电、红外线、超声波传感器、LED显示等外围设备，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至处理器进行处理，然后由处理器根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。（2）撰写课程设计说明书，要求简洁、通顺，格式规范，设计方案正确，实现技术路线明确，论述内容完整、清楚、规范，数据、资料真实可靠，软件程序运行良好。（3）要求有完整的电路设计原理图及软件源代码。五、进程安排（1）第 1 天：任务布置及相关知识

4、讲解（2）第2-3天：资料查阅与方案制定（3）第4-8天：硬件设计、程序编制与调试阶段（4）第 9 天：撰写设计报告六、主要参考资料1 田泽. 嵌入式系统开发与应用实验教程. 北京航空航天工业大学出版社，2005.2 郭荣佐，王霖. 嵌入式系统原理.北京航空航天大学出版社，.2008.3 周根林.嵌入式系统原理与应用.南京大学出版社, 2006.4 谭浩强. C语言程序设计（第2版）.清华大学出版社，20085 丁峰. ARM系统开发从实践到提高. 中国电力出版社，2007.6 游雨云. 单片机PWM信号控制智能小车的实现方法.技术与市场, 2009,（12）7 袁新娜，余红英，超声波传感器在

5、智能小车避障系统中的应用. 大众商务教育版（民办教育研究），2009，(8)指导教师（签名）： 20 年 月 日目 录1. 总体思想12. 电机驱动22.1 简介22.2 具体实现22.3 功能函数设计23 遥控系统63.1 遥控器简介63.2 接收探头与解码73.3 红外控制 74. 超声波 114.1 简介114.2 超声波测距具体实现114.3 超声波程序设计125. 红外寻迹135.1 反射式红外传感器135.2 具体实现方法145.3 寻迹程序设计146. 总结151.总体思想图 1.1 设计全局图本次课程设计，我们小组采用stm32作为主控芯片，L298N模块作为电机驱动芯片。在小

6、车车头放置三个反射式红外传感器，由于红外光易于被黑线吸收，利用这个原理，来检测黑线，当检测到黑线时，发射出去的红外光被吸收，红外传感器接受不到反射信号，通过输出信号反馈给STM32，产生中断，作出相应的调整，详细介绍见下文第12页。车头部分采用一个US-100超声波模块，用于检测前方障碍物，我们小组设置的安全距离为25cm，当小车与前方障碍之间的距离小于25cm时，小车蜂鸣器报警，stm32控制电机，作出相应的调整。关于超声波工作详情，请见下文第11页。小车尾部安装一枚HS0038红外接收探头，配合一块遥控器，实现遥控小车的功能。我们小组选用的遥控器编码为NEC协议。红外遥控功能详情，请见下文

7、第7页。我们在小车的车身上放置一块3.2寸TFT液晶显示器。用于显示时间，车速。车速通过霍尔元件测得。2.电机驱动2.1简介电机运转需要大电流，而stm32驱动能力达不到电机正常运转的要求，故我们小组采用L298N模块驱动电机，L298N拥有4个输入端口，由stm32直接输入，4个输出端，可以驱动两个直流电机。stm32输出端口的电平变换，可以控制电机的方向。PWM脉宽调制信号，可以控制电机的转速。实现加速减速的功能。2.2 具体实现通过stm32的PA0，PA1，根据TIM2产生的不同占空比的PWM波，控制电机的速度，以及正反转。PA3，PA4控制小车前轮，前轮采用舵机控制，在转向方面，不能

8、大幅度转弯，所以，在小车转弯上，我们采用转一段时间，然后倒退一段距离，然后再转，如此反复几次。通过这种方式实现小车的900C转弯。2.3 功能函数设计1.void Front() GPIOD->BRR = 0X03; GPIOA_Conf(); /配置A端口 GPIOA->BRR = 0x0f;GPIOA->BSRR = 0X01;调用这个函数，实现小车全速向前形式。PD端口的D0，D1位，是控制小车后面两个尾灯。当小车前进时，尾灯关闭。2.void Back() GPIOD->BSRR = 0x03;GPIOA_Conf();GPIOA->BRR = 0x0f;

9、GPIOA->BSRR = 0X02;调用这个函数，实现小车全速后退。同时开启车身后面的尾灯。 3 . void LeftSlideFront() GPIOD->BSRR = 0X01; GPIOD->BRR = 0X02; GPIOA->BRR = 0X04; GPIOA->BSRR = 0X08; Time_Configuration(350,0,500,7199);调用此函数，实现小车前进，左转弯。同时开启尾部左边的尾灯，关闭右边的尾灯。Time_Configuration(350,0,500,7199)为占空比调制函数。通过输入不同的值，改变电机的转速。4

10、.void Time_Configuration(uint16_t CCR1_Val,uint16_t CCR2_Val,uint16_t periodValue,uint16_t PrescalerValue)/*开启TM2定时器时钟*/RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);/*TIM2定时器复用管脚PA0，PA1，PA2，PA3*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_

11、PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /*配置定时器时基*/ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = periodValue; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = PrescalerValue; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_Co

12、unterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); /*配置定时器各通道情况*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR1_Val; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1

13、Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR2_Val; TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloa

14、dConfig(TIM2, ENABLE); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);PWM脉宽调制波形输出，是stm32定时器功能的一大亮点，以往8位单片机输出PWM波形，均为模拟，或者借助外围芯片，而stm32内部定时器，实现了精确的PWM波形直接输出。上面功能函数，为TIM2定时器的配置情况。我在使用时，开启了TIM2定时器的通道1和通道2。分别为PA0，PA1，这两个端口控制小车的后轮电机。由于前轮为舵机。所以，没有采用PWM波形。而是直接给高低电平调整小车的方向。stm32定时器采用预分频处理，即将系统时钟分频后给定时器，这个预分频值，由传入的参数PrescalerValue决定

15、。系统时钟为72MHz，设分频后的频率为F,则：F = 72MHz/(PrescalerValue+1)定时器的计数周期为传入参数periodValue的值决定。PWM占空比值由传入参数CCR1_Val和CCR2_Val决定，分别控制PA0，PA1的占空比值。占空比 = CCR1_Val/periodValue。4. void LeftSlideBehind() GPIOD->BSRR = 0X01;GPIOD->BRR = 0X02;GPIOA->BRR = 0X04;GPIOA->BSRR = 0X08;Time_Configuration(0,350,500,71

16、99);调用此函数，控制小车后退并左转弯。同时开启左边尾灯，关闭右边尾灯。5void RightSlideFront() GPIOD->BSRR = 0X02;GPIOD->BRR = 0X01;GPIOA->BRR = 0X08;GPIOA->BSRR = 0x04;Time_Configuration(350,0,500,7199); 调用此函数，控制小车前进并右转弯。同时关闭左边尾灯，开启右边尾灯。6. void RightSlideBehind() /后退，右转弯GPIOD->BSRR = 0X02;GPIOD->BRR = 0X01;GPIOA-&

17、gt;BRR = 0X08;GPIOA->BSRR = 0X04;Time_Configuration(0,350,500,7199); 调用此函数，控制小车后退并右转弯。同时关闭左边尾灯，开启右边尾灯。7. void Upshift() uint16_t i;GPIOD->BRR = 0x03;for(i = 100;i <= 180;i = i + 10)Delay(200);Time_Configuration(i,0,500,7199);while(i <= 500)i = i + 50;Time_Configuration(i,0,500,7199);Dela

18、y(100);调用此函数，实现小车的加速，我们小组将加速过程分为2级，第一级为慢加速，让速度慢慢起来，第二级加速为快加速，当速度达到一定值后，占空比增大的幅度加强。8. void SlowDown() uint16_t i = 400;GPIOD->BSRR = 0X03;while(i > 200)Time_Configuration(i,0,500,7199);i = i-50;Delay(70);for(;i > 170; i = i - 5)Time_Configuration(i,0,500,7199); Delay(80);调用此函数，实现小车的减速，减速过程，我

19、们也分为两级。第一级为快速减速，第二级为慢速减速。使小车平稳减速。9void Brake() GPIOD->BSRR = 0x03;GPIOA_Conf();GPIOA->BSRR = 0x0f;调用该函数，小车将停止。同时后面尾灯开启。3.遥控系统3.1 遥控器简介我们小组使用的遥控器发射编码为NEC协议，NEC编码协议中，遥控器每发送一个8位数据，可以分为5个部分：图 3.1 NEC协议编码规则当按下遥控器上的任意一个键时，遥控器将发送一个38KHz的载波信号，根据NEC编码协议，如果发送数据位为1,则向外发送38KHz的载波信号，持续发送0.56ms.然后停止发送1.685m

20、s后继续发送下一位。如果发送数据位为0，则红外遥控向外发送38KHz的载波信号，持续发送0.56ms，然后停止发送0.565ms后继续发送下一位。3.2 接收探头与解码接受红外信号部分，我们采用HS0038接收探头，HS0038共三个引脚，分别为,OUT、VCC、GND。通电后，当没有收到红外信号时，OUT端口默认为高电平。接受端口信号与红外遥控发送信号电平相反。在解码方面，接收探头接受到38KHz的载波后，输出端OUT电平拉低。由于NEC发射编码中，采用的是38KHz载波表示高，无发射表示低。所以在接受探头部分的电平高低，与发射部分刚好相反。解码部分，数据1，0的电平宽度为别是：图 3.2

21、NEC协议1、0电平宽度由于每个数据位开始低电平均为0.56ms，所以，我们使用TIM3定时器，准确捕获到每位数据高电平持续时间。通过捕获到的值，来确认1和0.通过软件解码时，首先接受到引导码，9ms的低电平和4.5ms的高电平，然后是地址码和地址反码，最后是数据码和数据反码。在程序设计上，我们定义个unsigned char型数组，分别记录下地址码、地址反码、数据码、数据反码。取出数组下标为2和3的值，将下标为3的数组数据取反，判断是否相等，如果不相等，表示解码数据有误；如果相等，表示解码正确。3.3 红外控制将stm32的外部中断3端口与红外探头的输出端相连，捕捉红外遥控发射来的信号。外部

22、中断端口程序配置如下：1.void EXTI3_Configration()/*配置PC3端口，作为外部中断触发端口*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABL

23、E);GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource3);/*外部中断线配置，设置为上升沿触发*/ EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line3;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStr

24、ucture);/*中断向量表配置*/NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);配置好外部中断后，当stm32上电后，便会实时监控PC3端口，当接受到红外信

25、号后，便产生一个中断信号，调用中断处理函数，处理该事件，下面为中断处理函数，主要是解码红外信号：2.void EXTI3_IRQHandler(void)int i,j,Counter = 0;char IR4 = 0;char ch1=0,ch2=0;if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line3) != RESET) TIM3->CNT = 0;TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);while(TIM_GetCounter(TIM3) < 7000);TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);TIM3->CNT = 0;if(GPIO_ReadInpu

26、tDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_3) = 0)while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_3);TIM3->CNT = 0;TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);while(TIM_GetCounter(TIM3) < 3500);TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_3) = 1)while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_3);for(i = 0; i< 4; i+)for(j =

27、0; j < 8; j+)while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_3);TIM3->CNT = 0;TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_3);Counter = TIM_GetCounter(TIM3);TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);ch1 = ch1>>1;if(Counter > 840)ch1 = ch1|0x80;else ch1 = ch1|0;Counter = 0;IRi = ch1;ch1 = I

28、R2;ch2 = IR3;ch2 = ch2;if(ch1 = ch2)switch(ch1)case 0x07:LeftSlideFront();break;case 0x09:RightSlideFront();break;case 0x40:Front();break;case 0x19:Back();break;case 0x16:LeftSlideBehind();break;case 0x0d:RightSlideBehind();break; case 0x0c:Upshift();break;case 0x5e:SlowDown();break;case 0x15:Brake(

29、);break;default :Brake();break; Delay(500); EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line3); 这个函数为中断处理函数，在中断处理函数中，我们又用到了一个TIM3定时器，该定时器主要是解码红外信号，根据上文所述的0,1编码规则，用TIM3定时器，所捕获到的值，来判断信号0,1，实现软件解码红外信号。下面为TIM3定时器的配置：3. void TIM3_Configuration() TIM_DeInit(TIM3);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);TIM_Tim

30、eBaseStructure.TIM_Period = 50000; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure); TIM_PrescalerConfig(TIM3,71,TIM_PSCReloadMode_Immediate); TIM_ARRPre

31、loadConfig(TIM3,DISABLE); TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);设置预分频值为71，经过分频后，计数器的频率为1MHz。周期为50000.计数方式为向上计数。虽然stm32普通定时器的时钟为36MHz，如果将TIM_ClockDivision的值设置为0，则采用预分频时，时钟值应选72MHz进行分频。4.超声波4.1 简介 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的

32、传播速度为340m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）4.2 超声波测距具体实现我们在小车的前端放置一个超声波模块，采用查询法，每隔1s，发射一个10us以上的脉冲信号，超声波模块便自动发送8个40Khz的信号。当模块接收到返回信号时，输出端会输出一个高电平，这个高电平的持续时间，就是超声波模块到达障碍物，声速的来回时间。如果测得前方障碍物距离小于设置距离，则小车后退，并发出报警蜂鸣声。4.3 超声波程序设计1. float Distance()float distance;int time;TIM3->CNT = 0; /非常重要

33、，不清零，没结果GPIOB->BSRR = 0X01;while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_1) = 0);/等待接收到反回信号GPIOB->BRR = 0X01; TIM_Cmd(TIM3,ENABLE); /开启定时器，记下电平持续时间while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_1) = 1);TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);time = TIM_GetCounter(TIM3);distance = (float)time*0.017; /cm数量级return distan

34、ce;程序中的TIM3定时器，在上文3.3.3已经详细的描述。我们将stm32的PB0作为发送10us以上高电平的端口，将PB1作为接受超声波模块馈送的时间信号电平端口。该高电平的时间，为超声波来回障碍物的时间。该函数返回值，即为小车到障碍物的距离。2. void KeepDistance() /超声波测距，距离控制函数 GPIOB->BRR = 0x100;if(Distance() < 25.0) GPIOB->BSRR = 0x100;RightSlideBehind(); Delay(200);GPIOB->BRR = 0x100;Delay(700); GPI

35、OA->BSRR = 0x0c;Time_Configuration(70,0,100,71);调用这个函数，当小车查询到前方距离小于25cm时，便进行一些列的调整，如蜂鸣器想起，小车向右后转。5.红外寻迹5.1 反射式红外传感器 图5.1 反射式红外传感器如图5.1所示，当红外发射管发射信号，经地面反射到接收管时，接收管部位电阻值很小；当红外传感器与地面距离拉大，接收管接收不到反射信号时，接收管部位电阻值很大。采用一个电压比较器LM393，LM393为两端输入，一端输出，比较两个输入信号的大小。我们将红外传感器接收管在接收到信号和没有接收到信号时，电阻两端的电压与一个固定的值相比，接收

36、到信号时，LM393输出低电平；没有接受到信号时，LM393输出高电平。通过高低电平，判断红外管发出的信号是否被黑线吸收。5.2 具体实现方法小车上的黑线检测设备，采用的中断触发方式是，下降沿。由于电机在转动过程中，不可避免的会发生突然变向，减速等。这样会干扰电源电压，由于我我们组采用的stm32为3.3V供电，该电压有6个电池串联，经过稳压芯片稳压后，输出3.3V给stm32，当点击由于突然变向，加速减速才生大电流，对电池电压产生较大的冲击，稳压芯片输出截止。黑线检测的模块与stm32并联，当稳压芯片输出的3.3V电压突然截止时，寻迹模块输出电压为0.如果采用下降沿触发，这时，由于电压的不稳

37、定而导致了一个有害的触发中断。通过修改硬件电路，采用上升沿触发，当红外对管检测到黑线时，输出信号为0，当小车没有检测到黑线时，输出信号为1。当稳压芯片突然截止时，输出也0，这样可以有效的解决电机对寻迹模块的干扰。我们小组采用3个寻迹模块，stm32采用3个外部触发端口分别与3个寻迹模块相连。左右两边寻迹模块用于检测跑到边沿，防止小车冲出跑到。中间寻迹模块用于检测小车转弯线。stm32分枪占式优先级和响应式优先级。如果抢占式优先级相同，则不能发生中断嵌套。小车经过转弯线时，三个寻迹模块均会检测到黑线。所以，我们设置中间寻迹模块的抢占式优先级最高，两边抢占式等级低于中间，当小车经过转弯线时，三个中

38、断同时，或一次来临。中间中断等级打断两边，保证中间的中断执行程序能顺利执行。5.3 寻迹程序设计我们采用三个外部中断，分别为PC0，PC1，PC3三个端口，分别监控三个寻迹模块。下面以外部中断0为例：1.void EXTI0_Configration() /*配置PC0端口，作为外部中断触发端口*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

39、 GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource0); /*外部中断线配置，设置为下降沿触发*/ EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0; EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger