【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 芯片硬件結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)使用的 MCU 是 ST 公司推出的 STM32 系列 32 位微控制器， 如圖 所示為STM32F103 芯片及引腳圖， 該 芯片的各項(xiàng)硬件參數(shù)性能如下： 圖 STM32F103 芯片及引腳圖 內(nèi)核 32 位 CortexM3 內(nèi)核 ， 最高 72MHz 工作頻率， 支持 單周期乘法和硬件除法。 存儲(chǔ)器 512K 字節(jié) ROM， 64K 字節(jié) SRAM； 外 設(shè) （ 1） 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ， 1 個(gè) 溫度傳感器 ， 2 個(gè) DMA 控制器； （ 2） 64 個(gè) 通用 快速 I/O 端口； （ 3） 1 個(gè) 串行單線(xiàn)調(diào)試和 JTAG 接口； （ 4） 6 個(gè) 通用 定時(shí)器 和 2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器 ； 通信接口 （ 1） 2 個(gè) I2C 總線(xiàn) 接口 ； 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 2） 3 個(gè) USART 通信 接口 ； （ 3） 2 個(gè) SPI 總線(xiàn) 接口； （ 4） 2 個(gè) CAN 總線(xiàn) 接口； （ 5） 1 個(gè) USB 全速接口。 供電電路 設(shè)計(jì) 由于智能玩具車(chē)各模塊對(duì)電源的需求不同，故不能直接使用單一的電源。 表 給出了智能玩具車(chē)常用模塊的供電需求情況。 表 智能車(chē)常用模塊的電壓需求情況 模塊名稱(chēng) 需求電壓 典型單元 單片機(jī)供電 舵機(jī)供電 編碼器供電 I/O 外設(shè) 光電傳感器 常用 IC 芯片 5~6V 5V 5V/ 5V 5V/ STM32F103VBT6 FUTABA S3003 歐姆龍 E6A2CW3C Nokia 5110 LCD BFD1000 緩沖 IC 供電根據(jù)需求而定 其中，除了舵機(jī)電壓可以提升至 6V 外，大多數(shù)供電電壓需求為 5V 或 ，而電池電壓為 12V。由于 STM32 的功耗很小，所以不需要大電流穩(wěn)壓，但主控芯片需要一個(gè)穩(wěn)定的電壓保持平穩(wěn)工作，所以供電設(shè)計(jì)為獨(dú)立供電，避免與其他負(fù)載并聯(lián)導(dǎo)致負(fù)載變化時(shí)影響芯片供電引起問(wèn)題。 在芯片供電中，使用三端固定式集成穩(wěn)壓器 來(lái)提供降壓穩(wěn)壓供電 ，圖 為 的實(shí)物圖 。 圖 芯片圖 圖 基本應(yīng)用電路圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 如圖 所示為 的基本應(yīng)用電路，只要把 正輸入電壓加到集成穩(wěn)壓器輸入端輸入端，公共端接地，其輸出端則可以輸出 正電壓。實(shí)際電路中，芯片輸入端和輸出端與地接大容量濾波電容外，還需要接小容量電容（ ~10μF），用于抑制芯片自激振蕩，壓窄高頻帶寬，減小高頻噪聲。 圖 所示的為最終制成的 最小系統(tǒng)電路板。 圖 最小應(yīng)用 系統(tǒng) 實(shí)物圖 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 在智能玩具車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的速度是根據(jù)傳感器的反饋隨時(shí)調(diào)整的。想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，并不能像普通玩具車(chē)一樣用恒定電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電。電動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)脈寬調(diào)制（ PWM）實(shí)現(xiàn)的。 單片機(jī) 芯片在接收并處理完成 傳感器傳回的道路信息后得出預(yù)期速度，通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而單片機(jī)芯片的輸出能力非常弱，不可能直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 驅(qū)動(dòng)電路原理 圖 所示的是一個(gè)典型直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速電路。 圖 簡(jiǎn)單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 其中 VT 為功率 MOS 管，電流大小由電機(jī)功率決定。 PWM 信號(hào)的占空比決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié) PWM 占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用此方案可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的單向調(diào)速，若想實(shí)現(xiàn)雙向控制，就要使用 H 橋來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng) 。 圖 H 橋原理電路 如圖 所示為最基本的 H 橋原理電路圖 ， H 橋 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 是用 4 個(gè) 功率開(kāi)關(guān)管（ 三極管 或 MOSFET）倆倆級(jí)聯(lián)， 電機(jī) 兩端分別接上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管 。導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)管 子就能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而每一側(cè)的開(kāi)關(guān)管不允許同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)個(gè)管不同 的導(dǎo)通 情況 ，電流可能會(huì)從左 到 右或從右 到 左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的 不同方向 。 固定任意一側(cè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)，在另一側(cè)接上 PWM 控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反方向的調(diào)速。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 在智能車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，廣泛采用的驅(qū)動(dòng)方式是使用集成 MOSFET 全橋驅(qū)動(dòng)芯片。相對(duì)于 采用分立元件搭建電路，集成模塊價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，因此本設(shè)計(jì)采用了 2403ND 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 該 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊功能特點(diǎn) 如下 ： （ 1） 尺寸 設(shè)計(jì)盡量小，易于模塊的放置與安裝； （ 2） 支持電機(jī)電壓 寬泛， 724V 均可以使用 ， 加 防反接 功能 ； （ 3） 雙路電機(jī)接口，每路最大負(fù)載電流 3A，每路有獨(dú)立的 3A 過(guò)流保護(hù)； （ 4） 與 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片控制信號(hào)同邏輯，每路都支持控制使能、正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)； （ 5） 使能信號(hào)可外接 PWM，正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)可串聯(lián)限位開(kāi)關(guān)； （ 6） 控制信號(hào)使用灌電流驅(qū)動(dòng)方式，支持絕大多數(shù)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)； （ 7） 使用光耦對(duì)全部控制信號(hào)進(jìn)行隔離。 如圖 所示為 2403ND 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)物圖。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 2403ND 直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 實(shí)物圖 接口定義 在 2403ND 驅(qū)動(dòng)模塊的接口 定義 中， +5V 和 GND 為控制信號(hào)電源，如果控制信號(hào)為 ，那么 +5V 接 ； ENA、 ENB 分別為電機(jī)接口 1 和電機(jī)接口 2 的使能信號(hào)，可以外接 PWM； IN1~IN4 為兩路電機(jī)正反轉(zhuǎn)、制動(dòng) （ 或稱(chēng)剎車(chē) ） 控制信號(hào)?？刂七壿嬋绫? 和表 所示。其中 0 為低電平、 1 為高平、 為任意電平，懸空時(shí)為高電平，如表 所示。 表 電機(jī)接口控制信號(hào)邏輯 IN1 IN2 ENA 輸出狀態(tài) 0 無(wú)輸出， OUT OUT2 懸空 0 0 1 剎車(chē)， VOUT1 = VOUT2 = VGND 0 1 1 正轉(zhuǎn)， VOUT1 VOUT2 = 電源電壓 1 0 1 反轉(zhuǎn)， VOUT2 VOUT1 = 電源電壓 1 1 1 剎車(chē)， VOUT1 = VOUT2 = 電源電壓 * *注： 未連接控制信號(hào)時(shí)的默認(rèn)狀態(tài) 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 舵機(jī) 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 智能玩具車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要 舵機(jī)（ Servo） 來(lái)控制，如圖 所示，舵機(jī)是 由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路 構(gòu) 成 ，是 一套 典型的 伺服 控制系統(tǒng)。 舵機(jī) 通過(guò) 接收的 發(fā)送信號(hào)， 輸出 指定 的 軸旋轉(zhuǎn)角度。 舵機(jī) 與普通直流電機(jī)的區(qū)別在于直流電機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而舵機(jī)只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)可以 反饋轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息，而 普通直流電機(jī)不能做到 。 因此 普通直流電機(jī)一般是整圈轉(zhuǎn)動(dòng)做動(dòng)力輸出， 而 舵機(jī) 主要用于 控制某物體轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度控制（例如機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)）。 圖 舵機(jī)實(shí)物圖 圖 舵機(jī)的伺服系統(tǒng) 舵機(jī)的伺服系統(tǒng)由可變寬度的脈沖來(lái)進(jìn)行控制， 其波形類(lèi)似與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 PWM 波形。 控制線(xiàn)是用來(lái)傳送脈沖的。脈沖有最小值，最大值，和頻率 三個(gè)參數(shù) 。一般而言，舵機(jī)的基準(zhǔn)信號(hào)都是周期為 20ms， 最小 寬度為 1ms，最大寬度為 2ms。 中間脈沖的寬度為 ， 這個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)定義的位置為中間位置 ，如圖 所示 。 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與接收脈沖 的關(guān)系 測(cè)速模塊設(shè)計(jì) 在智能玩具車(chē)設(shè)計(jì)中，速度反饋是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，良好的速度反饋是智能汽車(chē)在告訴運(yùn)行過(guò)程中精確的調(diào)節(jié)速度的前提 。速度反饋值可以通過(guò) PID 算法（詳見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)部分）更加迅速的調(diào)整小車(chē)的加速與減速。本文主要通過(guò)光電脈沖測(cè)速傳感器來(lái)測(cè)量小車(chē)的速度。 光電式脈沖傳感器可以將機(jī)械唯一、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成點(diǎn)脈沖輸出。光電編碼器的最大特點(diǎn)就是 傳感器檢測(cè)非接觸 ， 不收機(jī)械運(yùn)動(dòng)的抖動(dòng)誤差影響， 因此它的 響應(yīng)快 、精度高、可靠性高。 圖 光電脈沖測(cè)速原理示意圖 光電編碼器采用光電 接收技術(shù) ，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為 不同角度極性的 數(shù)字脈沖，如圖 所示的是為光電脈沖測(cè)速原理示意圖，在發(fā)光元件和光電接收元件中間有一個(gè) 扇沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 形的 碼盤(pán)， 碼盤(pán)上均 勻的刻有透明光柵， 轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤(pán)形成光脈沖，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。 市售的集成封裝的編碼器精度高，測(cè)速準(zhǔn)確，碼盤(pán)和電路都封裝在編碼器內(nèi)，極大降低了損壞的概率。現(xiàn)在常用的編碼器為歐姆龍公司生產(chǎn)的 100 線(xiàn)、 200 線(xiàn)或 500 線(xiàn)編 碼器，這里采用的是歐姆龍 EA62CW3C 型 100 線(xiàn)編碼器， 圖 是該編碼器的實(shí)物圖。具有雙向測(cè)速功能，可直接輸出方波，通過(guò)兩路方波的相位差來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)動(dòng)方向。供電電壓為 5~12V，完全兼容智能玩具車(chē)的供電需求。 圖 編碼器實(shí)物圖 循跡電路設(shè)計(jì) 目前在路徑檢測(cè)上廣泛采用的 是紅外對(duì)管檢測(cè) ， 電路基本原理圖如圖 所示。 圖 光電對(duì)管檢測(cè)電路原理圖 小車(chē)循跡原理是 當(dāng) 小車(chē)在畫(huà)有黑線(xiàn)的白 色 路面上行駛 時(shí) ，由于黑線(xiàn)和白 色地板 對(duì) 紅外 光線(xiàn)的反射系數(shù)不同， 因此 可根據(jù) 傳感器 接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷黑線(xiàn)。紅外對(duì)管裝有一對(duì)紅外發(fā)射管和紅外接收管，紅外 光 在不同顏色的表面具有 不同的 反射性質(zhì) 。紅外發(fā)射管向地面發(fā)射紅外光，遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射， 紅外 接收管接收 到了發(fā)射光 ，輸出 較低的 電壓 ； 當(dāng) 遇到黑線(xiàn) 時(shí)， 則紅外光被吸收， 紅外 接收管接收不到信號(hào)， 則輸出 高 電壓。高低電壓的 模擬的電信號(hào)通過(guò) 電平比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。因此 遇到黑線(xiàn)沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 時(shí)輸出高電平，白色輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn) 了黑白路徑 的檢測(cè) 。 本文設(shè)計(jì)了 一款 專(zhuān)門(mén) 用作黑 、 白線(xiàn)檢測(cè)的傳感器，特別適合復(fù)雜黑白線(xiàn)、交叉黑白線(xiàn)的檢測(cè)，它 使用 5 路巡線(xiàn)、 1 路避 障共 6 路 的 高靈敏度的紅外傳感器 ，能夠?qū)诎拙€(xiàn)進(jìn)行 準(zhǔn)確的識(shí)別。 該傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)如圖 所示。 圖 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)圖 該電路設(shè)計(jì) 具 有如下功能和特點(diǎn)： （ 1） 集成 5 路循跡傳感器，適合復(fù)雜黑線(xiàn) 、 白線(xiàn)的跟蹤 ； （ 2） 有一路蔽障用的紅外傳感器，蔽障距離可以通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)； （ 3） 有一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的觸碰傳感器，使得 智能小車(chē)能夠規(guī)避前方障礙 ； （ 4） 輸出信號(hào)全部都為數(shù)字信號(hào)，方便與單片機(jī)相連； （ 5） 全部傳感器都有 LED 燈作為指示，方便調(diào)試 （ 6） 支持電壓為 滿(mǎn)足 系統(tǒng)需求。 最終經(jīng)過(guò) PCB 設(shè)計(jì)制 做 的模塊實(shí)物如圖 所示。 圖 循跡模塊實(shí)物圖 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 輔助及調(diào)試電路設(shè)計(jì) 在智能玩具車(chē)基本硬件模塊組裝完成之后還需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中需要一些輔助的調(diào)試設(shè)備。 液晶顯示 器 液晶顯示是智能車(chē)對(duì)外界反饋信息最好的方式，快捷且直觀，可以將液晶顯示模塊與單片機(jī)進(jìn)行連接，將要監(jiān)視的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示模塊上，從而可以脫離在線(xiàn)仿真監(jiān)視變量的變化。這里選用的 Nokia 5110 液晶模塊， 圖 為該液晶模塊的實(shí)物圖。 該款液晶顯示器自身重量輕，占用面積小且顯示區(qū)域大，編程自由。顯示器的數(shù)據(jù)為串行輸入，節(jié)省單片機(jī) I/O 口資源。 圖 Nokia 5110 液晶顯示模塊實(shí)物圖 無(wú)線(xiàn)通信 使用串口通信可以將智能車(chē)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，然而其弊端在于線(xiàn)纜的限制。由于通信過(guò)程中必須使用線(xiàn)纜進(jìn)行連接，因此無(wú)法采集到 智能汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)。為了 擺脫 線(xiàn)纜的束縛，可以采用無(wú)線(xiàn)通信方式。 圖 NRF24L01 模塊實(shí)物圖 常用的無(wú)線(xiàn)通信模塊為 NRF24L01， 圖 為該模塊的實(shí)物圖。 該模塊使用 SPI 協(xié)議與單片機(jī)通信。使用 NRF24L01 模塊進(jìn)行通信需要在智能車(chē)上加裝一個(gè)模塊，接收端沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 需要一款單片機(jī)提供 SPI 協(xié)議驅(qū)動(dòng) NRF24L01 模塊接收數(shù)據(jù)，并且通過(guò)串口方式發(fā)送給計(jì)算機(jī)。 該無(wú) 線(xiàn)通信模塊與 MCU 的接口 應(yīng)用電路 設(shè)計(jì) 如圖 所示。 圖 無(wú)線(xiàn)模塊與單片機(jī)接口應(yīng)用電路 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件部分為整個(gè)智能玩具車(chē)運(yùn)行的核心， 完成了 硬件和機(jī)械部分，軟件算法的完善程度決定了小車(chē)運(yùn)行的最終效果。本章闡述了智能車(chē)軟件部分的原理和算法設(shè)計(jì)思路，最后 在附錄中 給出了各模塊的代碼。 主程序 智能玩具車(chē)的主程序流程可以用圖 來(lái)表示。整體的控制使用 5ms 定時(shí)器中斷，所有的控制環(huán)節(jié)都在中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行。 圖 主程序流程圖 以下是主程序的基本框架： int main(void) { 軟硬件初始化 ()。 結(jié)束 是否到終點(diǎn)線(xiàn)？ 開(kāi)始 方向控制 硬件初始化 定時(shí)器中斷 獲取傳感器值 速度控制 N Y