基于STM32 智能抓物小車的設計 電子設計II課程報告

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1、摘 要 本實驗重要分析把握對象的智能車基于STM32F103的設計。智能系統(tǒng)的構成重要涉及STM32F103控制器、伺服驅動電路、紅外檢測電路、超聲波避障電路。本實驗采用STM32F103微解決器作為核心芯片，速度和轉向的控制采用PWM技術，跟蹤模塊、檢測、障礙物檢測和避免功能避障模塊等外圍電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。 小車行駛時，避障程序跟蹤程序，具有紅外線跟蹤功能的汽車檢測電路。然后用顏色傳感器辨認物體的顏色和抓取。在硬件設計的基本上提出了實現(xiàn)伺服控制功能，簡樸的智能車跟蹤和避障功能的軟件設計和控制程序，在STM32集成開發(fā)環(huán)境IAR編譯，并使用JLINK下載程序。 核心詞：stm32

2、;紅外探測;超聲波避障;顏色傳感;舵機控制 ABSTRACT This experiment mainly analyzed the grasping object intelligent car based on STM32F103 design. The composition of the intelligent system mainly includes STM32F103 controller, servo drive circuit, infrared detection circuit, ultrasonic obstacle avoidance circuit. This

3、 test uses the STM32F103 microprocessor as the core chip, the speed and steering control using PWM technology, tracking module and detection, obstacle avoidance module for obstacle detection and avoidance function, other peripheral circuit to achieve the overall function of the system. The car is

4、moving, obstacle avoidance procedures prior to tracking program, car tracking function with infrared detection circuit. Then use color sensor to recognize object color and grab. On the basis of the hardware design is proposed to realize the servo control function, simple intelligent car tracking and

5、 obstacle avoidance function of the software design, and the control program is compiled in the STM32 integrated development environment IAR, and download the program using Jlink. Key?words:?STM32; infrared detection; ultrasonic obstacle avoidance; color sensing; steering control 目 錄 第一章 緒論

6、1 1.1研究意義概況 1 1.2研究思路 1 第二章 硬件設計部分 2 2.1中央解決模塊 2 2.1.1 stm32f103內部構造 3 2.1.2 stm32最小系統(tǒng)電路設計 3 2.1.3 stm32軟件設計的基本思路 6 2.2 避障模塊設計 6 2.2.1 避障模塊器件構造及其原理 7 2.2.2 HC-SR04模塊硬件電路設計 8 2.3循跡模塊設計 9 2.3.1 循跡模塊構造及其原理 9 2.3.2 循跡模塊電路設計 11 第三章 軟件調試及實物展示 12 3.1 程序仿真 12 3.2 程序下載 12 3.3 實物展示 13 第四章 總

7、結 14 致 謝 15 參照文獻 16 第一章 緒論 1.1研究意義概況 智能小車通過多種感應器獲得外部環(huán)境信息和內部運動狀態(tài)，實目前復雜環(huán)境背景下的自主運動，從而完畢具有特定功能的機器人系統(tǒng)。而隨著智能化電器時代的到來，它們在為人們提供的舒服的生活環(huán)境的同步，也提高了制造智能化電器對于人才規(guī)定的門檻。智能小車是集成了多種高新技術，它不僅融合了電子、傳感器、計算機硬件、軟件等許多學科的知識，并且還波及到當今許多前沿領域的技術，它是一種國家高科技技術水平的重要體現(xiàn)。通過建立起簡易智能小車的設計，引導學生從理論走向實踐，培養(yǎng)同窗們的動手能力，使同窗們在理解智能化電器的工作原理的基

8、本上，還使同窗們獲得完畢整體項目的能力，并掌握了Stm32開發(fā)板的編程原理，為同窗們進入ARM領域提供了基本。此外，本次課程設計，使同窗們理解自己的局限性之處，從而使同窗們有目的的提高自己的能力。 國外研究概況：上世紀50年代初，國外就有智能車輛的研究，從90年代開始，智能車輛的研究就進入了系統(tǒng)化、大規(guī)模的研究階段。特別突出的是美國卡內基-梅隴大學機器人研究所已經完畢了Navlab系列的自主車輛的研究，這一研究成果代表了國外智能車輛的重要研究方向。國內研究概況：國內對于智能車輛的研究較晚，始于上世紀80年代，并且目前大部分還是使用入門級別的51單片機進行設計與研究的，為了彌補與國外研究的差距

9、，開設了全國大學生電子設計競賽。 1.2研究思路 系統(tǒng)將采集的傳感器信號送入stm32微控制器中，stm32微控制器根據采集的信號做出不同的判斷，從而控制舵機運動方向和運動速度。系統(tǒng)以stm32微控制器為核心，通過傳感器采集不同的信號做出判斷，繼而變化電機的運動方向和運動速度。實驗系統(tǒng)構造如圖1.1所示： 舵機驅動電路 圖1.1 實驗系統(tǒng)構造圖 第二章 硬件設計部分 智能小車控制系統(tǒng)具有了障礙物檢測、自主避障、自主循跡等功能。相應的控制系統(tǒng)重要由如下四個模塊構成：避障模塊、循跡模塊、電機驅動模塊、中央解決模塊四個模塊構成，系統(tǒng)總體框架如圖2.1所示： 圖2.1 系統(tǒng)框架圖

10、 我們本節(jié)重要任務是理解各個模塊的功能，掌握各個模塊所使用的器件的使用措施，并可以編寫相應的程序代碼。掌握各個模塊的功能。 2.1中央解決模塊 在人類身體構造中，大腦可以根據各個器官所傳播的信息做出相應的行為動作用以保證人體所必須的生理原料，而stm32解決器之于智能小車就相稱于大腦之于人類，它可以從各個模塊之間獲得數(shù)據，并對所傳播的數(shù)據進行實時解決，來驅使電機模塊做出相應的行為動作。 由ARM公司設計的基于ARMv7架構的Cortex系列的原則體系構造在推出，此構造是用來滿足日漸復雜的不同性能規(guī)定的軟件設計，根據所面向的領域，Cortex系列可以分為A、R、M三個分工明確的系列[1]

11、。Stm32解決器的浮現(xiàn)為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車車身系統(tǒng)和無線網絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域實現(xiàn)高系統(tǒng)性能系統(tǒng)提供了基本，使編程的復雜性，集高性能、低功耗、低成本大大簡化，并使它們融為于一體[2]。意法半導體ST公司作為一種半導體制造廠商，是ARM公司Cortex-M3內核開發(fā)項目一種重要合伙方。6月11日由ST公司率先推出的基于Cortex-M3內核的STM32系列微控解決器研發(fā)而出。此中，A系列是面向復雜的尖端應用程序，用于運營開放式的復雜操作系統(tǒng)；R是Real的首字母縮寫，是面向實時系統(tǒng)開發(fā)的；M是Mirco的首字母縮寫，專門面向低成本的微控制領域開發(fā)研究。因此，Cort

12、ex-M3解決器是由ARM公司設計的首款基于ARMv7-M體系構造的32位原則解決器，它不僅具有低功耗、少門數(shù)等長處，并且還具有短中斷延遲、低調試成本等眾多長處，使它在眾多的解決器中脫穎而出。目前為止，STM32系列解決器暫分為2個系列。其中，STM32F101系列是原則型系列，工作頻率設定在36MHZ；STM32F103系列是增強型系列，工作頻率設定在72MHZ，其帶有更多片內RAM和更豐富的外設資源。這兩個系列的產品在軟件和引腳封裝方面具有兼容性，并且擁有相似的片內Flash資源，使軟件的開發(fā)和升級更加以便。本次實驗，我們使用的是stm32f103解決器。 2.1.1 stm32f103

13、內部構造 STM32F103系列微解決器是首款基于ARMv7-M體系構造的32位原則RISC （精簡指令集）解決器，具有執(zhí)行代碼效率高，外設資源豐富等眾多長處。該系列微解決器工作頻率設定在72MHz，高達128K 字節(jié)的內置Flash存儲器存儲器 存儲器是用來存儲程序和數(shù)據的部件，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才干保證正常工作。它根據控制器指定的位置存進和取出信息。 [全文]和20K 字節(jié)的SRAM，以便程序編寫，并且具有豐富的通用I/O 端口。其內部構造圖如圖2.2所示： 圖2.2 內部構造圖 Stm32解決器主系統(tǒng)重要由4個被動單元和4個驅動單元構成。4個驅動單元是：通用D

14、MA1，通用DMA2，內核DCode總線和系統(tǒng)總線。4個被動單元由APB橋，APB設備，內部Flash閃存，內部SRAM、FSMC。我們實驗所采用的芯片具有64KBSRAM、512KBFLASH、2個基本定期器，4個通用定期器，2個高檔定期器，3個SPI，2個IIC，5個串口，1個USB，1個CAN，3個12位的ADC,1個12位DAC、1個SDIO接口，1個FSMC接口以及112個通用I/O口。 2.1.2 stm32最小系統(tǒng)電路設計 Stm32的最小系統(tǒng)電路重要由系統(tǒng)時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG調試接口電路，復位電路和啟動模式選擇電路構成。最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2-1-3所示：

15、 圖2.3 最小系統(tǒng)電路原理圖 重要電路原理圖的設計及功能如下所示： 1.系統(tǒng)時鐘電路 系統(tǒng)時鐘電路重要作用是提供節(jié)拍，就相稱于人類的心臟跳動，隨著心臟的跳動，血液就會達到全身部位，因此系統(tǒng)時鐘的重要性就不言而喻啦。系統(tǒng)時鐘的電路設計如圖2.4所示： 圖2.4 系統(tǒng)時鐘電路圖 在時鐘電路中，我們選用8M的晶振。 2.復位電路 復位電路的設計如圖2.5所示： 圖2.5 復位電路圖 本次實驗所采用的開發(fā)板為低電平復位。如圖所示，當按鍵懸空時RST輸入為高電平，當按鍵按下時，RST腳輸入為低電平，從而電路復位。 3.JTAG電路 JTAG電路原理圖如圖2.6所示

16、： 圖2.6 JAG電路原理圖 JTAG的重要功能是使目的文獻燒到核解決器中。 4.啟動模式電路 啟動模式電路原理圖如圖2.7所示： 圖2.7 啟動模式電路原理圖 通過設立BOOT[1:0]引腳可以選擇三種不同啟動模式，啟動模式如表2-1所示： 表2-1 啟動模式表 啟動模式選擇引腳 啟動模式 闡明 BOOT1 BOOT0 X 0 主閃存存儲器 主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域 0 1 系統(tǒng)存儲器 系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域 1 1 內置SRAM 內置SRAM被選為啟動區(qū)域 2.1.3 stm32軟件設計的基本思路 在對其她模塊設計之前，我

17、們必須理解stm32的編程規(guī)則。任何解決器，涉及stm32解決器，想要解決器完畢某項相應的動作，就必須對解決器的寄存器進行操作。例如，我們在單片機C51中，同樣，我們在stmM32的開發(fā)中過程中，我們同樣可以對寄存器直接操作： GPIOx->BRR=0x0011。 (x可以是A,B,C,D,E…例如GPIOA就是端口A) 但是，對于stm32這種級別的解決器，幾百個寄存器記起來談何容易。因此，ST(意法半導體)提出了固件庫的概念，運用固件庫進行編程。固件庫的本質就是函數(shù)的集合，固件庫將那些寄存器的底層操作都封裝起來，提供一整套API供開發(fā)者使用。例如，上面通過控制BRR寄存器

18、來控制電平的變化，官方庫封裝了一種函數(shù)： Void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef * GPIOx,uint16_t GPIO_Pin) { GPIOx->BRR = GPIO_Pin; } (x可以是A,B,C,D,E…例如GPIO_A就是端口A) 通過使用GPIO_ResetBits（）函數(shù)就可以直接對寄存器進行操作了。 2.2 避障模塊設計 在人類身體構造系統(tǒng)中，眼睛可以使我們非常以便的采集到外界環(huán)境的信息，然后把信息及時的傳播到大腦，并對外界環(huán)境信息的變化做出相應的解決。而對智能小車來說，避障模塊之于小車就相稱于眼睛之于人類。避障模塊可以采集外部地

19、形數(shù)據，然后把所采集的地形數(shù)據傳播到中央解決模塊，從而實現(xiàn)規(guī)避障礙的功能。避障模塊所采用的器件在市場中有許多類型，例如紅外檢測，光位移檢測，超聲波檢測等。本次實驗我們使用的是HC-SR04超聲波檢測，超聲波由于具有檢測能力強，傳播途徑寬，因此我們決定使用HC-SR04器件。 在使用HC-SR04模塊進行超聲波測距的同步，我們可以使用舵機進行輔助。舵機的重要作用是變化HC-SR04模塊的照射方向，從而控制超聲波的發(fā)射方向。在程序編寫過程中，如果小車前方碰見障礙時，我們可以直接控制舵機的轉向，而小車的車身可以保持不變，在測量結束后，小車再做相應的動作。 2.2.1 避障模塊器件構造及其原理

20、HC-SR04超聲波測距模塊測量范疇在2cm-400cm之間，可以實現(xiàn)無接觸式測距功能。HC-SR04超聲波測距模塊由一種超聲波發(fā)射器、一種超聲波接受器和控制電路構成，避障模塊的實物構造圖如圖2.17所示： 圖2.17 實物正背面構造圖 如構造圖所示VCC提供5v電源，GND為接地線，TRIG為觸發(fā)信號線，ECHO為回向信號輸出線?；驹砣缦拢翰捎肐O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號，在TRIG觸發(fā)沿到來后，超聲波發(fā)射器會自動發(fā)出8個40KHz的方波，并且檢測與否有信號返回，當超聲波接受器接受到超聲波時，表白有信號返回，通過IO口ECHO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就

21、是超聲波從發(fā)射到返回的時間。因此測量距離=（高電平持續(xù)時間*340m/s）/2。測量時序圖如圖2.18所示： 圖2.18 超聲波時序圖 我們根據時序圖，可以編寫相應的程序代碼。為了避免發(fā)射信號對回向信號的影響，我們的測量周期不易過小。并且由于HC-SR04的感應角度不不小于15°，因此測距時，為了避免發(fā)射信號丟失，我們規(guī)定被測物體的面積不應不不小于0.5平方米，否則也許導致測量成果不精確。 舵機在避障模塊的重要作用前面已經提到，本節(jié)重要解說舵機的工作特性。舵機的實物圖如圖2.19所示： 圖2.19 舵機實物圖 舵機的工作工作原理是stm32微解決器發(fā)出數(shù)據給舵機，舵機內部有一

22、種基準電路，它會產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，它將微解決器傳播的直流偏置電壓與電位器的電壓數(shù)據進行比較，獲得電壓差輸出。經由電路板上的IC?判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同步由位置檢測器送回反饋信號。舵機的轉動角度與stm32所提供的PWM信號有關。原則信號PWM周期為20ms，理論上來講脈寬為1~2ms，實際我們的脈寬為0.5~2.5ms，脈寬與所轉的角度一一相應。角度與脈寬的相應圖如圖2.20所示： 圖2.20 舵機角度與脈寬相應圖 2.2.2 HC-SR04模塊硬件電路設計 超聲波模塊硬件原理圖如下圖所示： 圖2.2

23、1 超聲波硬件原理圖 HC-SR04模塊重要由發(fā)射器、接受器和部分電路構成。在此實驗中，我們只需簡樸理解電路的設計，對于其基本原理可以不用過多涉獵，我們只需明白它們的工作原理，并且可以簡樸運用即可。 2.3循跡模塊設計 這節(jié)要完畢的任務是使小車沿著黑帶運動。要想使小車沿著黑帶運動，必須使小車感應到黑跡在什么地方，然后讓小車的中央解決單元驅動硬件電路完畢相應的行為動作。循跡模塊的設計就是使小車能精確的辨認黑帶的軌跡。小車的中央解決模塊從循跡模塊獲得數(shù)據，然后中央解決模塊根據采集的數(shù)據驅動電機模塊完畢相應的動作?？紤]到成本和操作，本實驗使用的紅外探測器。 2.3.1 循跡模塊構造及其原理

24、 紅外探測器（IR）是由紅外發(fā)射管、紅外接受管和部分電路構成。要做到4路循跡，需要使用4個獨立的紅外探測器器件。我們使用的IR5是一種集成模塊，這個集成模塊由5個紅外探測器構成。其中中間的1個IR探測器在本實驗中并未使用。紅外循跡模塊實物圖如圖2.27所示： 圖2.27 紅外模塊正背面 本實驗使用的IR5集成模塊是由5個相似的IR探測器電路構成的，因此我們只需要理解一種IR探測器的工作原理即可。我們懂得IR探測器是由紅外發(fā)射管、紅外接受管和部分電路構成。基本原理是紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光經地面反射，在黑色區(qū)域紅外光被吸取，在非黑色區(qū)域紅外光被反射，紅外接受管根據反射光的強度為比較器提供

25、模擬量，從而輸出相應的電平量。其單個IR探測器電路原理圖如圖2.28所示： 圖2.28 IR探測器電路原理圖 根據原理圖詳解下IR探測器的工作原理：VCC為模塊提供電源，是IR探測器工作的前提條件，紅外發(fā)射管DF2發(fā)射紅外光達到“地面”，經反射后紅外光會達到DS2紅外接受管，由于不同顏色的地面會對光的吸取有著不同的效果，因此發(fā)射后的光的強度也會不同，反射強度不同，LM339的5腳會輸入一種變化的電壓量，LM339是一種電壓較器，當LM339的“+”端輸入信號不小于“-”端的比較信號后，LM339的輸出端截止，在外部的上拉電源的作用下，使IR探測器的輸出端輸出+5v的電壓。同理，在“+”

26、端電壓不不小于“—”端電壓時，LM339輸出端電壓飽和使IR探測器輸出為低電壓。因此可以通過調節(jié)R2的電阻值，變化比較電壓的大小即“—”端電壓的大小，從而控制探測的距離。R4是整個正反饋電路的重要構成部分，由于“+”輸入端電壓會常常發(fā)生在比較電壓附近擾動的現(xiàn)象，這些微小的擾動都會導致輸出端的巨大變化，因此，我們采用正反饋的方式避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。加入R4電阻，就成為人們所說的“施密特觸發(fā)器”，其特性圖如圖2.29所示： 圖2.29 施密特觸發(fā)器特性圖 當輸入端的電壓發(fā)生轉化時，只要在比較電壓值附近的干擾不超過du之值，輸出的電壓就不會變化。R4正反饋的引入，不僅提高了電路的解決速度，并

27、且可以免除由于寄生電路耦合而產生的自己震蕩。但是，在提高電路的解決速度的同步，帶來的缺陷就是辨別率減少，由于只要在du附近輸出的電壓值就不會變化。 2.3.2 循跡模塊電路設計 IR5探測器的集成模塊的電路原理圖如圖2.30所示： 圖2.30 紅外循跡模塊電路圖 第三章 軟件調試及實物展示 上文提到了各個模塊的電路設計及其程序設計，本章就根據各個模塊的電路設計進行相應的編程。我們使用IAR軟件進行程序仿真，然后使用Jlink軟件把我們得到的目的文獻燒到解決器中，即程序下載。 3.1 程序仿真 IAR Systems是全球領先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務的供應商。公司成立于19

28、83年，提供的產品和服務波及到嵌入式系統(tǒng)的設計、開發(fā)和測試的每一種階段，涉及：帶有C/C++?編譯器和調試器的?集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、?實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。軟件IAR的操作主界面如圖3.1所示： 圖3.1 IAR主界面 3.2 程序下載 串口下載軟件使用Jlink，該軟件屬于第三方軟件，由單片機在線編程網提供，該硬件如圖3.2所示： 圖3.2 3.3 實物展示 智能抓物小車硬件如圖3.3所示； 圖3.3 第四章 總結 本文制定了具體的設計方案，并按照此方案逐漸完畢了電路原理圖的設計以及軟件程序的設計。本文的重點是基

29、于stm32微解決器為核心，添加其她外圍電路為輔助，并且加載必要的程序設計，使小車實現(xiàn)抓物功能。整個智能小車系統(tǒng)以stm32微解決器為核心，外圍電路涉及避障電路、循跡電路、顏色辨認、舵機驅動電路等，這些外圍電路通過stm32微解決器結合起來，使得各個模塊在保證工作精確性的同步，提高了小車的智能化。 報告一方面分析了研究智能小車的研究意義，對于本次研究的必要性進行了可行性分析。然后分析了國內外的研究概況，最后再此基本上提出了設計思路與程序流程，對于設計思路進行了可行性的分析。接著分別簡介了各個模塊的硬件設計方案以及軟件設計方案。在硬件設計方案中涉及對各個硬件電路所采用的器件進行分析和對硬件電路

30、的設計分析，從而決定器件的使用方案，以及硬件電路圖的設計。而在軟件設計方案中，我們只分析軟流程件設計，以擬定相應的程序編碼。最后我們對軟件、硬件進行測試，對于軟件測試，我們使用IAR軟件進行程序仿真，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。 在本方案中，由于受到所采購的硬件模塊尺寸的影響，循跡模塊在進行工作的時候，受到外部影響的因素很大。在本次實驗設計中，由于循跡探頭的安裝距離小車車輪很近，當循跡探頭采集數(shù)據傳播到CPU時，小車已經向前行駛了一段時間。假設小車的轉彎時間為T，小車的轉彎時的速度為V，我們要保證小車轉彎的路程不超過額定值S，那么就有公式VT<=S。要解決此問題，在程序設計的時候會給出參數(shù)。

31、在本次實驗中，器件的物理尺寸限制了小車轉彎敏捷度的最大值，因此本實驗的循跡模塊不是很抱負，總的來說，設計方案是完善的，基本上達到了設計所規(guī)定的目的。 致 謝 從課程開始到目前，半學期的學習和鍛煉，使我的課程設計基本完畢。在這期間，我在所學的基本知識之上，去接觸stm32，在接觸之初，我不斷的遇到問題，而我也懂得不經一番寒徹骨，哪的梅香撲鼻來的道理，最后我克服了種種困難，不僅使自己的知識更加牢固，并且也鍛煉了自己的心性。 固然以上所有成績的獲得都離不開教師和同窗的協(xié)助。我一方面要感謝的是我的學院，為我提供了一種良好的學習環(huán)境，固然，尚有我的指引教師，我非常感謝她在我課程設計的整個過程中始終

32、予以的熱情指引和督促，對我提出的疑惑耐心地指點，她的指點是我克服困難、完畢設計的重要因素。同步我還要感謝王昭寧同窗和我一起努力完畢本次設計，最后也要感謝其她各位教師和同窗的不吝指教。這次課程設計中，我不僅收獲了知識、能力，也深刻的體會到了師情和友誼的貴重。 參照文獻 [1] 杜春雷.ARM體系構造與編程[M].北京：清華大學出版社，-02-01 [2] 姚文詳，宋巖.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，-07 [3] 范書瑞.Cortex-M3嵌入式解決器原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，-01-01 [4] 李寧.基于MDK的STM32解決器開發(fā)應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，:1-260. [5] 劉軍，張洋.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，-05-01 [6] 彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列[M].北京：電子工業(yè)出版社，-01 [7] 張自強，晏英俊.基于stm32的步進電機轉速控制實驗設計[J].實驗室科學，-12，13（6）:59-61 [8] 周柱，孟文，田環(huán)宇.基于stm32智能小車設計[J].技術與市場，-06，18（6）:1-2