基于STM32的智能循跡往返小車設(shè)計

摘要：本設(shè)計針對智能交通系統(tǒng)，采用STM32F103作為主控芯片，輔以路面檢測模塊、顯示模塊等外圍器件，構(gòu)成了一個完整的車載控制系統(tǒng)，能夠在直線方向上完成調(diào)速、急剎車、停車、倒車返回等各種運(yùn)動形式，并且可以自動記錄、顯示一次往返時間和行駛距離，同時用蜂鳴器提示返回到了起點。另外，經(jīng)過MATLAB仿真后，成功地實現(xiàn)了從最高速降至低速的平穩(wěn)調(diào)速。
關(guān)鍵詞：循跡小車；反射式紅外傳感器；PWM；STM32F103；直流電機(jī)

智能車輛作為智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。它體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制及計算機(jī)技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，是未來汽車發(fā)展的趨勢。本文提出了一個基于STM32F103芯片為控制核心，附以紅外傳感器采集外界信息和檢測障礙物的智能小車系統(tǒng)設(shè)計方案。充分利用該芯片高速運(yùn)算、處理能力，來實現(xiàn)小車自動識別路線按跡行走、躲避障礙物，并且通過LCD顯示器實時顯示小車運(yùn)動參數(shù)，使用芯片自帶的PWM輸出功能，步進(jìn)調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過模糊控制和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，提高了對車位置控制精度。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
根據(jù)題目中的設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由主控單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、黑線檢測模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

1．1 主控單片機(jī)模塊
控制器主要用于控制電機(jī)的運(yùn)動，黑線的檢測以及相關(guān)信息的顯示。本設(shè)計采用STM32作為控制器，其性能優(yōu)良，移植性好，提高了對直流電機(jī)的控制效率，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，有利于智能小車的功能擴(kuò)展和升級。本系統(tǒng)的核心控制板是STM32F103的最小系統(tǒng)，它由電源電路、實時時鐘、系統(tǒng)時鐘電路、JTAG接口電路、復(fù)位電路、用戶LED和按鍵電路、串口電路等組成。
本小車由于需要倒車，為了倒車的準(zhǔn)確性在小車的前后兩端分別安裝了兩個紅外傳感器，小車前端兩個紅外傳感器檢測的到的信號輸入單片機(jī)GPIOB12、GPIOB13，而后端兩個紅外傳感器檢測的到的信號輸入單片機(jī)GPIOB12、GPIOB13，單機(jī)片經(jīng)處理后通過GPIOE3-GPIOE6驅(qū)動電路控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向；顯示模塊以24寸tft為核心，對記錄的結(jié)果進(jìn)行顯示。
1．2 路面黑線檢測模塊
該智能小車在貼有黑線的白紙“路面”上行駛，因此本模塊設(shè)計需要檢測鋪在行駛區(qū)的黑膠帶，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”——黑線。本文采用的是簡單實用的檢測方法，即紅外探測法。采用紅外線控制的反射式紅外對管，紅外對管只對紅外線具有較高靈敏度，從而避免了外界光線的干擾；跑道黑帶能夠吸收紅外線，而白色跑道能夠反射紅外線，從而檢測到跑道黑帶。

采用反射式光電開關(guān)來識別軌跡上的黑線標(biāo)記信號，這種光電開關(guān)的紅外發(fā)射管和接收管位于同一側(cè)，光敏三極管只能接收反射回的紅外光。當(dāng)車身下面是黑線時，由于黑線吸收部分光，光敏三極管接收到的紅外光不能使光敏三極管導(dǎo)通，光電開關(guān)輸出高電平，經(jīng)非門輸出低電平。反之，當(dāng)車身下面是白色的地面時，紅外發(fā)射管發(fā)射的光經(jīng)其反射后，被接收管接受，光電開關(guān)輸出低電平，經(jīng)非門整形后輸出高電平。將非門的輸出接至單片機(jī)IO口。車在前進(jìn)和后退過程中，小車每過一道黑線，便產(chǎn)生一次電平變化，主程序從而調(diào)用相應(yīng)的子程序，隨著小車的不斷行駛，相應(yīng)的程序依次被調(diào)用執(zhí)行，使小車在跑道上按設(shè)計要求時快、時慢、時前進(jìn)、時后退。
1．3 電動機(jī)驅(qū)動模塊
采用雙H橋驅(qū)動芯片L298。其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)?？刂菩酒尿?qū)動使能端就可以控制驅(qū)動電機(jī)的速度。L298芯片采用5 V(VSS)與12 V(VS)直流供電，EN A和ENB分別用STM32F103主控芯片的TIM3 CH3和PB1／ADC_ IN9／TIM3_CH4控制，產(chǎn)生PWM1和PWM2兩路PWM波輸出，IN1-IN4分別用PE3-PE6實現(xiàn)I／O輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。在L298與電機(jī)之間加入二極管，以保護(hù)電路。
其基本電路圖如圖3所示。

如圖2所示，小車運(yùn)動狀態(tài)通過電機(jī)A和B的不同方向轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，電機(jī)有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止3種狀態(tài)，每個電機(jī)由一對I／O口進(jìn)行控制。表1是I／O端口狀態(tài)與電機(jī)制動對照表。