单片机竞赛报告(智能小车)

第三届单片机综合应用设计竞赛

参赛题目智能小车

专业电信信息工程技术，电子信息工程

班级1406142,140201Z

姓名朱思东，柏秋利

2016年12 月

摘要

本设计是基于STM32主控制芯片的智能小车。该小车主要实现以下功能：小车在自动行驶的过程中，能够灵活地避开有障碍物和车底下有悬崖的地方且能够被遥控。电源模块是通过7.4V锂电池实现；避障模块是通过超声波传感器和红外传感器实现；遥控模块是通过HC05蓝牙主从一体模块和手机APP实现；电机驱动模块是通过L298N实现；编程软件为MDK5。整体系统结构简单，可靠性高。关键词：单片机，传感器，避障，遥控

1.总体设计方案及论证

1.1系统组成原理

根据功能，确定如下方案：在现有车模底盘的基础上，加装超声波传感器，红外避障传感器模块检测小车周边障碍物的实时情况。然后，把数据返回给单片机，单片机发送相应的指令实现对电动小车的自动避障、运行状况的实时测量，从而达到利用单片机对小车智能控制，自动避障的目的。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

（1）STM32作为主控芯片核心，ARM 32位的 Cortex-M3?CPU，36MHz，1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1)，0等待的存储器访问，单周期乘法和硬件除法。存储器，从 32K字节至 128K字节闪存程序存储器，从 6K字节至 16K字节SRAM。时钟、复位和供电管理。2.0至 3.6伏供电和 I/O管脚。上电 / 断电复位(POR / PDR)、可编程电压监测器(PVD)内嵌 4至 16MHz高速晶体振荡器。内嵌经出厂调校的 8MHz RC振荡器。低功耗，睡眠、停机和待机模式，VBAT为 RTC和后备寄存器供电。调试模式，串行线调试(SWD)和JTAG调试接口。DMA，7通道 DMA 控制器，支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C,USART。多达 80个快速 I/O口，6/37/51/80个多功能双向 5V兼容的 I/O口，所有 I/O口可以映像到 16个外部中断。多达 6个定时器，多达 3个 16位定时器，每个定时器有多达，4个用于输入捕获 / 输出比较 / PWM或脉冲计数的通道，2个 16位看门狗定时器(独立的和窗口型的)等。

图1-1 STM32F103C8T6原理图

（2）直流电机驱动芯片

对于直流电机驱动芯片的选择首先我要考虑它的输出功率能不能很好的驱动小车的四个直流电机。然后，考虑它的外围电路是否简单。还有就是考虑它的价格是否相对比较便宜。综合这些我最终选择以前用过的大家都比较熟悉的电机驱动芯片L298。

电机驱动部分主要采用一片L298N和单片机直接相连够成驱动电路。L298N 芯片直插式的15个引脚，其中有两个使能端ENA和ENB，两个反馈端SA和SB，四个输入端IN1、IN2、IN3和IN4，四个输出端OUT1、OUT2、OUT3和OUT4，一个接地端GND，一个VSS(5V时性能最好)逻辑电源电压输入端和一个VS(最大承载电压46V，鉴于7805和电机电压，选取12Ｖ电源供电)功率电源电压输入端。L298N可同时驱动两个电机，最大输出电流为2A，鉴于它的良好性能和价格，选取L298N作为电机驱动芯片，L298N芯片如图2-2。AT89C52的P1.6端口作为pwm 脉冲输出，同时与L298N的两个使能端ENA、ENB相连，达到控制小车速度目的。P1^2~P1^5端口分别与L298N的引脚IN1、IN2、IN3、IN4相连通过电平变化控制电机在持续高速状态下的转向。L298N的四个输出端直接与两个电机相连驱动电机。

图1-2 L298N芯片实物图和引脚图

（3）超声波传感器

超声波测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的

同时开始计时，空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器

收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计

时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2

这就是所谓的时间差测距法。超声波传感器结构如图2-3所示。

图1-3超声波传感器结构

超声波在本设计中的原理分析：由于自己用分立元器件焊接比较麻烦，所以本设计采用现成的US－100超声波模块，US-100 超声波测距模块可实现 0~4.5m 的非接触测距功能，拥有 2.4~5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于 2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有 GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。US-100模块如图2-4所示。

US-100正面图US-100背面图

图1-4超声波实物图

超声波探测模块US-100的使用方法为：IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回；

有信号返回，通过IO 口Echo 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=（高电平时间*340）/ 2，单位为m 。

程序中测试功能主要由两个函数完成，即measure()负责计算一次测量小车障碍物的距离，然后shouldTurn()确定前方有障碍物采取避障措施，根据车体大小及系统的反应，经过测试，取20cm 的反应距离效果较为明显。另外，US-100超声波探测模块探测的间隔周期推荐值是64ms （图2-5），但经过试验，我们发现在我们的小系统中取800ms 较为适宜，使主程序有足够的时间来驱动小车前进，而不至于出现前进不流畅的现象。

触发信号

10uS 的TTL

循环发出8个40KHz 脉冲

模块内部

发出信号

输出回响信号

回响电平输出与检测距离成比例

图1-5 超声波检测原理

（4）红外传感器模块

避障传感器基本原理，利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调小车两轮工作，完成一个漂亮的躲避障碍物动作 。

（5）遥控模块

蓝牙模块BT-HC05模块是一款高性能的蓝牙串口模块。

1、可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA 、PSP 等智能终端配对。

2、宽波特率范围4800~1382400，并且模块兼容单片机系统。

3、当主从模式两个蓝牙模块配对成功后，可以简单的，更改为无线的蓝牙，让您的设备或者产品更高级，更时尚。

4、您可以很容易的使用提供的蓝牙手机软件来等。

2．硬件设计

2.1.系统设计总框图

本系统采用STM32单片机进行智能控制。按下开始键启动小车，当小车上的超声波检测到前方20CM内有障碍物的时候就左右扫描，如果20CM内仍有障碍物，小车停止前进。当小车底部悬空，电机反转，500ms后右转。小车在整个行驶过程中，可被遥控。通过单片机控制小车避障、转弯等一系列动作；系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测，由单片机控制实现；在小车行进过程中，采用单片机驱动L298实施PWM脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能。

图2.1 系统总体框图

2.2避障子系统设计框图

图2.2 系统总体框图

2.3遥控子系统设计框图

图2.3 系统总体框图

3.软件设计

3.1软件设计流程

本设计系统软件采用模块化结构，由主程序、定时子程序、电机驱动子程

序、中断子程序、显示子程序、算法子程序构成。定时器完成对超声波探测器发出的超声波在小车和障碍物之间往返运行的时间，然后在算法子程序中计算出小车距障碍物的距离，小车根据距障碍物的距离决定是继续前进还是转弯，主程序流程图如图3-1所示

图3-1 主程序流程图

3.2超声波探测模块

实现中采用定时器进行定时测量，超声波探测程序流程图如图4-2所示。超声波测距部分程序分析：在while循环中不断的对前方数据扫描检测周边障碍物。其中给TRIG脚先置高电平，这样超声波发出8个40HZ的方波信号，稍作延时，再把TRIG脚置低电平。当检测有信号返回时IO口就输出高电平。这样就可以通过公式计算出障碍物距小车的距离。部分程序如下：

图3-2 超声波探测流程

/******************************************************************** *******

程序部分

********************************************************************* ******/

3.3直流电机驱动部分软件设计

#define GPIO_MOTOR_PORT GPIOB

#define GPIO_IN1 GPIO_Pin_6

#define GPIO_IN2 GPIO_Pin_7

#define GPIO_IN3 GPIO_Pin_8

#define GPIO_IN4 GPIO_Pin_9

void MOTOR_GPIO_Config(void)//初始化

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8 |GPIO_Pin_9;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8 |GPIO_Pin_9); }

void motor_go_forward(void)//前进

{

GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN1); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN2); GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN3); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN4); }

void motor_go_back(void)//后退

{

GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN2); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN1); GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN4); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN3); }

void motor_stop(void)//停止

{

GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN2); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN1); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN4); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN3); }

void motor_go_left(void)//左转

{

GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN2); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN1); GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN3); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN4);

}

void motor_go_right(void)右转

{

GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN1); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN2); GPIO_SetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN4); GPIO_ResetBits(GPIO_MOTOR_PORT,GPIO_IN3);

3.4pwm控制舵机部分软件设计

void TIM3_Configuration(void)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;

TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //使能TIM3

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72-1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 20000-1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM 向上计数模式

TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, DISABLE);

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能

//占空比=(TIM_Pulse+1)/(TIM_Pulse+1)-(TIM_Period+1)=10000/20000=0.5=50% TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 10000-1;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高

TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根据TIM_OCInitStruct 中指定的参数初始化外设TIMx

TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); //使能TIMx在CCR2上的预装载寄存器

TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3,ENABLE); //设置TIM2的PWM输出为使能

TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIMx外设

}

4.软硬件调试

4.1系统调试

由于US-100对于障碍物的反射面有一定要求，即不能凹凸不平，应尽量平滑，否则测量不会很准确。针对障碍物表面的平整与不平整，我们分别测试了小车的运行情况。当障碍物表面较平整时，除非是极端的拐角处小车无法退出外（考虑到编程的复杂度以及仅仅是示意模型小车，程序中未记录小车转弯路径），小车能很好的避障；当障碍物表面不是很平整时，结果不能预测，有时小车能较好的转弯，而有时不能，这主要取决于探测模块的探测灵敏度，因为超声波和普通声波一样，有可能经过多次反射后回来的信号已出现偏差，而这程序很难实现辨别。总的说来，小车的运行结果基本达到了预期的效果，实现了演示性的避障功能。

4.2调试超声波模块

在调试超声波的时候，主要思想是用定时器检测超声波回送信号维持高电平的时间，在超声波探测器前放一障碍物，将计算得到的距离显示在数码管上，根据显示的结果和实际测量结果对比，确定超声波模块的准确性。

4.3舵机调试

在舵机调试的过程中，我们首先将STM32的PWM输出在示波器上反映出来，确保PWM波的输出正常，并且能够根据用户设定的比较值产生不同形式的输出，在比较匹配发生之后，调节其占空比，实现舵机的角度控制。

5．参考文献：

[1] 《STM32库开发实战指南》作者：刘火良

[2] 《ARM Cortex-M3应用开发实例详解》作者：刘波文编著

[3] 《STM32自学笔记》作者：蒙博宇编著出版社：北京航空航天大学出版社

附录： APP

a.app设计界面

b.app代码界面

附录：代码(部分)

/********************************************************** *************

* 2016成都工业学院第三届单片机设计比赛

*作品：智能小车

*作者：朱思东、柏秋利

*版本：V1.0

*编译器：MDK5

*编译日期：2016.11.27

*功能：智能壁障，手机app遥控（蓝牙），悬崖模式，超声波测距... *********************************************************** **************/

////////////////////////主函数部分

////////////////////////////////////////

#include "led.h"

#include "sensor.h"

#include "servo_motor.h"

#include "motor.h"

#include "delay.h"

#include "sys.h"

#include "hc05.h"

#include "usart3.h"

#include "string.h"

float middle_distance,left_distance,right_distance;

void Wave_Servo_Avoidong()

{

// TIM_SetCompare2(TIM3,150);

// delay_ms(200);

middle_distance=Get_distance();

delay_ms(10);

if(middle_distance<=250)

{

motor_stop();

delay_ms(10);

TIM_SetCompare2(TIM3,240);

delay_ms(200);

left_distance=Get_distance();

delay_ms(10);

TIM_SetCompare2(TIM3,150);

delay_ms(200);

TIM_SetCompare2(TIM3,60);

delay_ms(200);

right_distance=Get_distance();

delay_ms(10);

TIM_SetCompare2(TIM3,150);

delay_ms(200);

if(left_distance

{

motor_go_right();

delay_ms(300);

}

else if(left_distance>right_distance)

{

motor_go_left();

delay_ms(300);

}

else

motor_go_forward();

}

else

motor_go_forward();

}

int main(void)

{

delay_init(); //延时函数初始化

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级

LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口

MOTOR_GPIO_Config();//电机初始化

Infrared_GPIO_Config();//红外初始化

Wave_GPIO_Config();//超声波初始化

Seovo_Motor_Config();//舵机控制引脚初始化

TIM1_Int_Init(99,719);

TIM3_PWM_Init(1999,719);

TIM4_PWM_Init();//定时器4初始化

while(HC05_Init())

{

delay_ms(10);

}

USART3_RX_STA=0;

while(1)

{

if(USART3_RX_STA&0X8000) //接收到一次数据了

{

uint8_t ch;

ch=USART_ReceiveData(USART3);

switch(ch)

{

case 0x0a:

GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); //打开LED1 break;

case 0x0b:

GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); //关闭LED1 break;

case 0x01:

motor_go_forward();//前进

break;

case 0x02:

motor_go_left();//左转

delay_ms(250);

motor_stop();

break;

case 0x03:

motor_go_right();//右转

delay_ms(250);

motor_stop();

break;

case 0x04:

motor_go_back();//后退

break;

case 0x05:

motor_stop();//停止

break;

case 0x06:

TIM_SetCompare2(TIM3,150);

delay_ms(200);

while(1)

{

Wave_Servo_Avoidong();//自动避障行驶}

break;

default:

motor_stop();

break;

}

USART3_RX_STA=0;

}

}

}

////////////////蓝牙初始化//////////////////////////////

#include "delay.h"

#include "usart3.h"

#include "hc05.h"

//初始化HC05模块

//返回值:0,成功;1,失败.

u8 HC05_Init(void)

{

u8 retry=10,t;

u8 temp=1;

usart3_init(9600); //初始化串口3为:9600,波特率.

while(retry--)

{

u3_printf("AT\r\n"); //发送AT测试指令

for(t=0;t<10;t++) //等待接收HC05模块的回应

{

if(USART3_RX_STA&0X8000)break;

delay_ms(5);

}

if(USART3_RX_STA&0X8000)

{