【正文】 護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。 圖 LM2940電路原理圖 圖 是 2940 穩(wěn)壓的電源模塊原理圖， 7805 和 2940 的原理圖相同，但是 7805 需要輸入 以上才可以穩(wěn)定輸出 5V，而 2940 載輸入電壓達(dá)到 6V 以上就可以穩(wěn)定輸出5V 了，因此，在給單片機(jī)供電的電源中選擇 2940 穩(wěn)壓芯片。 由上可以知道，系統(tǒng)需要 、 5V、 ，其中 可以由電池直接供電， 6V和 5V 就需要穩(wěn)壓芯片來供電了，如果把所有接到 5V 的電源都從一個(gè)口輸出，萬一出現(xiàn)異常狀況（例如大電流），單片機(jī)必然重啟，因此需要多個(gè)穩(wěn)壓芯片同時(shí)工作，以保沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 證單片機(jī)正常工作。 STM32F103 主控芯片采用 供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用 5V與 ，紅外收發(fā)檢測(cè)電路采用 5V 與 ，液晶顯示與觸角傳感電路均采用 供電。此時(shí)可以通過設(shè)置 BOOT1 和 BOOT0 引腳的狀態(tài)，來選擇在復(fù)位后的啟動(dòng)模式。如下表 所示。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。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 選擇 LSE 時(shí)鐘模式，如圖 所示，由 Y101（ LSE 晶振）、 C112 及 C113 構(gòu)成 LSE 旁路，提供一個(gè) 頻率的外部時(shí)鐘源。如圖 所示，由 R11Y100（ HSE 晶振）、 C108 及 C109 構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘電路。下面對(duì)部分電路設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要說明。 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)和 啟動(dòng)模式選擇電路 如圖 、 所示。 小車的控制系統(tǒng)，即在 STM32 芯片的控制下實(shí)現(xiàn)自由行走、自動(dòng)識(shí)別及自動(dòng)開啟識(shí)別裝置等功能。根據(jù)實(shí)際情況，假設(shè)兩個(gè)電機(jī)相對(duì)安裝，則表 是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)與小車運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系表 。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 主要電路設(shè)計(jì) 小車結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介 所謂小車控制實(shí)際上就是電機(jī)控制，本論文所設(shè)計(jì)的小車分為電機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)三大結(jié)構(gòu)。 圖 電機(jī)控制系統(tǒng)框圖 由系統(tǒng)框圖可看出，小車整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、觸角傳感電路、紅外收發(fā)檢測(cè)電路等模塊。基于設(shè)計(jì)功能需求，本設(shè)計(jì)采用的是低電平觸發(fā)的按鍵開關(guān)式 鍵盤，這樣可以合理地利用硬件資源，操作簡(jiǎn)便，并且編程靈活。 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及需求分析 本設(shè)計(jì)采用 STM32F103 芯片作為控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)小車電機(jī)、傳感器探測(cè)等外設(shè)的控制是一個(gè)合理的解決方案。機(jī)器人的功能都在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)前提下實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的策略也決定了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的功能特點(diǎn)及其可擴(kuò)展性。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 3 小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在整個(gè)智能小車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)之中，控制系統(tǒng)是最重要的，它是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂。 Vss 電壓最小為 ，最大可達(dá) 36V； Vs 電壓最大值也是 36V。 IN1IN4 兩對(duì) I/O 輸入，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 PWM 的占空比 α 決定輸出到直流電機(jī)電樞電壓的平均電壓，進(jìn)而決定了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 對(duì)于 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速， 非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。這個(gè)過程可用圖 說明。 在小車動(dòng)作的過程中，我們要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在 S S2 導(dǎo)通且 S S4 關(guān)斷，到 S S2 關(guān)斷且 S S4 導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。 圖 L298內(nèi)部原理圖 全 橋式驅(qū)動(dòng)電路的 4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，如圖 所示， S S2 為一組，S S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。 L298 是恒壓恒流雙 H沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 橋集成電機(jī)芯片，可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，且輸出電流可到 2A。其公式為“ 占空比=(TIMx_CRRx/TIMx_ARR)*100%”，因此，可以通過向 CRR 中填入適當(dāng)?shù)臄?shù)來輸出自己所需的頻率和占空比的方波信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中調(diào)速功能。 根據(jù) TIMx_CR1 寄存器中 CMS 位的狀態(tài)，定時(shí)器能夠產(chǎn)生邊沿對(duì)齊的 PWM 信號(hào)或中央對(duì)齊的 PWM 信號(hào) [8]。 OCx的輸出使能通過 (TIMx_CCER 和 TIMx_BDTR 寄存器中 )CCxE、 CCxNE、 MOE、 OSSI和 OSSR 位的組合控制。因?yàn)閮H當(dāng)發(fā)生一個(gè)更新事件的時(shí)候，預(yù)裝載寄存器才能被傳送到影子寄存器，因此在計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)之前，必須通過設(shè)置TIMx_EGR 寄存器中的 UG 位來初始化所有的寄存器。在 TIMx_CCMRx 寄存器中的 OCxM 位寫入“ 110” (PWM 模式 1)或 “ 111” (PWM 模式 2)，能夠獨(dú)立地設(shè)置每個(gè) OCx 輸出通道產(chǎn)生一路 PWM。以下對(duì) PWM 模式做簡(jiǎn)要介紹。更新事件也可由軟件產(chǎn)生。時(shí)基單元包含計(jì)數(shù)器寄存器 (TIMx_CNT)、預(yù)分頻器寄存器 (TIMx_PSC)和自動(dòng)裝載寄存器 (TIMx_ARR)，它們都可以由軟件讀寫，在計(jì)數(shù)器運(yùn)行時(shí)仍可以讀寫。這個(gè)計(jì)數(shù)器可以向上計(jì)數(shù) 、向下計(jì)數(shù)或者向上向下雙向計(jì)數(shù)。 7. 觸發(fā)輸入作為外部時(shí)鐘或者按周期的電流管理。 5. 如下事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷 /DMA：更新；計(jì)數(shù)器向上溢出 /向下溢出；計(jì)數(shù)器初始化 (通過軟件或者內(nèi)部 /外部 觸發(fā) )； 觸發(fā)事件 (計(jì)數(shù)器啟動(dòng)、停止、初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計(jì)數(shù) )； 輸入捕獲；輸出比較。 3. 4個(gè)獨(dú)立通道：輸入捕獲、輸出比較、 PWM生成 (邊緣或中間對(duì)齊模式 )、 單脈沖模式輸出。 通用定時(shí)器 TIMx (TIM TIM TIM4和 TIM5)主要特性如下 [6]： 1. 16位向上、向下、向上 /向下自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器。高級(jí)控制定時(shí)器與通用定時(shí)器相比較，它們有非常多的相似之處，雖然前者功能要強(qiáng)大些，但鑒于后者 已能夠滿足設(shè)計(jì)要求，因此選用通用定時(shí)器作為PWM生成模塊。每個(gè)定時(shí)器都是完全獨(dú)立的，沒有互相共享任何資源，它 們也可以一起同步操作。 通用定時(shí)器 TIMx，它適用于多種場(chǎng)合，包括測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度 (輸入捕獲 )或者產(chǎn)生輸出波形 (輸出比較和 PWM)。這 8個(gè)定時(shí)器各包含一個(gè) 16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器，由各自的可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。這將在沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 下一節(jié)做進(jìn)一步介紹。 6. 內(nèi)部包含 8 個(gè)定時(shí)器。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是 JTAG 接口。它支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、 ADC、 SPI、 I2C 和 USART 等。通過 DMA 可以使數(shù)據(jù)快速地移動(dòng)，這就節(jié)省了 CPU 的資源來進(jìn)行其他操作。 2. 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá) 16 個(gè)外部 輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 1MHz,轉(zhuǎn)換范圍為 036V，具有雙采樣和保持功能 。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 STM32F10x 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 STM32F103 系列微處理器主要資源和特點(diǎn)如下 [5]： 1. 多達(dá) 51 個(gè)快速 I /O 端口，所有 I/O 口均可以映像到 16 個(gè)外部中斷， 幾乎所有端口都允許 5V 信號(hào)輸入。 20K 字節(jié)的 SRAM，具有豐富的通用 I/O 端口。 STM32 處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) STM32F103 系列微處理器是首款基于 ARMv7M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn) RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常 8 位和 16 位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮了 ARM 內(nèi)核的高性能。因?yàn)樵?STM32 全系列產(chǎn)品中，既有適合僅需少量的存儲(chǔ)空間和引腳，也有滿足需要更多的存儲(chǔ)空間和引腳；既有適于高性能應(yīng)用的，又有滿足低功耗要求的；既有適合低成本簡(jiǎn)單應(yīng)用的，也有滿足高端復(fù)雜應(yīng)用的。 STM32 全系列處理器擁有的腳對(duì)腳、外設(shè)及軟件的高度兼容性，這給其應(yīng)用帶來全方位的靈活性，可以在不修改原始框架及軟件的條件下，將應(yīng)用升級(jí)到需要更多的存儲(chǔ)空間，或精簡(jiǎn)到使用更少的存儲(chǔ)空間，或改用不同的封裝規(guī)格。增強(qiáng)型系列產(chǎn)品則將32 位 MCU 的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別。這沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi) Flash 選項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面是兼容的 [3]。 圖 STM32 芯片實(shí)物圖 STM32 處理器的分類 STM32 系列處理器目前分為 2 個(gè)系列。本章將簡(jiǎn)要介紹 STM32 系列處理器的分類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及 特點(diǎn)，并對(duì)本設(shè)計(jì)中重點(diǎn)應(yīng)用的通用定時(shí)器做進(jìn)一步分析。它是專門為在微控制系統(tǒng)、汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體 [2]。其中， A 系列面向復(fù)雜的尖端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)； R 系列適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)； M 系列則專門針對(duì)低成本的微控制領(lǐng)域。本章重點(diǎn)介紹 STM32 芯片和智能小車驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)論文中所完成的工作進(jìn)行了總結(jié)，也對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)行了展望。首先介紹了軟件開發(fā)環(huán)境 MDK,然后給出了軟件的模塊劃分，并詳細(xì)介紹了各模塊的軟件設(shè)計(jì)；針對(duì)重要的部分給出了相應(yīng)代碼，在調(diào)速控制算法中應(yīng)用了 PID算法。最后介紹了硬件設(shè)計(jì)時(shí)注意的一些具體措施。首先介紹了智能小車的車體結(jié)構(gòu)選擇，然后介紹了硬件系統(tǒng)的原理框圖以及模塊劃分。 第二章 主要內(nèi)容是 芯片及驅(qū)動(dòng)電路介紹 ，介紹了 STM32系列芯片的特點(diǎn)，以及課題選擇此芯片作為控制系統(tǒng)主控制芯片的原因。提升模塊在智能車發(fā)現(xiàn)邊界并停止時(shí)啟動(dòng)。 整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)是基于 STM32 平臺(tái)搭建的 ， 首先要了解這款 ARM CortexM3 內(nèi)核的微處理器的架構(gòu)以及編程的方式和微處理器所用到外設(shè)模塊的寄存器，智能車的驅(qū)動(dòng)是依靠高 電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N，需要了解驅(qū)動(dòng)芯片的外圍電路原理及電氣特性。 另外，斯特拉斯堡實(shí)驗(yàn)中心、英國(guó)國(guó)防部門的研究、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國(guó)麻省理工學(xué)院、韓國(guó)理工大學(xué)對(duì)智能車輛也有較多的研究。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。 荷蘭鹿特丹港口的研究：智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運(yùn)輸。這兩種車輛都配備了 UBM 視覺系 統(tǒng)。在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的智能車輛中具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究： 1985 年第一輛 VaMoRs 智能原型車輛在戶外高速公路上以 100km/h 的速度進(jìn)行了測(cè)試，它使用了機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。 第三階段，從 90 年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模研究階段。在亞洲，日本于 1996 年成立了高速公路先進(jìn)巡航 /輔助駕駛研究會(huì)，主要目的是研究自動(dòng)車輛導(dǎo)航的方法，促進(jìn)日本智能車輛技術(shù)的整體進(jìn)步。歐洲的普羅米修斯項(xiàng)目于 1986 年開始了在這個(gè)領(lǐng)域的探索。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。 該系統(tǒng)只是一個(gè)運(yùn)行在固定線路上的拖車式運(yùn)貨平臺(tái)，但它卻具有了智能車輛最基本的特征即無人駕駛。它的發(fā)展歷程大致可分成三個(gè)階段： 第一階段， 20 世紀(jì) 50 年代是智能車輛研究的初始階段。我們要結(jié)合我國(guó)國(guó)情，對(duì)智能車進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為它今后的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相信通過各方的共同努力，我國(guó) ITS 及智能車輛的技術(shù)水平將會(huì)得到很大提高。隨著 ITS 研究的興起，我國(guó)已形成一支對(duì) ITS 技術(shù)有專門研究的技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍。 智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng) ITS 的關(guān)鍵技術(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩臺(tái) Sun10 工作站，并完成信息融合、路徑規(guī)劃，同時(shí)具有兩臺(tái) PC486 完成路邊抽取識(shí)別和激光信息處理， 8098 單片機(jī)主要完成定位計(jì)算和車輛自動(dòng)駕駛。該自主駕駛轎車在高速公路正常交通情況下，行駛過程中最高穩(wěn)定速度為 13km/h，最高峰值速度可達(dá) 170km/h，并且具有超車能力，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。而且大多數(shù)研究都處于單項(xiàng)技術(shù)研究的階段。因此，智能小車的研究在理論和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中都具有重要的價(jià)值。 另外，智能小車自主行駛功能的相關(guān)研究將有助于智能車輛領(lǐng)域的研究。在科學(xué)研究方面，機(jī)器人可廣泛用于水下、太空及遠(yuǎn)程等各種不同環(huán)境中。還有實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用中的機(jī)器人，由于機(jī)器人完成的許多操作 (如切開顱骨、在骨體上鉆孔等 )能夠比人工操作更為準(zhǔn)確，因此手術(shù)中 許多機(jī)械操作部分都選擇由機(jī)器人來完成。最主要的應(yīng)用就是在汽車工業(yè)上使用的噴漆用機(jī)器人，由于人工噴漆時(shí)，油漆對(duì)人身體有一定的危害，工作環(huán)境必須保持通風(fēng)和清潔，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中創(chuàng)造這種適合人們工作的環(huán)境是十分困難的，而且與人工操作相比，機(jī)器人更能持續(xù)不斷地工作，因此機(jī)器人非常適合于噴漆這種工作。在日常生活中應(yīng)用的服務(wù)型機(jī)器人，具有不知疲倦以及按照人們意愿工作的特點(diǎn)，不僅可以降低由于勞動(dòng)力成本的上升而帶來的一系列影響，還可以在實(shí)際工作中大大減輕人們的勞強(qiáng)強(qiáng)度，提高生活質(zhì)量水平。目前，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍已經(jīng)涉及航天、軍事、核工業(yè)以及日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。該系列主頻工作在 72MHz，能實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)算，而對(duì)其外設(shè)的配置可以帶來極好的控制和聯(lián)接能力；具有先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、優(yōu)秀的功耗控制、性能出眾而且功能創(chuàng)新的片上外設(shè)、高度的集成整合、提供豐富的函數(shù)庫易于開發(fā)等一系列特點(diǎn)，可適宜作為智能小車的主控制芯片。因此對(duì)智能小車的研究 是十分必要的。移動(dòng)機(jī)器