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基于STM32的智能循跡往返小車設計
作者: admin    文章來源: 五六電子    點擊:15996    更新時間:2015-01-25

      智能車輛作為智能交通系統的關鍵技術之一,是許多高新技術綜合集成的載體。它體現了車輛工程、人工智能、自動控制及計算機技術于一體的綜合技術,是未來汽車發展的趨勢。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設計方案。充分利用該芯片高速運算、處理能力,來實現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動參數,使用芯片自帶的PWM 輸出功能,步進調節占空比來調節電機的轉速。通過模糊控制和PWM 寬調制技術的結合,提高了對車位置控制精度。

1 系統硬件電路設計
      根據題目中的設計要求, 本系統主要由主控單片機模塊、電源模塊、電機驅動模塊、黑線檢測模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊構成。本系統的方框圖如圖1 所示。

   

1.1 主控單片機模塊
      控制器主要用于控制電機的運動,黑線的檢測以及相關信息的顯示。本設計采用STM32 作為控制器,其性能優良,移植性好,提高了對直流電機的控制效率,并對控制系統進行模塊化設計,有利于智能小車的功能擴展和升級。本系統的核心控制板是STM32F103 的最小系統,它由電源電路、實時時鐘、系統時鐘電路、JTAG 接口電路、復位電路、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GPIOB12、GPIOB13,而后端兩個紅外傳感器檢測的到的信號輸入單片機GPIOB12、GPIOB13,單機片經處理后通過GPIOE3-GPIOE6 驅動電路控制直流電機的轉向;顯示模塊以2.4 寸tft 為核心, 對記錄的結果進行顯示。

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,因此本模塊設計需要檢測鋪在行駛區的黑膠帶,由于黑線和白紙對光線的反射系數不同, 可根據接收到的反射光的強弱來判斷“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來識別軌跡上的黑線標記信號,這種光電開關的紅外發射管和接收管位于同一側[3],光敏三極管只能接收反射回的紅外光。當車身下面是黑線時,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通,光電開關輸出高電平,經非門輸出低電平。反之,當車身下面是白色的地面時, 紅外發射管發射的光經其反射后,被接收管接受,光電開關輸出低電平,經非門整形后輸出高電平。將非門的輸出接至單片機IO 口。車在前進和后退過程中,小車每過一道黑線,便產生一次電平變化,主程序從而調用相應的子程序,隨著小車的不斷行駛,相應的程序依次被調用執行,使小車在跑道上按設計要求時快、時慢、時前進、時后退。

1.3 電動機驅動模塊
      采用雙H 橋驅動芯片L298。其內部包含4 通道邏輯驅動電路,可以方便的驅動兩個直流電機,或一個兩相步進電機。控制芯片的驅動使能端就可以控制驅動電機的速度。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, 產生PWM1 和PWM2 兩路PWM波輸出,IN1-IN4 分別用PE3-PE6 實現I/O 輸出控制電機轉動方向。在L298 與電機之間加入二極管,以保護電路。

      其基本電路圖如圖3 所示。

              

      如圖2 所示,小車運動狀態通過電機A 和B 的不同方向轉動來實現,電機有正轉、反轉和停止3 種狀態,每個電機由一對I/O 口進行控制。表1 是I/O 端口狀態與電機制動對照表。

1.4 液晶顯示模塊
      液晶顯示模塊使用2.4 寸TFT 觸摸屏, 由STM32 的FSMC 接口通過ILI9325 驅動芯片驅動觸摸屏。該驅動芯片支持240RGB×320 像素, 可以顯示262144 真色彩。支持MVA(Multi_domain Vertical Aligement 多范圍垂直隊列)寬視角顯示,組合720 通道源極驅動和320 通道門極驅動,其內部集成172 800 字節的GRAM(圖形內存),以及高速內存脈沖寫功能等功能。

1.5 電源電路設計
      由于各電路模塊所需電壓不同, 本設計需多種電源供電。STM32F103 主控芯片采用3.3 V 供電,電機驅動采用5 V與12 V,紅外收發檢測電路采用5 V,液晶顯示與觸角傳感電路均采用3.3 V 供電。外部電源采用12 V 的直流電壓,因此根據設計要求,本設計進行了電源轉換設計。

      1)采用KA7805 芯片實現12 V 到5 V 的轉換。KA7805的作用是輸入大于5 V 的直流電壓, 輸出5 V 的直流電壓,且管腳較少,易于連接和實現,穩定性高。圖4 為KA7805 芯片引腳接線圖。

     

      2)本設計采用LM1117-3.3 芯片將5 V 轉換為3.3 V,具體電路設計如圖5 所示。

2 系統軟件設計
      系統軟件設計采用C 語言編程實現, 利用單片機PWM輸出模塊和普通I/O 模塊,根據系統需求,對各個模塊進行初始化配置,以實現其相應功能。主程序流程如圖6 所示。

                  

3 結論
      文中根據設計內容和要求,制定了設計方案,并逐步完成了硬件和軟件部分的設計。整個系統以STM32 為主控芯片,實現對小車簡單運動的控制,完成各部分電路設計并使用PROTEL 畫出電路設計原理圖;軟件部分在STM32 集成開發環境IAR EWARM 5.3 下編寫各模塊程序,包PWM 波輸出模塊、液晶顯示模塊自由行走避障模塊和紅外循跡模塊,并通過主控制程序將各模塊融合一起。整個設計將硬件與軟件相結合,實現對小車的控制,使小車能夠做出前進、后退、左轉、右轉等動作,并通過液晶顯示器實時顯示小車的運動參數,及對小車速度進行調節,并且能夠在不同模式下通過傳感檢測電路實現簡單的避障和循跡功能,在本次設計中將PWM 波占空比控制在1/2 以下,使小車不會因速度過高而導
致轉彎過程中其方向不易控制。論文基本完成了硬件和軟件的設計,并使之符合設計要求。本設計與實際應用相結合,利用高性能的STM32F103 芯片,輔以各種傳感器來檢測路面、障礙物等周圍環境,通過高可靠性的軟件設計,來實現小型電動車的智能控制,具有很強的現實意義。
 

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