自動循跡小車課程設計.doc

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課程報告 課程名稱 嵌入式系統(tǒng)與應用 項目名稱 自動循跡小車 院 系 理學院 專 業(yè) 自動化 1401 學 號 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 姓 名 xxxxxxxx 指導導師 xxxxxxxx 2017年 05月 23日 西京學院理學院制 摘要 本次課程設計主要完成基于 STM32F103微處理器的智能小車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設計 此智能小車系統(tǒng)的組成主要包括 STM32F103控制器 電機驅(qū)動電路 紅外探測電路 本次試驗采用 STM32F103微處理器為核心芯片 利用 PWM技術(shù)對速度進行控制 循跡 模塊進行黑白檢測 其他外圍擴展電路實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能 實現(xiàn)了智能小車能夠自動 跟蹤地面上的黑色軌跡的任務 關鍵字 STM32 紅外探測 PWM 電機控制 Abstract This course design mainly completes the system design of intelligent car control system based on STM32F103 microprocessor The composition of this intelligent car system mainly includes STM32F103 controller motor drive circuit infrared detection circuit This test uses STM32F103 microprocessor as the core chip the use of PWM technology to control the speed tracking module for black and white detection other peripheral expansion circuit to achieve the overall function of the system To achieve the smart car can automatically track the black track on the ground task Keywords STM32 infrared detection PWM motor control 目錄 1設計任務要求 1 2方案設計及選型 1 2 1 總體方案選擇 1 2 2 車型選型 1 2 3 器件選型 2 3系統(tǒng)電路設計 2 3 1 循跡模塊接口電路設計 2 3 2 電機驅(qū)動模塊接口電路設計 3 3 3 電源設計 4 3 4 STM32小系統(tǒng) 5 4系統(tǒng)軟件設計 6 4 1 主程序設計 6 4 2 功能函數(shù)設計 6 5系統(tǒng)測試 6 6結(jié)束語 7 參考文獻 8 附錄一 系統(tǒng)總體電路圖 9 附錄二 部分程序 10 附錄三 作品實物圖 11 1設計任務要求 本設計通過對軌跡跟蹤問題的分析 制作了一輛能夠自動跟蹤地面上的黑色軌跡 的智能小車 1 設計搭建小車結(jié)構(gòu)框架 兩驅(qū)或四驅(qū)不限 機械轉(zhuǎn)向靈活 2 設計選型電源 電機 傳感器 STM32 控制器板等電路模塊 完成方案設計和電 路圖繪制 3 設計功能函數(shù)和軟件流程圖 2方案設計及選型 2 1 總體方案選擇 基于對小車循跡準確性以及速度的綜合考慮 我們最終選擇的系統(tǒng)框圖如圖 2 1 所示 S T M 3 2 L 2 9 8 N 左側(cè)電機 右 側(cè) 電 機 信 號 處 理 三 對 紅 外 發(fā) 收 對 管 圖 2 1 總體方案框圖 2 2 車型選型 基于在循跡小車設計報告的實際完成情況 我們考慮到小車調(diào)試頻繁的問題 電 池使用時間長短以及小車的靈活性 我么們選擇了由倆個電機與一個萬向輪組成的倆 驅(qū)小車 車架使用市面上的合成簡易車架 2 3 器件選型 1 循跡模塊選型 方案一 采用紅外對管對黑帶進行高頻率掃描 并將掃描結(jié)果串行輸出 用斯密 特觸發(fā)器對波形整形后 將數(shù)據(jù)送入 STM32進行分析判斷 優(yōu)點 節(jié)省系統(tǒng)消耗的功率 節(jié)約 STM32的 I O 硬件電路的接線變得簡潔 缺點 信息處理速度相對于并行輸出慢 相鄰紅外會產(chǎn)生干擾 方案二 采用多路反射型的光電傳感器 TCRT5000對地面進行檢測 將所采集到的 信息并行輸入比較器比較后 再將數(shù)據(jù)送入 STM32處理 優(yōu)點 信息處理速度快 相鄰傳感器不會相互干擾 操作方便 結(jié)構(gòu)簡單 缺點 占用 STM32的 I O較多 連線相對繁瑣 方案選擇 考慮到小車對信息的采集速度及檢測的準確性 我們最終選用了方案 二 2 驅(qū)動及電機選擇 驅(qū)動選擇 由于 L298N驅(qū)動有以下優(yōu)點 a 可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn) b 啟動性能好 啟動轉(zhuǎn)矩大 c 可同時驅(qū)動兩臺直流電機 所以我們最終選擇了 L298N驅(qū)動 電機選擇 直流減速電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn) 速度快 功耗低 又因為本設計是用電池 供電 所以我們最終選擇了 6V的直流減速電機作為小車的驅(qū)動電機 3系統(tǒng)電路設計 3 1 循跡模塊接口電路設計 小車在白色地面行駛時 紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號被反射 接收管接收到信號后 輸出端為低電平 紅外傳感器的三個輸出端口分別與控制模塊的 PA4 PA6依次相連 而當紅外信號遇到黑色導軌時 紅外信號被吸收 接收管不能接收到信號 輸出端為 高電平 單片機通過采集每個紅外接收管的輸出信號 便可以檢測出所處位置 從而 控制小車的轉(zhuǎn)向 我們采用的傳感器為紅外避障模塊傳感器 它是采用高發(fā)射功率紅外光電二極管 和高度靈敏光電晶體管組成 紅外避障傳感器的發(fā)射管和接收管是一起封裝在矩形塑 料殼中 為了使檢測更加準確 我們用了紅外避障傳感器檢測黑線 其中一只放在黑 線上方其余 2只對稱分布在黑線的兩側(cè) 循跡模塊實物如圖 3 1所示 圖 3 1 紅外避障模塊傳感器實物圖 圖 3 2 循跡模塊原理圖 3 2 電機驅(qū)動模塊接口電路設計 對于小車車輪的兩個直流電機 我們采用了一片電機驅(qū)動芯片 L298N對其進行驅(qū) 動 STM32 為芯片提供驅(qū)動信號 傳至 PWM控制各個電機的轉(zhuǎn)速 從而調(diào)整小車的前進 速度和轉(zhuǎn)向 其實物模塊如圖 3 2所示 其中左前電機 PB12 方向 PA8 PWM 右前電機 PB13 方向 PA9 PWM 圖 3 3 電機驅(qū)動實物模塊圖 圖 3 4 電機驅(qū)動模塊原理圖 3 3 電源設計 本設計中采用的是 6V電池供電 因為主控芯片以及其余模塊均采用的 3 3V供電 直流減速電機采用 6V供電 傳感器采用 5V供電 其實物圖如 3 3所示 圖 3 5 電源模塊實物圖 3 4 STM32小系統(tǒng) 本設計采用了一片 STM32單片機為控制核心 通過循跡模塊 驅(qū)動模塊的應用 實現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 自動循跡的任務 其原理圖如圖 3 4所示 圖 3 6 主控制模塊原理圖 4系統(tǒng)軟件設計 4 1 主程序設計 當開機時 系統(tǒng)復位 然后進入自動運行狀態(tài) 使小車沿黑線行進 并且在小車 偏離軌道后自動調(diào)整走向使之返回預定路線 該模塊的具體設計流程框圖如圖 4 1所 示 開 始 讀 入 模 式 狀 態(tài) 黑 線 在 中 間 嗎 直 行 控 制 左 右 電 機 按 循 跡 判 斷 轉(zhuǎn) 向 是 否 圖 4 1 系統(tǒng)軟件設計框圖 4 2 功能函數(shù)設計 1 方向判斷由 if else if函數(shù)書寫 2 用定時器來生成 PWM的占空比 3 定時器初始化函數(shù) Tim1 Init 5系統(tǒng)測試 1 測試儀器 示波器 電源 萬用表 測試方法 采用模擬電路由前端到后段 數(shù)字電路先仿真再試測 先逐個模塊測 試再整體調(diào)試的辦法 2 循跡模塊測試 連接好電路 調(diào)好靈敏度 然后用萬用表分別測量光電傳感器接收端的輸出電壓 值 其值如表 5 1所示 表 5 1 光電傳感器輸出電壓測量 光電傳感器編號 1 2 3 4 白線 V 4 83 4 81 4 83 4 87光電傳感器接 收端電壓 V 黑線 V 0 42 0 43 0 45 0 45 3 占空比與小車運行速度測試 表 5 2 占空比與小車運行速度對應表 占空比 前進速度 cm s 后退 cm s 20 0 0 50 30 5 30 3 70 36 7 36 5 100 45 9 45 7 6結(jié)束語 首先謝謝老師對我門的指導 謝謝同學給我們的幫助 在以后的學習工作中 我 們一定會將今天所學習到的知識應用于生產(chǎn)實踐中 當然 該小車還存在著一些缺陷 比如 功耗較大 外型不夠美觀等 導致我們的小車出現(xiàn)那好多問題 總之 我們的 設計還有很大的提升空間 本次設計我們無論是在硬件還是軟件上的能力都有很大的 提高 比如 接線端口有誤 沒有檢查仔細是我們的進程有了延誤 這使我們經(jīng)歷了 一個設計從方案提出到確定 到最后的調(diào)試出實物 看到效果 在這個過程中收獲巨 大 通過競賽 我們提高了自學能力以及團隊協(xié)作能力 并進一步提高了對本專業(yè)的 興趣 本次競賽對自己的信心也有很大提高 在以后的學習中 我們會再接再厲 參考文獻 1 劉軍 張洋 原子教你玩 STM32 M 北京 北京航空航天大學出版社 2013 05 01 2 李亞巨 樊東 基于 stm32f103zet6的智能小車的制作 J 電子制作 2013 11 3 李婕 基于 STM32的智能小車的制無線視頻監(jiān)控智能小車設計 D 蘭州 蘭州理工 大學出版社 2014 4 4 劉火良 楊森 電子與嵌入式系統(tǒng)設計叢書 機械工業(yè)出版社 2017 2 5 蔣建春 曾素華 嵌入式系統(tǒng)原理及應用 高等教育出版社 2014 01 01 6 劉彥文 基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)原理及應用 清華大學出版社 2017 02 01 7 譚會生 ARM 嵌入式系統(tǒng)原理及應用開發(fā) 西安電子科技大學出版社 2017 02 01 附錄一 系統(tǒng)總體電路圖 VC3GND1 P2 TCRT1TCRT50 VC3GND1 P2 TCRT2TCRT50 VC3GND1 P2 TCRT3TCRT50 PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB1 PB12PB13PB14PA15PA8PA9PA10PA1 U1STM32 IN15IN27ENA6 OUT1 2 OUT2 3 ENB1 OUT3 13 OUT4 14 IN310IN412SENSA1SENSB15 GND8 VS 4 VC9 U1L298 3 3V 6V 光電傳感 器 光電傳感 器 光電傳感 器 前左電機前右電機 電機驅(qū)動 附錄二 部分程序 int main void BSP Init 系統(tǒng)初始化 SysTick CLKSourceConfig SysTick CLKSource HCLK SysTick Config 72000 1ms延時 72000 72000000Hz 1ms Tim1 Init 定時器初始化函數(shù) 設定 PWM頻率 5kHz while 1 if LeftSensor 0 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進 8s else if LeftSensor 0 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進 8s else if LeftSensor 1 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進 8s else if LeftSensor 0 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進 8s else if LeftSensor 1 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進 8s 附錄三 作品實物圖 指導教師評閱意見 指導教師評閱意見 成績評定 李楠 陳廷 左天康 指導教師簽字 年 月 日