基于STM32的智能循跡往返小車(chē)設計

摘要：本設計針對智能交通系統，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，構成了一個(gè)完整的車(chē)載控制系統，能夠在直線(xiàn)方向上完成調速、急剎車(chē)、停車(chē)、倒車(chē)返回等各種運動(dòng)形式，并且可以自動(dòng)記錄、顯示一次往返時(shí)間和行駛距離，同時(shí)用蜂鳴器提示返回到了起點(diǎn)。另外，經(jīng)過(guò)MATLAB仿真后，成功地實(shí)現了從最高速降至低速的平穩調速。
關(guān)鍵詞：循跡小車(chē)；反射式紅外傳感器；PWM；STM32F103；直流電機

智能車(chē)輛作為智能交通系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，是許多高新技術(shù)綜合集成的載體。它體現了車(chē)輛工程、人工智能、自動(dòng)控制及計算機技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢。本文提出了一個(gè)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(chē)系統設計方案。充分利用該芯片高速運算、處理能力，來(lái)實(shí)現小車(chē)自動(dòng)識別路線(xiàn)按跡行走、躲避障礙物，并且通過(guò)LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示小車(chē)運動(dòng)參數，使用芯片自帶的PWM輸出功能，步進(jìn)調節占空比來(lái)調節電機的轉速。通過(guò)模糊控制和PWM脈寬調制技術(shù)的結合，提高了對車(chē)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(dòng)模塊、黑線(xiàn)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(dòng)，黑線(xiàn)的檢測以及相關(guān)信息的顯示。本設計采用STM32作為控制器，其性能優(yōu)良，移植性好，提高了對直流電機的控制效率，并對控制系統進(jìn)行模塊化設計，有利于智能小車(chē)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、系統時(shí)鐘電路、JTAG接口電路、復位電路、用戶(hù)LED和按鍵電路、串口電路等組成。
本小車(chē)由于需要倒車(chē)，為了倒車(chē)的準確性在小車(chē)的前后兩端分別安裝了兩個(gè)紅外傳感器，小車(chē)前端兩個(gè)紅外傳感器檢測的到的信號輸入單片機GPIOB12、GPIOB13，而后端兩個(gè)紅外傳感器檢測的到的信號輸入單片機GPIOB12、GPIOB13，單機片經(jīng)處理后通過(guò)GPIOE3-GPIOE6驅動(dòng)電路控制直流電機的轉向；顯示模塊以24寸tft為核心，對記錄的結果進(jìn)行顯示。
1．2 路面黑線(xiàn)檢測模塊
該智能小車(chē)在貼有黑線(xiàn)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(xiàn)和白紙對光線(xiàn)的反射系數不同，可根據接收到的反射光的強弱來(lái)判斷“道路”——黑線(xiàn)。本文采用的是簡(jiǎn)單實(shí)用的檢測方法，即紅外探測法。采用紅外線(xiàn)控制的反射式紅外對管，紅外對管只對紅外線(xiàn)具有較高靈敏度，從而避免了外界光線(xiàn)的干擾；跑道黑帶能夠吸收紅外線(xiàn)，而白色跑道能夠反射紅外線(xiàn)，從而檢測到跑道黑帶。

采用反射式光電開(kāi)關(guān)來(lái)識別軌跡上的黑線(xiàn)標記信號，這種光電開(kāi)關(guān)的紅外發(fā)射管和接收管位于同一側，光敏三極管只能接收反射回的紅外光。當車(chē)身下面是黑線(xiàn)時(shí)，由于黑線(xiàn)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(kāi)關(guān)輸出高電平，經(jīng)非門(mén)輸出低電平。反之，當車(chē)身下面是白色的地面時(shí)，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(kāi)關(guān)輸出低電平，經(jīng)非門(mén)整形后輸出高電平。將非門(mén)的輸出接至單片機IO口。車(chē)在前進(jìn)和后退過(guò)程中，小車(chē)每過(guò)一道黑線(xiàn)，便產(chǎn)生一次電平變化，主程序從而調用相應的子程序，隨著(zhù)小車(chē)的不斷行駛，相應的程序依次被調用執行，使小車(chē)在跑道上按設計要求時(shí)快、時(shí)慢、時(shí)前進(jìn)、時(shí)后退。
1．3 電動(dòng)機驅動(dòng)模塊
采用雙H橋驅動(dòng)芯片L298。其內部包含4通道邏輯驅動(dòng)電路，可以方便的驅動(dòng)兩個(gè)直流電機，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機?？刂菩酒尿寗?dòng)使能端就可以控制驅動(dòng)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(chǎn)生PWM1和PWM2兩路PWM波輸出，IN1-IN4分別用PE3-PE6實(shí)現I／O輸出控制電機轉動(dòng)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(chē)運動(dòng)狀態(tài)通過(guò)電機A和B的不同方向轉動(dòng)來(lái)實(shí)現，電機有正轉、反轉和停止3種狀態(tài)，每個(gè)電機由一對I／O口進(jìn)行控制。表1是I／O端口狀態(tài)與電機制動(dòng)對照表。