自动循迹小车课程设计

课程报告课程名称：嵌入式系统与应用项目名称：自动循迹小车院系：理学院专业：自动化1401学号：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx姓名：xxxxxxxx指导导师：xxxxxxxx2017年05月23日西京学院理学院制摘要本次课程设计主要完成基于STM32F103微处理器的智能小车控制系统的系统设计。此智能小车系统的组成主要包括STM32F103控制器、电机驱动电路、红外探测电路。本次试验采用STM32F103微处理器为核心芯片，利用PWM技术对速度进行控制，循迹模块进行黑白检测，其他外围扩展电路实现系统整体功能。实现了智能小车能够自动跟踪地面上的黑色轨迹的任务。关键字：STM32；红外探测；PWM；电机控制AbstractThiscoursedesignmainlycompletesthesystemdesignofintelligentcarcontrolsystembasedonSTM32F103microprocessor.ThecompositionofthisintelligentcarsystemmainlyincludesSTM32F103controller,motordrivecircuit,infrareddetectioncircuit.ThistestusesSTM32F103microprocessorasthecorechip,theuseofPWMtechnologytocontrolthespeed,trackingmoduleforblackandwhitedetection,otherperipheralexpansioncircuittoachievetheoverallfunctionofthesystem.Toachievethesmartcarcanautomaticallytracktheblacktrackonthegroundtask.Keywords：STM32；infrareddetection；PWM；motorcontrol目录1设计任务要求 12方案设计及选型 12.1总体方案选择 12.2车型选型 12.3器件选型 23系统电路设计 23.1循迹模块接口电路设计 23.2电机驱动模块接口电路设计 33.3电源设计 43.4STM32小系统 54系统软件设计 64.1主程序设计 64.2功能函数设计 65系统测试 66结束语 7参考文献 8附录一：系统总体电路图 9附录二：部分程序 10附录三：作品实物图 111设计任务要求本设计通过对轨迹跟踪问题的分析，制作了一辆能够自动跟踪地面上的黑色轨迹的智能小车。（1）设计搭建小车结构框架，两驱或四驱不限，机械转向灵活。（2）设计选型电源、电机、传感器、STM32控制器板等电路模块，完成方案设计和电路图绘制。（3）设计功能函数和软件流程图。2方案设计及选型2.1总体方案选择基于对小车循迹准确性以及速度的综合考虑，我们最终选择的系统框图如图2-1所示：图2-1总体方案框图2.2车型选型基于在循迹小车设计报告的实际完成情况，我们考虑到小车调试频繁的问题、电池使用时间长短以及小车的灵活性，我么们选择了由俩个电机与一个万向轮组成的俩驱小车。车架使用市面上的合成简易车架。2.3器件选型（1）循迹模块选型方案一：采用红外对管对黑带进行高频率扫描，并将扫描结果串行输出，用斯密特触发器对波形整形后，将数据送入STM32进行分析判断。优点：节省系统消耗的功率，节约STM32的I/O，硬件电路的接线变得简洁。缺点：信息处理速度相对于并行输出慢，相邻红外会产生干扰。方案二：采用多路反射型的光电传感器TCRT5000对地面进行检测，将所采集到的信息并行输入比较器比较后，再将数据送入STM32处理。优点：信息处理速度快，相邻传感器不会相互干扰，操作方便，结构简单。缺点：占用STM32的I/O较多，连线相对繁琐。方案选择：考虑到小车对信息的采集速度及检测的准确性，我们最终选用了方案二。（2）驱动及电机选择①驱动选择：由于L298N驱动有以下优点：a.可实现电机正反转；b.启动性能好，启动转矩大；c.可同时驱动两台直流电机；所以我们最终选择了L298N驱动。②电机选择：直流减速电机转速平稳，速度快，功耗低，又因为本设计是用电池供电，所以我们最终选择了6V的直流减速电机作为小车的驱动电机。3系统电路设计3.1循迹模块接口电路设计小车在白色地面行驶时，红外发射管发出的红外信号被反射，接收管接收到信号后，输出端为低电平。红外传感器的三个输出端口分别与控制模块的PA4-PA6依次相连，而当红外信号遇到黑色导轨时，红外信号被吸收，接收管不能接收到信号，输出端为高电平。单片机通过采集每个红外接收管的输出信号，便可以检测出所处位置，从而控制小车的转向。我们采用的传感器为红外避障模块传感器，它是采用高发射功率红外光电二极管和高度灵敏光电晶体管组成。红外避障传感器的发射管和接收管是一起封装在矩形塑料壳中，为了使检测更加准确，我们用了红外避障传感器检测黑线，其中一只放在黑线上方其余2只对称分布在黑线的两侧。循迹模块实物如图3-1所示：图3-1红外避障模块传感器实物图图3-2循迹模块原理图3.2电机驱动模块接口电路设计对于小车车轮的两个直流电机，我们采用了一片电机驱动芯片L298N对其进行驱动。STM32为芯片提供驱动信号，传至PWM控制各个电机的转速，从而调整小车的前进速度和转向。其实物模块如图3-2所示。其中左前电机：PB12（方向）+PA8（PWM），右前电机：PB13（方向）+PA9（PWM）。图3-3电机驱动实物模块图图3-4电机驱动模块原理图3.3电源设计本设计中采用的是6V电池供电，因为主控芯片以及其余模块均采用的3.3V供电，直流减速电机采用6V供电，传感器采用5V供电，其实物图如3-3所示。图3-5电源模块实物图3.4STM32小系统本设计采用了一片STM32单片机为控制核心。通过循迹模块、驱动模块的应用，实现了小车转速调节、自动循迹的任务。其原理图如图3-4所示：图3-6主控制模块原理图4系统软件设计4.1主程序设计当开机时，系统复位，然后进入自动运行状态。使小车沿黑线行进，并且在小车偏离轨道后自动调整走向使之返回预定路线。该模块的具体设计流程框图如图4-1所示。图4-1系统软件设计框图4.2功能函数设计（1）方向判断由if..elseif函数书写；（2）用定时器来生成PWM的占空比；（3）定时器初始化函数Tim1_Init()；5系统测试（1）测试仪器：示波器，电源，万用表。测试方法：采用模拟电路由前端到后段，数字电路先仿真再试测，先逐个模块测试再整体调试的办法。（2）循迹模块测试连接好电路，调好灵敏度，然后用万用表分别测量光电传感器接收端的输出电压值，其值如表5-1所示：表5-1光电传感器输出电压测量光电传感器编号1234光电传感器接收端电压(V)白线（V）4.834.814．834．87黑线（V）0.420.430.450.45（3）占空比与小车运行速度测试表5-2占空比与小车运行速度对应表占空比前进速度（cm/s）后退（cm/s）20%0050%30.530.370%36.736.5100%45.945.76结束语首先谢谢老师对我门的指导，谢谢同学给我们的帮助。在以后的学习工作中，我们一定会将今天所学习到的知识应用于生产实践中。当然，该小车还存在着一些缺陷，比如：功耗较大、外型不够美观等。导致我们的小车出现那好多问题。总之，我们的设计还有很大的提升空间。本次设计我们无论是在硬件还是软件上的能力都有很大的提高，比如，接线端口有误，没有检查仔细是我们的进程有了延误。这使我们经历了一个设计从方案提出到确定，到最后的调试出实物，看到效果。在这个过程中收获巨大。通过竞赛，我们提高了自学能力以及团队协作能力，并进一步提高了对本专业的兴趣。本次竞赛对自己的信心也有很大提高，在以后的学习中，我们会再接再厉。

参考文献[1]刘军，张洋.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013-05-01[2]李亚巨，樊东.基于stm32f103zet6的智能小车的制作[J].电子制作，2013-11[3]李婕.基于STM32的智能小车的制无线视频监控智能小车设计[D].兰州：兰州理工大学出版社，2014-4[4]刘火良，杨森.电子与嵌入式系统设计丛书.机械工业出版社，2017-2[5]蒋建春，曾素华.嵌入式系统原理及应用.高等教育出版社，2014-01-01[6]刘彦文.基于ARM的嵌入式系统原理及应用，清华大学出版社，2017-02-01[7]谭会生.ARM嵌入式系统原理及应用开发，西安电子科技大学出版社，2017-02-01

附录一：系统总体电路图

附录二：部分程序intmain(void){ BSP_Init();//系统初始化 SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK); Tim1_Init();//定时器初始化函数,设定PWM频率5kHz while(1) { if(LeftSensor()==0&&MidSensor()==1&&RightSensor()==0)//只有中间光电在黑线上 { Motor1234(80,80,80,80); //Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4);//前进8s } elseif(LeftSensor()==0&&MidSensor()==0&&RightSensor()==0) { Motor1234(80,80,80,80); //Motor1234(duty1,duty2,duty3,duty4);//前进8s } elseif(LeftSensor()==1&&MidSensor()==0&&RightSensor()==0)//左边遇见黑线 { Motor1234(-100,100,-100,100); //Motor1234(-duty1,duty2,-duty3,duty4);//前进8s } elseif(LeftSensor()==0&&MidSensor()==0&&RightSensor()==1)//右边遇见黑线 { Motor1234(100,-100,100,-100); //Motor1234(duty1,-duty2,duty3,-duty4);//前进8s } elseif(LeftSensor()==1&&MidSensor()