(新)简易智能小车设计报告

嵌入式系统课程设计题目：简易智能小车

学院：机电工程学院

专业：自动化

班级：

学生：

学号：

指导教师：

目录

摘要 (1)

第1章绪论 (2)

1.1 简易智能小车的概述 (2)

1.1 主要研究工作 (3)

第2章硬件电路设计 (3)

2.1 总体方案的设计 (3)

2.2 LPC2103的简介 (3)

2.3 单元电路的设计 (5)

2.3.1控制系统模块 (5)

2.3.2 键盘显示板模块 (6)

2.3.3稳压电源模块 (7)

2.3.4 驱动电路模块 (8)

第3章软件设计 (10)

3.1 EasyJTAG-H 仿真器的使用 (10)

3.2软件程序编写 (10)

第4章调试 (18)

4.1 电路焊接与检查 (18)

4.2 键盘显示板的调试 (18)

4.2 执行电路的调试 (18)

第5章结论 (19)

致谢 (19)

参考文献 (20)

附录 (21)

附录 1 实物图 (21)

附录2 元器件清单表 (22)

摘要：本次课程设计采用ARM7系列LPC2103作为智能小车的检测和控制核心。利用PWM技术动态控制电动机的转速，来实现直流调速的功能模块。通过键盘

显示板上的八个按键,实现小车不同方向的行驶，实现ARM与键盘显示板的

人机对话。

关键词：LPC2103、键盘显示板、L298整流电路、直流电机、稳压电源。

。

第1章绪论

1.1 简易智能小车的概述

LPC2103 是一个基于支持实时仿真的 16/32 位 ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并带有32kB 的嵌入高速 Flash 存储器，128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。

较小的封装和极低的功耗使 LPC2103 适用于访问控制器和 POS 机等小型应用系统中；由于内置了宽范围的串行通信接口（2个UART、 SPI、 SSP和2个I2C）和8KB的片内SRAM，LPC2103 也适合用在通信网关和协议转换器中。32/16 位定时器、增强型 10 位 ADC、定时器输出匹配PWM特性、多达13个边沿、电平触发的外部中断、 32条高速GPIO，使得LPC2103微控制器特别适用于工业控制和医疗系统中。

1.2 主要研究工作

1、掌握各种H桥来驱动电机的常用方法，理解各种H桥的驱动原理本；学会自己制

作稳压电源，掌握对原器件要求的选择；掌握键盘显示板的电路以及应用，对74HC164芯片及L298芯片功能作用的认识。

2、熟练使用ARM7系列LPC2103开发板，熟习ARM7系列的开发板的工作特性和

功能模块，对LPC2103开发板的GPIO、PWM、定时器的捕获及匹配、SPI这几个模块的熟练掌握，学会使用ADS的开发环境开发和调试程序及EasyJTAG-H 仿真器，学会使用键盘显示板实现人机对话

第2章硬件电路设计

2.1 总体方案设计

基于ARM7系列LPC2103开发板的功能特性以及我们的设计目的，我们选择LPC2103作为本课程设计的控制器，它能够很好的实现该课题设计的要求；我们使用L298来驱动直流电机的转动；我们使用三端稳压集成电路7805、7812做成的稳压电源作为电机、L298H桥的工作电源;由于普通直流电机体积小,力矩大，速度快,并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。我们使用74HC164是串行输入,并行输出的8位移位寄存器做成的键盘显示板结合ARM的SPI模块实现了人机对话的功能模块。总体方案如图2-1。

图2.1.1 总体设计方案

2.2 LPC2103的简介

ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，具有大量的通用寄存器，指令格式使用统一和长度固定，寻址方式简单，内含2套指令系统（ARM指令集和Thumb指令集）。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。LPC2103有丰富的接口资源、处理速度快、内部存储空间大及具备功率控制模块，是一种低耗器件，因此本设计微处理选用LPC2103。

LPC2103内嵌32KB的高速Flash存储器和8KB的RAM，具有丰富的外设资源：2个32位定时器(带捕获、匹配通道)；1个10位DAC；7个PWM 通道；47路GPIO；4个边沿或电平触发的外部中断；具有独立电源和时钟的RTC；多个串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址，片内Boot装载程序可以实现在系统/在应用编程(ISP/IAP)，通过片内PLL可实现60MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒。

LPC2131具体特性有：

(1) 16/32 位ARM7 TDMI-S微控制器，超小LQFP48 封装；

(2) 8KB 的片内静态RAM 和32KB 的片内Flash 程序存储器。128 位宽度接口/加速器

可实现高达70 MHz 工作频率；

(3) 通过片内boot 装载程序实现在系统/在应用编程（ISP/IAP）。单个Flash 扇区或整

片擦除时间为100ms，256 字节编程时间为1ms；

(4) 嵌入式ICE RT 通过片内RealMonitor软件提供实时调试；

(5) 10 位A/D 转换器提供8 路模拟输入（每个通道的转换时间低至2.44us），以及特

定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销；

(6) 2 个32 位定时器/外部事件计数器（带7 路捕获和7 路比较通道）；

(7) 2 个16 位定时器/外部事件计数器（带3 路捕获和7 路比较通道）；

(8) 低功耗实时时钟（RTC）具有独立的电源和特定的32KHz时钟输入；

(9) 多个串行接口，包括2个UART （16C550协议标准）、2个高速I2C总线（400 Kbit/s）、

SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；

(10) 向量中断控制器（VIC），可配置优先级和向量地址；

(11) 多达32 个通用I/O口（可承受5V电压）；

(12) 多达13 个边沿、电平触发的外部中断管脚；

(13) 通过一个可编程的片内PLL（100us 的设置时间）可实现最大为70MHz 的CPU操

作频率，其具有10MHz～25MHz 的输入频率；

(14) 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1～25MHz；

(15) 低功耗模式包括空闲模式、带RTC的睡眠模式和掉电模式；

(16) 可通过个别使能/禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗；

(17)通过外部中断或RTC 将处理器从掉电模式中唤醒。

图2.2.1 ARM系列LPC2103的MCU引脚

2.3 单元电路的设计

2.3.1控制系统模块

1．LPC2103电源电路

LPC2103 控制器需要双电源供电，1.8V内核电压和 3.3V功能外设电压，EasyARM2103开发板的电源电路如图 2.2所示。5V电源由变压器或USB电源线输入，二极管 1N5819 可以防止电源反接。电路采用SPX1117 系列LDO芯片SPX1117M-3.3 和SPX1117M-1.8 将电压稳至3.3V和1.8V，0 欧的电阻用来隔离数字电源和模拟电源、数字地和模拟地。

SPX1117 系列 LDO芯片是 EXAR 公司生产的低压差芯片，其特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性高，宽电压输入（这里选择的是 5V输入）。此系列LDO芯片的输出电流高达 800mA，输出电压的精度在±1％之内，可广泛应用于手持式仪表、数

字家电、工业控制等领域。注意在电路输入输出端接一个 10μF 的电容，可改善瞬态响应和稳定性。

图2.3.1 ARM系列LPC2103的电源电路

图2.3.2 ARM系列LPC2103的复位电路

2.3.2键盘显示板

键盘显示原理：此系统中所选用的数码显示电路主要由两个四位七段数码管和两个74HC164及部分其他元件组成，74HC164是串行输入,并行输出的8位移位寄存器（CMOS型）,其功能为：当CLEAR 为高电平时CK每来一个上升跳,输出右移一位.当CLEAR为低电平时,输出清零。

图2.3.2.1 数码管显示电路原理图

下图中左边74HC164控制两个四位七段数码管的位码，右边74HC164控制两个四位七段数码管的段码，

图2.3.2.2 74HC164逻辑符号表图图2.3.2.3 74HC164引脚图

2.3.3 稳压电源模块

图2.3.3.1 稳压电源模块

交流电经过全桥电路在经过电容滤波，在经过稳压电源芯片做成稳压电路，输出电压5V、12V的直流电源。

图2.3.3.2 稳压电源实物图

2.3.4 驱动电路模块

本次设计采用L298H驱动电路,其电路原理图如下:

图2.3 4.1 L298电路原理图

其焊接成的实物图如下：

图2.3 4.2 L298电路原理图

L298 芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器,其设计是为接受标准TTL 逻辑电平信号和驱动电感负载的, 例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的, 相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源, 使逻辑能在低电压下工作。L298 芯片是具有15 个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯片。

引脚19、20接ARM7系列LPC2103的两路PWM来控制整个电路的导通、断开、速度的大小，当PWM输出为高电平时，整个电路处于导通，实现电机可以转动；当PWM输出为低电平时，整个电路断开，实现电机不能转动；当PWM的占空比发生变化时，实现电机的速度发生大小改变。综上所述：实现了电机的驱动，分别使用了ARM上的P0.13、P0.14、P0.15、P0.16作为GPIO控制两个电机的正反转；分别使用ARM上的P0.19、P0.20作为PWM来控制电机的转速。

图2.3.4.3 不同占空比下的输出波形

第3章软件程序设计

3.1EasyJTAG-H 仿真器的使用

EasyJTAG-H 仿真器是一款新型的仿真器，目前，可以支持 LPC21037 微控制器和部分ARM9 芯片，支持 ADS1.2 集成开发环境，支持单步、全速及断点等调试功能，支持下载程序到片内 FLASH 和特定型号的片外 FLASH，采用 ARM 公司提出的标准 20 脚JTAG 仿调试接口。这款仿真器需要 H-JTAG软件（调试代理）的支持。

3.2软件程序编写

#include "config.h"

uint32 LeftLow = 50,RightLow = 50,HZ = 100;//初始化左右占空比为50%,频率为100HZ /******************************************************/

#define key 1<<5

//定时器中断标志

uint8 T0Flag = FALSE;

uint8 DATA[9];

uint32 i=0; //用于记录刷新的位数,显示器共有八位,每显示一位就i++,显示下一位,直到i == 7时就令i=0;重新从第一位显示起

uint32 display=8;

uint32 keydown=9;//按键位置寄存

//段码,其中的digitable[10]为不显示任何内容

const uint8 digitable[13]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40,

0x80};

//位码

const uint8 selectable[8]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};

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

void DelayNS (uint32 uiDly)

{

uint32 i;

for (; uiDly > 0; uiDly--){

for(i = 0; i < 50000; i++);

}

}

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

*****************

** 函数名称:Timer0_InitExt()

** 功能描述:TIMER0 初始化

** 入口参数:无

** 出口参数:无

***************************************************************************

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

void Timer0_InitExt(void)

{

T0TC = 0; /* 定时器设置为0 */

T0PR = 0; /* 时钟不分频*/

T0MCR = 0x03; /* 设置T0MR0匹配后复位T0TC，并产生中断标志 */

T0MR0 = Fpclk/400; /* 2.5毫秒定时刷新频率为50HZ */

T0TCR = 0x01; /* 启动定时器*/

}

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

*****************

** 函数名称:IRQ_Timer0()

** 功能描述:TIMER0 中断服务程序

** 入口参数:无

** 出口参数:无

***************************************************************************

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

void __irq IRQ_Timer0(void)

{

T0Flag = TRUE; // T0中断标志置位

T0IR = 0x01; // 清除中断标志

VICVectAddr = 0;

}

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

** 函数名称:IRQ_Init()

** 功能描述:设置定时器0中断IRQ

** 入口参数:无

** 出口参数:无

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

void IRQ_Init(void)

{

VICIntSelect = 0x00; // 所有中断通道设置为IRQ中断

VICVectCntl0 = 0x20 | 0x04; // 设置定时器0中断通道分配最高优先级 VICVectAddr0 = (uint32)IRQ_Timer0; // 设置中断服务程序地址

VICIntEnable = 1 << 0x04; // 使能定时器0中断

}

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

** Function name: Timer1Init

** Descriptions: 定时器1初始化

** input parameters: 无

** ouput parameters: 无

** Returned value: 无

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

void Timer1Init(void)

{

T1TCR = 0x02; /* 定时器0复位 */

T1PR = 0; /* 不设时钟分频 */

PWM1CON = 0x0C; /* 使能PWM输出 */

T1MCR = 0x02; /* 设置T0MR0匹配后复位T0TC */

T1MR0 = Fpclk /HZ ; /* 设置PWM输出的周期*/

T1MR2 = T1MR0 *LeftLow /HZ; /* 设置PWM1.2输出占空比为50％ */ T1MR3 = T1MR0 *RightLow /HZ; /* 设置PWM1.3输出占空比为25％ */

T1TCR = 0x01; /* 启动定时器0 */

}

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

** 函数名称:void CONVBIT(uint32 num,uint32 place)

** 功能描述:

** 入口参数:显示的数的内容(num),显示内容在数组中的位置

** 出口参数:无

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

void CONVBIT(uint32 num)

{

DATA[0] = num%10;

DATA[1] = num%100/10;

DATA[2] = num%1000/100;

DATA[3] = num%10000/1000;

DATA[4] = num%100000/10000;

DATA[5] = num%1000000/100000;

DATA[6] = num%10000000/1000000;

DATA[7] = num/10000000;

DATA[8] = 10; //黑码

}

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

** 函数名称：MSPI_Init()

** 函数功能：初始化SPI接口，设置为主机。

** 入口参数：无

** 出口参数：无

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

void MSPI_Init(void)

{

SPI_SPCCR = 0x08; // 设置SPI时钟分频

SPI_SPCR = (0 << 3) | // CPHA = 0, 数据在SCK 的第一个时钟沿采样 (1 << 4) | // CPOL = 1, SCK 为低有效

(1 << 5) | // MSTR = 1, SPI 处于主模式

(0 << 6) | // LSBF = 0, SPI 数据传输MSB (位7)在先

(0 << 7); // SPIE = 0, SPI 中断被禁止

}

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

** 函数名称：MSPI_SendData()

** 函数功能：向SPI总线发送数据。

** 入口参数：data 待发送的数据

** 出口参数：

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

void MSPI_SendData(uint8 data)

{

SPI_SPDR = data;

while( 0 == (SPI_SPSR & 0x80)); // 等待SPIF置位，即等待数据发送完毕}

void PwmHzChange(void)

{

//占空比上限检查

if(LeftLow>HZ)

LeftLow=HZ-3;

if(RightLow>HZ)

RightLow=HZ-3;

//占空比下限检查

if(LeftLow < 1)

LeftLow=1;

if(RightLow<1)

RightLow=1;

// Low越大转速越慢

T1MR2 = T1MR0*LeftLow /HZ; //左轮 /* 设置PWM1.2输出占空比为50％ */ T1MR3 = T1MR0*RightLow /HZ;//右轮 //占空比为:高电平=1-RightHigh/100

/* 设置PWM1.3输出占空比为25％ */ }

void PINInit()

{

PINSEL0 = 0X00;

PINSEL1 = 0X00;

PINSEL1 = (PINSEL1 & (~(0x03 << 6))) | (0x02 << 6);//P0.19//左轮/* 选择MAT1.2输出 */

PINSEL1 = (PINSEL1 & (~(0x03 << 8))) | (0x02 << 8);//P0.20//右轮/* 选择MAT1.3输出 */

IO0DIR=1<<16|1<<15|1<<14|1<<13|1<<1;//GPIO为输出

PINSEL0 = (0x01 << 8) | //设置P0.4脚为SCK(SPI0)

(0x01 << 12); //设置P0.6脚为MISO(SPI0),其它都为默认GPIO功能

IO0DIR &= (~(0x01 << 5)); //P0.5为GPIO输入

}

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

**************左转弯*********************

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

void TurnLeft()

{

IO0SET = 1<<16;//右轮顺时针转

IO0CLR = 1<<15;

IO0SET = 1<<13;//左轮停止转动

IO0SET = 1<<14;

}

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

**************左急转弯*********************

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

void TurnNowLeft()

{

IO0SET = 1<<16;//右轮顺时针转

IO0CLR = 1<<15;

IO0SET = 1<<14;//左轮逆时针转

IO0CLR = 1<<13;

}

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

**************右转弯*********************

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

void TurnRight()

{

IO0SET = 1<<15;//右轮停止

IO0SET = 1<<16;

IO0SET = 1<<13;//左轮顺时针转

IO0CLR = 1<<14;

}

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

**************右急转弯*********************

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

void TurnNowRight()

{

IO0SET = 1<<15;//右轮逆时针转

IO0CLR = 1<<16;

IO0SET = 1<<13;//左轮顺时针转

IO0CLR = 1<<14;

}

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

**************走直线*********************

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

void RunLine()

{

IO0SET = 1<<16;//右轮逆时针转

IO0CLR = 1<<15;

IO0SET = 1<<13;//左轮逆时针转

IO0CLR = 1<<14;

}

void RunBack()

{

IO0SET = 1<<16;//右轮逆时针转

IO0CLR = 1<<15;

IO0SET = 1<<14;//左轮逆时针转

IO0CLR = 1<<13;

}

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

** Function name: main

** Descriptions: 定时器1PWM输出

** input parameters: 无

** ouput parameters: 无

** Returned value: 无

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

int main (void)

{

PINInit();

Timer1Init(); // 定时器1初始化,发PWM波

MSPI_Init(); // 初始化SPI接口

Timer0_InitExt(); //定时器初始化

IRQEnable(); // IRQ中断使能

IRQ_Init(); // 设置及开启定时器0中断

RunLine();

display = 12345678;

while(1)

{

if(T0Flag==TRUE)//2.5ms到

{

T0Flag = FALSE;

CONVBIT(display);

IO0CLR = 1<<1;

MSPI_SendData(digitable[DATA[i]]); //其他位不带小数点

MSPI_SendData(selectable[i]); // 发送显示位码

IO0SET = 1<<1;

if((IO0PIN&(key))!=0) //无键按下

{

if (keydown == i)//键按下之后放开（防止一键多发）

{

//display=keydown*10000000+keydown*1000000+keydown*100000+keydown*10000+key down*1000+keydown*100+keydown*10+keydown;

switch(keydown)

{

case 0://按下则确定为修改态

{

TurnLeft();

display=11111111;

}break;

case 1://按下则移动一位

{

TurnNowLeft();

display=22222222;

}break;

case 2://闪烁位值增加

{

TurnRight();

display=33333333;

}break;

case 3://确定修改键

{

TurnNowRight();

display=44444444;

}break;

case 4://确定修改键

{

display=55555555;

}break;

case 5://确定修改键

{

display=66666666;

}break;

case 6://确定修改键

{

display=77777777;

}break;

case 7://确定修改键

{

display=88888888;

}break;

}

keydown =0x09;//恢复为无键按下,重要的一步,在此出过错

}

}

else if((IO0PIN&(key))==0)//有键按下

{

DelayNS(10);

if((IO0PIN&(key))==0)

{

keydown = i;

}

}

i = (i+1) %8; //使i在0-7之间循环

}

}

return 0;

}

图.3.2.1流程图

第4章 调 试

4.1 电路焊接与检查

当完成电路板以后，就是去购买所需的元器件对电路板进行焊接，首先焊接L298H 桥电路，这样可以防止元器件焊坏，还可以防止焊死后不容易把芯片拿下来。在焊的过程中经常会出现虚焊，线焊在一起，在老师和同学的帮助下，及时的发现了这些问题，而且纠正了这些错误。在焊接键盘的时候发现最小的键盘的四个角太大了完全插不进焊盘里面，经过仔细的考虑后，用钳子把四个角弯成和四个焊盘大小相对应的角，焊接键盘的时候此方案完全可行。最后固定好小车用到的车架子，把各模块固定在上面就可以调试了。

4.2 键盘显示板的调试

首先在实验室里ADS1.2编译环境对硬件进行调试。将键盘显示板与ARMLPC2103连接起来，通过程序看数码管上是否显示对应的断码及按键是否有用。不行的话就修改程序一点一点试，找出错误。

4.3 执行电路的调试

在L298H 桥电路和键盘显示板的硬件调试以后，接上12V 、5V 的电源在执行电路上，运行主程序。通过按键控制小车的直走、后退及转弯。