1、基于 stm32 的智能小车设计- 1 -摘要本次试验主要分析了基于 STM32F103 微处理器的智能小车控制系统的系统设计过程。此智能系统的组成主要包括 STM32F103 控制器、电机驱动电路、红外探测电路、超声波避障电路。本次试验采用 STM32F103 微处理器为核心芯片，利用 PWM 技术对速度以及舵机转向进行控制，循迹模块进行黑白检测，避障模块进行障碍物检测并避障功能，其他外围扩展电路实现系统整体功能。小车在运动时，避障程序优先于循迹程序，用超声波避障电路进行测距并避障，在超声波模块下我们使用舵机来控制超声波的发射方向，用红外探测电路实现小车循迹功能。在硬件设计的基础上提出了实现
2、电机控制功能、智能小车简单循迹和避障功能的软件设计方案，并在 STM32 集成开发环境 Keil 下编写了相应的控制程序，并使用 mcuisp 软件进行程序下载。关键词：stm32;红外探测;超声波避障;PWM;电机控制基于 stm32 的智能小车设计- 2 -AbstractThis experiment mainly analyzes the control system of smart car based on microprocessor STM32F103 system design process. The composition of the intelligent syste
3、m mainly including STM32F103 controller, motor drive circuit, infrared detection circuit, circuit of ultrasonic obstacle avoidance. This experiment adopts STM32F103 microprocessor as the core chip, using PWM technique to control speed and steering gear steering, tracking module is used to detect the
4、 black and white, obstacle avoidance module for obstacle detection and obstacle avoidance function, other peripheral extended circuit to realize the whole system function. When the car is moving, obstacle avoidance program prior to tracking, using ultrasonic ranging and obstacle avoidance obstacle a
5、voidance circuit, we use steering gear under ultrasonic module to control the emission direction of ultrasonic, infrared detection circuit is used to implement the car tracking function. On the basis of the hardware design is proposed for motor control function, simple intelligent car tracking and o
6、bstacle avoidance function of software design, and in the STM32 integrated development environment under the Keil. Write the corresponding control program, and use McUisp program download software.Keywords：STM32；Infrared detection；Ultrasonic obstacle avoidance；PWM；Motor control基于 stm32 的智能小车设计- 3 -目
7、录1.绪论 - 4 -1.1 研究概况 - 4 -1.2 研究思路 - 4 -2.软硬件设计 - 5 -2.1 中央处理模块 - 5 -2.1.1 stm32f103 内部结构 - 6 -2.1.2 stm32 最小系统电路设计 - 7 -2.1.3 stm32 软件设计的基本思路 - 9 -2.1.4 stm32 中断介绍 - 9 -2.1.5 stm32 定时/计数器介绍 - 11 -2.1.6 主程序设计流程图 .- 12 -2.2 电机驱动模块 .- 13 -2.2.1 驱动模块结构及其原理 .- 13 -2.2.2 驱动模块电路设计 .- 13 -2.2.3 驱动软件程序设计 .-
8、14 -2.3 避障模块设计 .- 18 -2.3.1 避障模块器件结构及其原理 .- 19 -2.3.2 HC-SR04 模块硬件电路设计 .- 21 -2.3.3 HC-SR04 模块程序设计 .- 21 -2.4 循迹模块设计 .- 28 -2.4.1 循迹模块结构及其原理 .- 28 -2.4.2 循迹模块电路设计 .- 30 -2.4.3 红外循迹模块程序设计 .- 30 -3.软件调试 .- 33 -3.1 程序仿真 - 33 -3.2 程序下载 .- 34 -4.系统测试 .- 35 -基于 stm32 的智能小车设计- 4 -5.总结 .- 37 -致谢 .- 39 -参考文献
9、 .- 40 -附录 .- 41 -1.绪论智能小车通过各种感应器获得外部环境信息和内部运动状态，实现在复杂环境背景下的自主运动，从而完成具有特定功能的机器人系统。而随着智能化电器时代的到来，它们在为人们提供的舒适的生活环境的同时，也提高了制造智能化电器对于人才要求的门槛。智能小车是集成了多种高新技术，它不仅融合了电子、传感器、计算机硬件、软件等许多学科的知识，而且还涉及到当今许多前沿领域的技术，它是一个国家高科技技术水平的重要体现。通过建立起简易智能小车的设计，引导学生从理论走向实践，培养同学们的动手能力，使同学们在了解智能化电器的工作原理的基础上，还使同学们获得完成整体项目的能力，并掌握了
10、 Stm32 开发板的编程原理，为同学们进入 ARM 领域提供了基础。另外，本次课程设计，使同学们了解自己的不足之处，从而使同学们有目标的提升自己的能力。1.1 研究概况国外研究概况：上世纪 50 年代初，国外就有智能车辆的研究，从 90 年代开始，智能车辆的研究就进入了系统化、大规模的研究阶段。尤其突出的是美国卡内基-梅陇大学机器人研究所已经完成了 Navlab 系列的自主车辆的研究，这一研究成果代表了国外智能车辆的主要研究方向。国内研究概况：我国对于智能车辆的研究较晚，始于上世纪 80 年代，而且现在大部分还是使用入门级别的51 单片机进行设计与研究的，为了弥补与国外研究的差距，开设了全国
11、大学生电子设计竞赛。1.2 研究思路基于 stm32 的智能小车设计- 5 -系统将采集的传感器信号送入 stm32 微控制器中，stm32 微控制器根据采集的信号做出不同的判断，从而控制电机运动方向和运动速度。系统以 stm32 微控制器为核心，通过传感器采集不同的信号做出判断，继而改变电机的运动方向和运动速度。实验系统结构如图 1.1 所示：传 感 器 传 感 器 采样 传 感 器 电路 STM32主控 制 器 电 机 驱 动电 路图 1.1 实验系统结构图2.软硬件设计智能小车控制系统具备了障碍物检测、自主避障、自主循迹等功能。相应的控制系统主要由以下四个模块组成：避障模块、循迹模块、电
12、机驱动模块、中央处理模块四个模块组成，系统总体框架如图 2.1 所示：图 2.1 系统框架图我们本节主要任务是了解各个模块的功能，掌握各个模块所使用的器件的使用方法，并能够编写相应的程序代码。掌握各个模块的功能。2.1 中央处理模块在人类身体结构中，大脑可以根据各个器官所传输的信息做出相应的行为动作用以保证人体所必须的生理原料，而 stm32 处理器之于智能小车就相当于大脑之于人类，它可以从各个模块之间获得数据，并对所传输的数据进行实时处理，来驱使电机模块做出相应的行为动作。由 ARM 公司设计的基于 ARMv7 架构的 Cortex 系列的标准体系结构在 2006 年推出，此结构是用来满足日
13、渐复杂的不同性能要求的软件设计，根据所面向的领域，Cortex 系列可以分为 A、R、M 三个分工明确的系列 1。Stm32 处理器的基于 stm32 的智能小车设计- 6 -出现为微控制系统、工业控制系统、汽车车身系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高系统性能系统提供了基础，使编程的复杂性，集高性能、低功耗、低成本大大简化，并使它们融为于一体 2。意法半导体 ST 公司作为一个半导体制造厂商，是 ARM 公司 Cortex-M3 内核开发项目一个主要合作方。2007 年 6 月 11 日由 ST 公司率先推出的基于 Cortex-M3 内核的 STM32 系列微控处理器研发而
14、出。此中，A 系列是面向复杂的尖端应用程序，用于运行开放式的复杂操作系统；R 是 Real 的首字母缩写，是面向实时系统开发的；M是 Mirco 的首字母缩写，专门面向低成本的微控制领域开发研究。因此，Cortex-M3 处理器是由 ARM 公司设计的首款基于 ARMv7-M 体系结构的 32 位标准处理器，它不仅具有低功耗、少门数等优点，而且还具有短中断延迟、低调试成本等众多优点，使它在众多的处理器中脱颖而出。目前为止，STM32 系列处理器暂分为 2 个系列。其中，STM32F101 系列是标准型系列，工作频率设定在36MHZ；STM32F103 系列是增强型系列，工作频率设定在 72MH
15、Z，其带有更多片内 RAM 和更丰富的外设资源。这两个系列的产品在软件和引脚封装方面具有兼容性，并且拥有相同的片内 Flash 资源，使软件的开发和升级更加方便。本次试验，我们使用的是 stm32f103 处理器。2.1.1 stm32f103 内部结构STM32F103 系列微处理器是首款基于 ARMv7-M 体系结构的 32 位标准 RISC （精简指令集）处理器，具有执行代码效率高，外设资源丰富等众多优点。该系列微处理器工作频率设定在 72MHz，高达 128K 字节的内置 Flash 存储器和20K 字节的 SRAM，方便程序编写，而且具有丰富的通用 I/O 端口。其内部结构图如图 2
16、.2 所示：基于 stm32 的智能小车设计- 7 -图 2.2 内部结构图Stm32 处理器主系统主要由 4 个被动单元和 4 个驱动单元构成。4 个驱动单元是：通用 DMA1，通用 DMA2，内核 DCode 总线和系统总线。4 个被动单元由 APB桥，APB 设备，内部 Flash 闪存，内部 SRAM、FSMC。我们实验所采用的芯片具有 64KBSRAM、512KBFLASH、2 个基本定时器，4 个通用定时器，2 个高级定时器，3 个 SPI，2 个 IIC，5 个串口，1 个 USB，1 个 CAN，3 个 12 位的 ADC,1 个 12位 DAC、1 个 SDIO 接口，1 个
17、 FSMC 接口以及 112 个通用 I/O 口。2.1.2 stm32 最小系统电路设计Stm32 的最小系统电路主要由系统时钟电路、实时时钟电路、JTAG 调试接口电路，复位电路和启动模式选择电路组成。最小系统电路原理图如图 2-1-3 所示：基于 stm32 的智能小车设计- 8 -图 2.3 最小系统电路原理图主要电路原理图的设计及功能如下所示：1.系统时钟电路系统时钟电路主要作用是提供节拍，就相当于人类的心脏跳动，随着心脏的跳动，血液就会到达全身部位，所以系统时钟的重要性就不言而喻啦。系统时钟的电路设计如图 2.4 所示：图 2.4 系统时钟电路图在时钟电路中，我们选用 8M 的晶振
18、。2.复位电路复位电路的设计如图 2.5 所示：基于 stm32 的智能小车设计- 9 -图 2.5 复位电路图本次试验所采用的开发板为低电平复位。如图所示，当按键悬空时 RST 输入为高电平，当按键按下时，RST 脚输入为低电平，从而电路复位。3.JTAG 电路JTAG 电路原理图如图 2.6 所示：图 2.6 JAG 电路原理图JTAG 的主要功能是使目标文件烧到核处理器中。4.启动模式电路启动模式电路原理图如图 2.7 所示：图 2.7 启动模式电路原理图通过设置 BOOT1:0引脚可以选择三种不同启动模式，启动模式如表 2-1 所示：表 2-1 启动模式表基于 stm32 的智能小车设
19、计- 10 -启动模式选择引脚BOOT1 BOOT0 启动模式 说明X 0 主闪存存储器 主闪存存储器被选为启动区域0 1 系统存储器 系统存储器被选为启动区域1 1 内置 SRAM 内置 SRAM 被选为启动区域2.1.3 stm32 软件设计的基本思路在对其他模块设计之前，我们必须了解 stm32 的编程规则。任何处理器，包括 stm32 处理器，想要处理器完成某项相应的动作，就必须对处理器的寄存器进行操作。比如，我们在单片机 C51 中，同样，我们在 stmM32 的开发中过程中，我们同样可以对寄存器直接操作：GPIOx-BRR=0x0011。 (x 可以是 A,B,C,D,E比如 GP
20、IOA 就是端口 A)但是，对于 stm32 这种级别的处理器，几百个寄存器记起来谈何容易。所以，ST(意法半导体)提出了固件库的概念，利用固件库进行编程。固件库的本质就是函数的集合，固件库将那些寄存器的底层操作都封装起来，提供一整套 API供开发者使用。比如，上面通过控制 BRR 寄存器来控制电平的变化，官方库封装了一个函数：Void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef * GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)GPIOx-BRR = GPIO_Pin; (x 可以是 A,B,C,D,E比如 GPIO_A 就是端口 A)通过使用 GPIO_ResetBits（）
21、函数就可以直接对寄存器进行操作啦。2.1.4 stm32 中断介绍本方案中，我们要使用 stm32 的中断，在程序设计中，我们要开启各个管道的中断,打开各个中断通道，配置中断方式，我们先来讲述下 stm32 单片机的中断机制。结构图如下所示：基于 stm32 的智能小车设计- 11 -图 2.32 stm32 外部中断/事件控制器结构图图中的实线箭头，为外部中断信号的传输路径。首先外部信号从编号为 1 的输入线进入。其次这个外部信号通过编号 2 的边沿检测电路，这个边沿检测电路受到“上升沿选择寄存器” 、 “下降沿选择寄存器”的控制，我们可以控制这两个寄存器来选择中断的触发方式。我们可以在程序
22、中进行设置，比如EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising；设置为上升沿触发中断然后该外部信号进入编号为 3 或门，或门另一端是软件中断寄存器，如果，软件中断/事件寄存器的对应位置 1，编号 3 的输出总是为有效信号 1。之后进入“中断挂起请求寄存器” ，该寄存器记录了外部信号的电平变化。最后经过编号为 4 的与门进入 NVIC 中断控制器，如果 “中断屏蔽寄存器”的对应位置 0，外部的中断请求信号不能传输到 NVIC 中断控制器，从而实现中断的屏蔽。由于我们采用的是外部信号触发中断，所以我们只需了解外部中断的请求机制，对于事件的
23、中断请求机制，我们在这里不做介绍。我们以 PE1 为例，介绍下外部中断的一般步骤。步骤如下： 开启 I/O 的复用时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); 初始化 I/O 为输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;基于 stm32 的智能小车设计- 12 -GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_Init(GPIOE, 初始化线上中断，设置触发条件GPIO_EXTILineConf
24、ig(GPIO_PortSourceGPIOE,GPIO_PinSource1);EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line1;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling;EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init( 配置中断分组 NVIC，并使能中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =
25、EXTI1_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x00;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x06;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init( 编写中断服务函数void EXTI1_IRQHandler(void)主要代码详见附录 2.2.1.5 stm32 定时/计数器介绍Stm32 系列的单片机一般包含 8 个计数/定时器，TIM1、TIM8 分别为高级控制定时器，TIM
26、2TIM5 为通用定时器，TIM6 以及 TIM7 为基本定时器。对于定时器的详细内容，我们不在这里一一介绍。然后我们介绍一下本实验采用了那些定时器，以及这些定时器所要完成的功能有哪些。本实验所采用的定时器以及功能如下表所示：表 2-2 定时器介绍表定时器名称 定时器配置模式 主要功能TIM2 定时器中断模式 通过定时器中断，控制超声波的扫描周期TIM3 PWM 复用输出模式 控制小车速度及舵机转基于 stm32 的智能小车设计- 13 -向TIM5 输入捕获模式 采集超声波发射到接受的高电平持续时间 t2.1.6 主程序设计流程图在本节实验中，循迹模块以及避障模块都是采用中断方式进行工作的，
27、因此其主程序流程图如下图所示：开始系统初始化前进图 1.2 主程序流程图根据程序设计图，主程序设计如下：int main(void)u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; /输入捕获状态 u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; /输入捕获值delay_init(); /延时函数初始化 NVIC_Configuration(); /设置 NVIC 中断分组 2:2 位抢占优先级，2 位响应优先级LED_Init(); GPIO_Configuration(); /端口初始化EXTIX_Init(); /扫描轨迹TIM2_Int_Init(4999,7199); /控制超声波
28、扫描周期TIM3_PWM_Init(1999,719); /控制舵机方向TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1); /以 1Mhz 的频率计数 while(1) farward_Low()；delay_ms(10);基于 stm32 的智能小车设计- 14 -2.2 电机驱动模块Stm32 对小车的控制，就是对电机的控制，通过控制电机的转向，小车的运动状态就会发生改变。电机驱动模块的主要器件为 LM293N，我们下面就详细讲解下电机驱动模块。2.2.1 驱动模块结构及其原理电机驱动模块的实物图如图 2.8 所示：图 2.8 驱动电路实物图电机驱动模块的主要器件是芯片 LM293D，
29、内部原理图如图 2.9 所示：图 2.9 电机驱动内部原理图全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态，如图 1.2 所示，K1、K2为一组，K3、K4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必定关断。当K1、K2 导通时，K3、K4 关断，电机两端加正向电压，电机实现正转或反转制动；当 K3、K4 导通时，K1、K2 关断，电机两端为反向电压，电机实现反转或正转制动。2.2.2 驱动模块电路设计S4K1K3K4K2基于 stm32 的智能小车设计- 15 -电机驱动模块的电路原理如图 2.10 所示：图 2.10 驱动模块电路原理图表 2-2 是各个端口状态与运动方向的关系，其关系如
30、下表所示：表 2-2 端口与运动方向关系表电机 M1 IN1 IN2 电机 M2 IN3 IN4停止 0 0 停止 0 0正转 1 0 正转 1 0反转 0 1 反转 0 1 1 1 1 12.2.3 驱动软件程序设计车轮电机的动作由 GPIO 口的输出实现，本节主要配置运动方向和运动速度，对于运动速度的控制，我们必须使用 PWM，通过改变 PWM 的占空比来调节速度的大小，其主要代码设计如下所示：void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) .要想使 stm32 的通用定时器 TIMx 产生 PWM 输出，需要用到的寄存器有：预分频寄存器（TIMx_PSC） 、自动
31、重装载寄存器（TIMx_ARR） 、捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2） 、捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER） 、捕获/比较寄存器（TIMx_CCR14） 。我们先介绍这几个寄存器，然后介绍如何使用库函数产生PWM 输出。下面我们就简单介绍下这些寄存器：首先是预分频寄存器（TIMx_PSC） ，该寄存器可以用设置对时钟进行分频，然后在提供给计数器作为计数器的时钟。该寄存器的各位功能如图所示：基于 stm32 的智能小车设计- 16 -图 2.11 TIMx_PSC 寄存器各位描述接下来介绍自动重装载寄存器（TIMx_ARR） ，该寄存器的各位描述如下图所示：图 2.12 T
32、IMx_ARR 寄存器各位描述通过设置这两个寄存器，我们就可以算出 PWM 的输出周期，计算公式为：Tout=(arr+1)*(psc+1)/Tclk。其中 Tclk 为系统时钟周期。其次我们介绍捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2） ，总共有两个，TIMx_CCMR1 和TIMx_CCMR2，TIMx_CCMR1 控制通道 CH1 和 CH2，TIMx_CCMR2 控制 CH3 和 CH4。因为这 2 个寄存器差不多，我们仅以通道 CH1 为例，介绍其中的 TIMx_CCMR1 为例，该寄存器的各位描述如下图所示：图 2.13 TIMx_CCMR1/2 寄存器各位描述这里我们只介绍
33、该寄存器的 OCxM 位，我们就以 TIMx_CCMR1 中的 OC1M（控制通道 CH1）为例，该位功能如下图所示：基于 stm32 的智能小车设计- 17 -图 2.14 OC1M 功能描述我们使用的是 PWM 输出模式，所以 OC1M 必须设置为 110/111。OC2M（控制通道 CH2）各位描述与 OC1M 相同，我们这要不在叙述。然后我们介绍捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER） ，该寄存器控制着各个输入/输出通道的开关，对于该寄存器，各位描述如下图所示：图 2.15 TIMx_CCER 寄存器描述该寄存器比较简单，因为我们只介绍通道 1，所以我们只讲 CC1E 位。如果我们想
34、使能输入/捕获 1，我们只需使用 CC1E 位。要想使 PWM 从 I/O 口输出，此位必须设置为 1。最后介绍捕获/比较寄存器（TIMx_CCR14） ，总共有 4 个，分别对应 CH14，因为这 4 个寄存器相似，我们仅以 TIMx_CCR1 为例，该寄存器的给位介绍如下图所示：图 2.16 TIMx_CCR1 寄存器各位描述基于 stm32 的智能小车设计- 18 -在输出模式下，该寄存器的值与 CNT 中的值进行比较，根据结果，实现电平的翻转。至此，我们把用到的几个寄存器都介绍完毕，下面我们就介绍如何通过库函数来配置实现 PWM 三路输出。 开启 TIM3 时钟以及复用功能输出。使能
35、GPIO 和端口复用功能时钟。库函数使能 TIM3、GPIO 以及复用功能时钟的方法是：RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); 初始化 TIM3，设置 TIM3 的 PSC 和 ARR。在开启了 TIM3 的时钟之后，我们要设置 PSC 和 ARR 寄存器的值来控制 PWM 的输出周期。调用的格式如下：TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;TIM
36、_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3, 设置 TIM3_CH1、CH2、CH3 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH1、CH2、CH3 输出。在库函数中 PWM 通道设置是通过 TIM_OC1InitTIM_OC4Init 来设置的，这里我们需要 3 路 PWM 输出，所以我们需要使用函数TIM_OC1Init、
37、TIM_OC2Init、TIM_OC3Init。库函数的调用格式如下：TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC2Init(TIM3, TIM_OC1Init(TIM3, TIM_OC3Init(TIM3, 使能 TIM3。完成以上
38、配置后，我们要使能定时器 TIM3。库函数调用格式如下： TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);基于 stm32 的智能小车设计- 19 - 通过修改 TIM3_CCRx(x 为 1,2,3)来控制占空比。库函数格式如下：Void TIM_SetComparex(TIM3,uint16_t Compare2);我们可以知道，通过定时器 3 控制 PWM 波的占空比，从而实现速度方面的控制。其中 arr 和 psc 可以控制 PWM 波的周期，TIM3_CCRx 可以控制 PWM 波的占空比。我们只需要调用此函数就可以实现不同的速度控制。对于运动方向控制的代码我们就以后退为例，由于端口寄存
39、器过于简单，我们不在此介绍端口的寄存器。我们仅介绍如何通过库函数进行端口配置。对各个 I/O 端口配置的过程相似，我们仅以 PD8 为例：主要过程如下所示： 使能 I/O 口时钟，调用格式如下所示：RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); 初始化 I/O 参数，调用格式如下所示：GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GP
40、IO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOD, 操作 I/0 口GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_8);PD8 置 1GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_8);PD8 置 0我们知道了如何对端口进行操作之后就可以随意的控制小车的运动啦，运动方向的程序设计，其基本函数单元如下所示：void Left_Low(void);我们调用这些函数，就可以实现不同运动方向的控制。主要代码详见附录 3.2.3 避障模块设计在人类身体构造系统中，眼睛可以使我们非常方便的采集到外界环境的信息，然后把信息及时的传输到大脑，并对外
41、界环境信息的变化做出相应的处理。而对智能小车来说，避障模块之于小车就相当于眼睛之于人类。避障模块可以采集外部地形数据，然后把所采集的地形数据传输到中央处理模块，从而实现躲避障碍的功能。避障模块所采用的器件在市场中有许多类型，比如红外检测，基于 stm32 的智能小车设计- 20 -光位移检测，超声波检测等。本次试验我们使用的是 HC-SR04 超声波检测，超声波由于具有检测能力强，传播路径宽，因此我们决定使用 HC-SR04 器件。在使用 HC-SR04 模块进行超声波测距的同时，我们可以使用舵机进行辅助。舵机的主要作用是改变 HC-SR04 模块的照射方向，从而控制超声波的发射方向。在程序编
42、写过程中，如果小车前方遇见障碍时，我们可以直接控制舵机的转向，而小车的车身可以保持不变，在测量结束后，小车再做相应的动作。2.3.1 避障模块器件结构及其原理HC-SR04 超声波测距模块测量范围在 2cm-400cm 之间，可以实现无接触式测距功能。HC-SR04 超声波测距模块由一个超声波发射器、一个超声波接收器和控制电路组成，避障模块的实物结构图如图 2.17 所示：图 2.17 实物正反面结构图如结构图所示 VCC 提供 5v 电源，GND 为接地线，TRIG 为触发信号线，ECHO为回向信号输出线。基本原理如下：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号，在
43、TRIG 触发沿到来后，超声波发射器会自动发出 8 个 40KHz 的方波，并且检测是否有信号返回，当超声波接收器接收到超声波时，表明有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。因此测量距离=（高电平持续时间*340m/s）/2。测量时序图如图2.18 所示：基于 stm32 的智能小车设计- 21 -图 2.18 超声波时序图我们根据时序图，可以编写相应的程序代码。为了防止发射信号对回向信号的影响，我们的测量周期不易过小。并且由于 HC-SR04 的感应角度不大于 15，所以测距时，为了防止发射信号丢失，我们要求被测物体的面积不应小于 0
44、.5平方米，否则可能导致测量结果不准确。舵机在避障模块的主要作用前面已经提到，本节主要讲解舵机的工作特性。舵机的实物图如图 2.19 所示：图 2.19 舵机实物图舵机的工作工作原理是 stm32 微处理器发出数据给舵机，舵机内部有一个基准电路，它会产生周期为 20ms，宽度为 1.5ms 的基准信号，它将微处理器传输的直流偏置电压与电位器的电压数据进行比较，获得电压差输出。经由电路板上的 IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回反馈信号。舵机的转动角度与 stm32 所提供的PWM 信号相关。标准信号 PWM 周期为 20ms，理论上来讲
45、脉宽为 12ms，实际我们的脉宽为 0.52.5ms，脉宽与所转的角度一一对应。角度与脉宽的对应图如图 2.20 所示：基于 stm32 的智能小车设计- 22 -图 2.20 舵机角度与脉宽对应图2.3.2 HC-SR04 模块硬件电路设计超声波模块硬件原理图如下图所示：图 2.21 超声波硬件原理图HC-SR04 模块主要由发射器、接收器和部分电路组成。在此试验中，我们只需简单了解电路的设计，对于其基本原理可以不用过多涉猎，我们只需明白它们的工作原理，并且能够简单运用即可。2.3.3 HC-SR04 模块程序设计根据硬件电路的设计，我们对避障子程序进行设计，程序流程图如图 2.22 所示：
46、基于 stm32 的智能小车设计- 23 -开始系统初始化前进前方是否有障碍舵机左转否是小车左方是否有障碍否舵机右转小车右方是否有障碍小车左转是小车右转否小车后转避障子程序结束图 2.22 避障程序流程图避障模块在程序设计中，我们的工作主要是：1、控制超声波的扫描周期2、采集超声波发射到接受的高电平持续时间 t3、对采集的高电平持续时间 t 进行处理，判断前方是否有障碍下面我们就详细介绍我们是怎么通过软件设计来完成这几个步骤的：1、控制超声波的扫描周期根据表 2-2，我们采用的是 TIM2 来控制超声波的扫描周期。首先我们把 TIM2设置为定时器中断模式，代码格式为 void TIM2_Int
47、_Init(u16 arr,u16 psc); 由于配置定时器中断模式十分简单，我们就不在详细介绍，其详细代码见附录4.定时器 TIM2 的中断周期计算公式为 T=(arr+1)*(psc+1)/Tclk。Tclk 为系统周期，一般为 72Mhz.我们在中断服务程序中控制超声波的发射，我们采用PC7 作为触发信号，根据超声波时序图，我们需要在中断程序中给 PC7 一个持续 10ms 的高电平，中断服务程序如下：基于 stm32 的智能小车设计- 24 -void TIM2_IRQHandler(void) /TIM2 中断if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Upd
48、ate) != RESET)TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update ); GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_7);delay_ms(10);GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_7);2、采集超声波发射到接受的持续时间 t在本节试验中，我们使用了通用定时器 TIM5 的输入捕获功能，输入捕获模式具有测量频率或者测量脉冲的宽度的功能。我们开启 TIM5 通道 CH1（定时器5）的输入捕获模式，采集 ECHO 端口的高电平持续时间。配置定时器 5 代码格式为：void TIM5_Cap_Init(u16 arr
49、,u16 psc)下面我们就详细讲解一下，如何开启并使用通用定时器的输入捕获功能。输入捕获的原理，简单的讲就是通过检测 TIM5（定时器）通道 CH1 的边沿信号，当边沿信号发生变化时，当前寄存器的值 TIM1_CNT 存放到通道的捕获/比较寄存器（TIM5_CCR1）里面。我们的实验就是采集捕获/比较寄存器（TIM5_CCR1）中的值并进行处理，完成相应的动作。为了使 TIM5 通道 CH1 具有捕获功能，我们需要用到 TIM5_PSC、TIM5_ARR、捕获/比较模式寄存器（TIM5_CCMR1） 、捕获/比较使能寄存器(TIM5_CCER)、捕获/比较寄存器（TIM5_CCR1） 、DMA/中断使能寄存器（TIM5_DIER） 、控制寄存器(TIM5_CR1)。我们下面就简单介绍下下这几个寄存器。TIM5_PSC、TIM5_ARR、TIM5_CCR1 这 3 个寄存器用法与前节中相同，我们就不在赘述，而在本实验中，捕获/比较寄存器 TIM5_CCMR1 非常重要，该寄存器的各位描述如下图所示：基于 stm32 的智能小车设计- 25 -图 2.23 TIMx_CCMR1 各位描述我们使用的是 TIM5 捕获/比较
