自動(dòng)循跡小車課程設(shè)計(jì).doc

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課程報(bào)告 課程名稱 嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用 項(xiàng)目名稱 自動(dòng)循跡小車 院 系 理學(xué)院 專 業(yè) 自動(dòng)化 1401 學(xué) 號(hào) xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 姓 名 xxxxxxxx 指導(dǎo)導(dǎo)師 xxxxxxxx 2017年 05月 23日 西京學(xué)院理學(xué)院制 摘要 本次課程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 此智能小車系統(tǒng)的組成主要包括 STM32F103控制器 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 紅外探測(cè)電路 本次試驗(yàn)采用 STM32F103微處理器為核心芯片 利用 PWM技術(shù)對(duì)速度進(jìn)行控制 循跡 模塊進(jìn)行黑白檢測(cè) 其他外圍擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能 實(shí)現(xiàn)了智能小車能夠自動(dòng) 跟蹤地面上的黑色軌跡的任務(wù) 關(guān)鍵字 STM32 紅外探測(cè) PWM 電機(jī)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(shè)計(jì)任務(wù)要求 1 2方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 2 3 1 循跡模塊接口電路設(shè)計(jì) 2 3 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口電路設(shè)計(jì) 3 3 3 電源設(shè)計(jì) 4 3 4 STM32小系統(tǒng) 5 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 6 4 1 主程序設(shè)計(jì) 6 4 2 功能函數(shù)設(shè)計(jì) 6 5系統(tǒng)測(cè)試 6 6結(jié)束語 7 參考文獻(xiàn) 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(shí)物圖 11 1設(shè)計(jì)任務(wù)要求 本設(shè)計(jì)通過對(duì)軌跡跟蹤問題的分析 制作了一輛能夠自動(dòng)跟蹤地面上的黑色軌跡 的智能小車 1 設(shè)計(jì)搭建小車結(jié)構(gòu)框架 兩驅(qū)或四驅(qū)不限 機(jī)械轉(zhuǎn)向靈活 2 設(shè)計(jì)選型電源 電機(jī) 傳感器 STM32 控制器板等電路模塊 完成方案設(shè)計(jì)和電 路圖繪制 3 設(shè)計(jì)功能函數(shù)和軟件流程圖 2方案設(shè)計(jì)及選型 2 1 總體方案選擇 基于對(duì)小車循跡準(zhǔn)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(jī) 右 側(cè) 電 機(jī) 信 號(hào) 處 理 三 對(duì) 紅 外 發(fā) 收 對(duì) 管 圖 2 1 總體方案框圖 2 2 車型選型 基于在循跡小車設(shè)計(jì)報(bào)告的實(shí)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(shí)間長短以及小車的靈活性 我么們選擇了由倆個(gè)電機(jī)與一個(gè)萬向輪組成的倆 驅(qū)小車 車架使用市面上的合成簡(jiǎn)易車架 2 3 器件選型 1 循跡模塊選型 方案一 采用紅外對(duì)管對(duì)黑帶進(jìn)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(duì)波形整形后 將數(shù)據(jù)送入 STM32進(jìn)行分析判斷 優(yōu)點(diǎn) 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(jiǎn)潔 缺點(diǎn) 信息處理速度相對(duì)于并行輸出慢 相鄰紅外會(huì)產(chǎn)生干擾 方案二 采用多路反射型的光電傳感器 TCRT5000對(duì)地面進(jìn)行檢測(cè) 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(diǎn) 信息處理速度快 相鄰傳感器不會(huì)相互干擾 操作方便 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 占用 STM32的 I O較多 連線相對(duì)繁瑣 方案選擇 考慮到小車對(duì)信息的采集速度及檢測(cè)的準(zhǔn)確性 我們最終選用了方案 二 2 驅(qū)動(dòng)及電機(jī)選擇 驅(qū)動(dòng)選擇 由于 L298N驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn) a 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn) b 啟動(dòng)性能好 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 c 可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī) 所以我們最終選擇了 L298N驅(qū)動(dòng) 電機(jī)選擇 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn) 速度快 功耗低 又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是用電池 供電 所以我們最終選擇了 6V的直流減速電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3 1 循跡模塊接口電路設(shè)計(jì) 小車在白色地面行駛時(shí) 紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號(hào)被反射 接收管接收到信號(hào)后 輸出端為低電平 紅外傳感器的三個(gè)輸出端口分別與控制模塊的 PA4 PA6依次相連 而當(dāng)紅外信號(hào)遇到黑色導(dǎo)軌時(shí) 紅外信號(hào)被吸收 接收管不能接收到信號(hào) 輸出端為 高電平 單片機(jī)通過采集每個(gè)紅外接收管的輸出信號(hào) 便可以檢測(cè)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(cè)更加準(zhǔn)確 我們用了紅外避障傳感器檢測(cè)黑線 其中一只放在黑 線上方其余 2只對(duì)稱分布在黑線的兩側(cè) 循跡模塊實(shí)物如圖 3 1所示 圖 3 1 紅外避障模塊傳感器實(shí)物圖 圖 3 2 循跡模塊原理圖 3 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口電路設(shè)計(jì) 對(duì)于小車車輪的兩個(gè)直流電機(jī) 我們采用了一片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N對(duì)其進(jìn)行驅(qū) 動(dòng) STM32 為芯片提供驅(qū)動(dòng)信號(hào) 傳至 PWM控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而調(diào)整小車的前進(jìn) 速度和轉(zhuǎn)向 其實(shí)物模塊如圖 3 2所示 其中左前電機(jī) PB12 方向 PA8 PWM 右前電機(jī) PB13 方向 PA9 PWM 圖 3 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物模塊圖 圖 3 4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖 3 3 電源設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用的是 6V電池供電 因?yàn)橹骺匦酒约捌溆嗄K均采用的 3 3V供電 直流減速電機(jī)采用 6V供電 傳感器采用 5V供電 其實(shí)物圖如 3 3所示 圖 3 5 電源模塊實(shí)物圖 3 4 STM32小系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用了一片 STM32單片機(jī)為控制核心 通過循跡模塊 驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用 實(shí)現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 自動(dòng)循跡的任務(wù) 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(shè)計(jì) 4 1 主程序設(shè)計(jì) 當(dāng)開機(jī)時(shí) 系統(tǒng)復(fù)位 然后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 使小車沿黑線行進(jìn) 并且在小車 偏離軌道后自動(dòng)調(diào)整走向使之返回預(yù)定路線 該模塊的具體設(shè)計(jì)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(jī) 按 循 跡 判 斷 轉(zhuǎn) 向 是 否 圖 4 1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖 4 2 功能函數(shù)設(shè)計(jì) 1 方向判斷由 if else if函數(shù)書寫 2 用定時(shí)器來生成 PWM的占空比 3 定時(shí)器初始化函數(shù) Tim1 Init 5系統(tǒng)測(cè)試 1 測(cè)試儀器 示波器 電源 萬用表 測(cè)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(cè) 先逐個(gè)模塊測(cè) 試再整體調(diào)試的辦法 2 循跡模塊測(cè)試 連接好電路 調(diào)好靈敏度 然后用萬用表分別測(cè)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(cè)量 光電傳感器編號(hào) 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(yùn)行速度測(cè)試 表 5 2 占空比與小車運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)表 占空比 前進(jìn)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(duì)我門的指導(dǎo) 謝謝同學(xué)給我們的幫助 在以后的學(xué)習(xí)工作中 我 們一定會(huì)將今天所學(xué)習(xí)到的知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中 當(dāng)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(dǎo)致我們的小車出現(xiàn)那好多問題 總之 我們的 設(shè)計(jì)還有很大的提升空間 本次設(shè)計(jì)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(xì)是我們的進(jìn)程有了延誤 這使我們經(jīng)歷了 一個(gè)設(shè)計(jì)從方案提出到確定 到最后的調(diào)試出實(shí)物 看到效果 在這個(gè)過程中收獲巨 大 通過競(jìng)賽 我們提高了自學(xué)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力 并進(jìn)一步提高了對(duì)本專業(yè)的 興趣 本次競(jìng)賽對(duì)自己的信心也有很大提高 在以后的學(xué)習(xí)中 我們會(huì)再接再厲 參考文獻(xiàn) 1 劉軍 張洋 原子教你玩 STM32 M 北京 北京航空航天大學(xué)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(shè)計(jì) D 蘭州 蘭州理工 大學(xué)出版社 2014 4 4 劉火良 楊森 電子與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)叢書 機(jī)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(yīng)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(yīng)用 清華大學(xué)出版社 2017 02 01 7 譚會(huì)生 ARM 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā) 西安電子科技大學(xué)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(jī)前右電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 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(shí) 72000 72000000Hz 1ms Tim1 Init 定時(shí)器初始化函數(shù) 設(shè)定 PWM頻率 5kHz while 1 if LeftSensor 0 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進(jìn) 8s else if LeftSensor 0 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進(jìn) 8s else if LeftSensor 1 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進(jìn) 8s else if LeftSensor 0 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進(jìn) 8s else if LeftSensor 1 Motor1234 duty1 duty2 duty3 duty4 前進(jìn) 8s 附錄三 作品實(shí)物圖 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見 成績?cè)u(píng)定 李楠 陳廷 左天康 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日