摘 要本實(shí)驗(yàn)主要分析把握對(duì)象的智能車(chē)基于 STM32F103 的設(shè)計(jì)。智能系統(tǒng)的組成主要包括 STM32F103 控制器、伺服驅(qū)動(dòng)電路、紅外檢測(cè)電路、超聲波避障電路。本試驗(yàn)采用 STM32F103 微處理器作為核心芯片，速度和轉(zhuǎn)向的控制采用 PWM 技術(shù)，跟蹤模塊、檢測(cè)、障礙物檢測(cè)和避免功能避障模塊等外圍電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。小車(chē)行駛時(shí)，避障程序跟蹤程序，具有紅外線跟蹤功能的汽車(chē)檢測(cè)電路。然后用顏色傳感器識(shí)別物體的顏色和抓取。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了實(shí)現(xiàn)伺服控制功能，簡(jiǎn)單的智能車(chē)跟蹤和避障功能的軟件設(shè)計(jì)和控制程序，在 STM32 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 IAR 編譯，并使用 JLINK 下載程序。關(guān)鍵詞：stm32;紅外探測(cè);超聲波避障;顏色傳感;舵機(jī)控制ABSTRACTThis experiment mainly analyzed the grasping object intelligent car based on STM32F103 design. The composition of the intelligent system mainly includes STM32F103 controller, servo drive circuit, infrared detection circuit, ultrasonic obstacle avoidance circuit. This test uses the STM32F103 microprocessor as the core chip, the speed and steering control using PWM technology, tracking module and detection, obstacle avoidance module for obstacle detection and avoidance function, other peripheral circuit to achieve the overall function of the system. The car is moving, obstacle avoidance procedures prior to tracking program, car tracking function with infrared detection circuit. Then use color sensor to recognize object color and grab. On the basis of the hardware design is proposed to realize the servo control function, simple intelligent car tracking and obstacle avoidance function of the software design, and the control program is compiled in the STM32 integrated development environment IAR, and download the program using Jlink.Key words: STM32; infrared detection; ultrasonic obstacle avoidance; color sensing; steering control目 錄第一章 緒論 .11.1 研究意義概況 .11.2 研究思路 .1第二章 硬件設(shè)計(jì)部分 .22.1 中央處理模塊 .22.1.1 stm32f103 內(nèi)部結(jié)構(gòu) .32.1.2 stm32 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) .32.1.3 stm32 軟件設(shè)計(jì)的基本思路 .62.2 避障模塊設(shè)計(jì) .62.2.1 避障模塊器件結(jié)構(gòu)及其原理 .72.2.2 HC-SR04 模塊硬件電路設(shè)計(jì) .82.3 循跡模塊設(shè)計(jì) .92.3.1 循跡模塊結(jié)構(gòu)及其原理 .92.3.2 循跡模塊電路設(shè)計(jì) .11第三章 軟件調(diào)試及實(shí)物展示 .123.1 程序仿真 .123.2 程序下載 .123.3 實(shí)物展示 .13第四章 總結(jié) .14致 謝 .15參考文獻(xiàn) .16電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告0第一章 緒論1.1 研究意義概況智能小車(chē)通過(guò)各種感應(yīng)器獲得外部環(huán)境信息和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境背景下的自主運(yùn)動(dòng)，從而完成具有特定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。而隨著智能化電器時(shí)代的到來(lái)，它們?cè)跒槿藗兲峁┑氖孢m的生活環(huán)境的同時(shí)，也提高了制造智能化電器對(duì)于人才要求的門(mén)檻。智能小車(chē)是集成了多種高新技術(shù)，它不僅融合了電子、傳感器、計(jì)算機(jī)硬件、軟件等許多學(xué)科的知識(shí)，而且還涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)，它是一個(gè)國(guó)家高科技技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。通過(guò)建立起簡(jiǎn)易智能小車(chē)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生從理論走向?qū)嵺`，培養(yǎng)同學(xué)們的動(dòng)手能力，使同學(xué)們?cè)诹私庵悄芑娖鞯墓ぷ髟淼幕A(chǔ)上，還使同學(xué)們獲得完成整體項(xiàng)目的能力，并掌握了 Stm32 開(kāi)發(fā)板的編程原理，為同學(xué)們進(jìn)入 ARM 領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)。另外，本次課程設(shè)計(jì)，使同學(xué)們了解自己的不足之處，從而使同學(xué)們有目標(biāo)的提升自己的能力。國(guó)外研究概況：上世紀(jì) 50 年代初，國(guó)外就有智能車(chē)輛的研究，從 90 年代開(kāi)始，智能車(chē)輛的研究就進(jìn)入了系統(tǒng)化、大規(guī)模的研究階段。尤其突出的是美國(guó)卡內(nèi)基-梅隴大學(xué)機(jī)器人研究所已經(jīng)完成了 Navlab 系列的自主車(chē)輛的研究，這一研究成果代表了國(guó)外智能車(chē)輛的主要研究方向。國(guó)內(nèi)研究概況：我國(guó)對(duì)于智能車(chē)輛的研究較晚，始于上世紀(jì) 80 年代，而且現(xiàn)在大部分還是使用入門(mén)級(jí)別的 51 單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究的，為了彌補(bǔ)與國(guó)外研究的差距，開(kāi)設(shè)了全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。1.2 研究思路系統(tǒng)將采集的傳感器信號(hào)送入 stm32 微控制器中，stm32 微控制器根據(jù)采集的信號(hào)做出不同的判斷，從而控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。系統(tǒng)以 stm32 微控制器為核心，通過(guò)傳感器采集不同的信號(hào)做出判斷，繼而改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示：圖 1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告1第二章 硬件設(shè)計(jì)部分智能小車(chē)控制系統(tǒng)具備了障礙物檢測(cè)、自主避障、自主循跡等功能。相應(yīng)的控制系統(tǒng)主要由以下四個(gè)模塊組成：避障模塊、循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、中央處理模塊四個(gè)模塊組成，系統(tǒng)總體框架如圖 2.1 所示：圖 2.1 系統(tǒng)框架圖我們本節(jié)主要任務(wù)是了解各個(gè)模塊的功能，掌握各個(gè)模塊所使用的器件的使用方法，并能夠編寫(xiě)相應(yīng)的程序代碼。掌握各個(gè)模塊的功能。2.1 中央處理模塊在人類(lèi)身體結(jié)構(gòu)中，大腦可以根據(jù)各個(gè)器官所傳輸?shù)男畔⒆龀鱿鄳?yīng)的行為動(dòng)作用以保證人體所必須的生理原料，而 stm32 處理器之于智能小車(chē)就相當(dāng)于大腦之于人類(lèi)，它可以從各個(gè)模塊之間獲得數(shù)據(jù)，并對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，來(lái)驅(qū)使電機(jī)模塊做出相應(yīng)的行為動(dòng)作。由 ARM 公司設(shè)計(jì)的基于 ARMv7 架構(gòu)的 Cortex 系列的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)在 2006 年推出，此結(jié)構(gòu)是用來(lái)滿(mǎn)足日漸復(fù)雜的不同性能要求的軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)所面向的領(lǐng)域，Cortex系列可以分為 A、R、M 三個(gè)分工明確的系列 1。Stm32 處理器的出現(xiàn)為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車(chē)車(chē)身系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，使編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本大大簡(jiǎn)化，并使它們?nèi)跒橛谝惑w 2。意法半導(dǎo)體 ST 公司作為一個(gè)半導(dǎo)體制造廠商，是 ARM 公司Cortex-M3 內(nèi)核開(kāi)發(fā)項(xiàng)目一個(gè)主要合作方。2007 年 6 月 11 日由 ST 公司率先推出的基于 Cortex-M3 內(nèi)核的 STM32 系列微控處理器研發(fā)而出。此中，A 系列是面向復(fù)雜的尖端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開(kāi)放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)；R 是 Real 的首字母縮寫(xiě)，是面向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的；M 是 Mirco 的首字母縮寫(xiě)，專(zhuān)門(mén)面向低成本的微控制領(lǐng)域開(kāi)發(fā)研究。因此，Cortex-M3 處理器是由 ARM 公司設(shè)計(jì)的首款基于 ARMv7-M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn)處理器，它不僅具有低功耗、少門(mén)數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點(diǎn)，使它在眾多的處理器中脫穎而出。目前為止，STM32 系列處理器暫分為 2 個(gè)系列。其中，STM32F101 系列是標(biāo)準(zhǔn)型系列，工作頻率設(shè)定在 36MHZ；STM32F103 系列是增強(qiáng)型系列，工作頻率設(shè)定在 72MHZ，其帶有更多片內(nèi) RAM 和更豐富的外設(shè)資源。這兩個(gè)系列的產(chǎn)品在軟件和引腳封裝方面具有兼容性，并且擁有相同的片內(nèi) Flash 資源，使軟件的開(kāi)發(fā)電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告2和升級(jí)更加方便。本次試驗(yàn)，我們使用的是 stm32f103 處理器。2.1.1 stm32f103 內(nèi)部結(jié)構(gòu)STM32F103 系列微處理器是首款基于 ARMv7-M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn) RISC （精簡(jiǎn)指令集）處理器，具有執(zhí)行代碼效率高，外設(shè)資源豐富等眾多優(yōu)點(diǎn)。該系列微處理器工作頻率設(shè)定在 72MHz，高達(dá) 128K 字節(jié)的內(nèi)置 Flash 存儲(chǔ)器和 20K 字節(jié)的 SRAM，方便程序編寫(xiě)，而且具有豐富的通用 I/O 端口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 2.2 所示：圖 2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Stm32 處理器主系統(tǒng)主要由 4 個(gè)被動(dòng)單元和 4 個(gè)驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成。4 個(gè)驅(qū)動(dòng)單元是：通用 DMA1，通用 DMA2，內(nèi)核 DCode 總線和系統(tǒng)總線。4 個(gè)被動(dòng)單元由 APB 橋，APB 設(shè)備，內(nèi)部 Flash 閃存，內(nèi)部 SRAM、FSMC。我們實(shí)驗(yàn)所采用的芯片具有64KBSRAM、512KBFLASH、2 個(gè)基本定時(shí)器，4 個(gè)通用定時(shí)器，2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器，3 個(gè)SPI，2 個(gè) IIC，5 個(gè)串口，1 個(gè) USB，1 個(gè) CAN，3 個(gè) 12 位的 ADC,1 個(gè) 12 位 DAC、1 個(gè)SDIO 接口，1 個(gè) FSMC 接口以及 112 個(gè)通用 I/O 口。2.1.2 stm32 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)Stm32 的最小系統(tǒng)電路主要由系統(tǒng)時(shí)鐘電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、JTAG 調(diào)試接口電路，復(fù)位電路和啟動(dòng)模式選擇電路組成。最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 2-1-3 所示：電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告3圖 2.3 最小系統(tǒng)電路原理圖主要電路原理圖的設(shè)計(jì)及功能如下所示：1.系統(tǒng)時(shí)鐘電路系統(tǒng)時(shí)鐘電路主要作用是提供節(jié)拍，就相當(dāng)于人類(lèi)的心臟跳動(dòng)，隨著心臟的跳動(dòng)，血液就會(huì)到達(dá)全身部位，所以系統(tǒng)時(shí)鐘的重要性就不言而喻啦。系統(tǒng)時(shí)鐘的電路設(shè)計(jì)如圖 2.4 所示：圖 2.4 系統(tǒng)時(shí)鐘電路圖在時(shí)鐘電路中，我們選用 8M 的晶振。2.復(fù)位電路復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如圖 2.5 所示：電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告4圖 2.5 復(fù)位電路圖本次試驗(yàn)所采用的開(kāi)發(fā)板為低電平復(fù)位。如圖所示，當(dāng)按鍵懸空時(shí) RST 輸入為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，RST 腳輸入為低電平，從而電路復(fù)位。3.JTAG 電路JTAG 電路原理圖如圖 2.6 所示：圖 2.6 JAG 電路原理圖JTAG 的主要功能是使目標(biāo)文件燒到核處理器中。4.啟動(dòng)模式電路啟動(dòng)模式電路原理圖如圖 2.7 所示：圖 2.7 啟動(dòng)模式電路原理圖電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告5通過(guò)設(shè)置 BOOT1:0引腳可以選擇三種不同啟動(dòng)模式，啟動(dòng)模式如表 2-1 所示：表 2-1 啟動(dòng)模式表啟動(dòng)模式選擇引腳BOOT1BOOT0啟動(dòng)模式 說(shuō)明X 0 主閃存存儲(chǔ)器主閃存存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域0 1 系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)區(qū)域1 1 內(nèi)置SRAM內(nèi)置 SRAM 被選為啟動(dòng)區(qū)域2.1.3 stm32 軟件設(shè)計(jì)的基本思路在對(duì)其他模塊設(shè)計(jì)之前，我們必須了解 stm32 的編程規(guī)則。任何處理器，包括stm32 處理器，想要處理器完成某項(xiàng)相應(yīng)的動(dòng)作，就必須對(duì)處理器的寄存器進(jìn)行操作。比如，我們?cè)趩纹瑱C(jī) C51 中，同樣，我們?cè)?stmM32 的開(kāi)發(fā)中過(guò)程中，我們同樣可以對(duì)寄存器直接操作：GPIOx-BRR=0x0011。 (x 可以是 A,B,C,D,E比如 GPIOA 就是端口 A)但是，對(duì)于 stm32 這種級(jí)別的處理器，幾百個(gè)寄存器記起來(lái)談何容易。所以，ST(意法半導(dǎo)體)提出了固件庫(kù)的概念，利用固件庫(kù)進(jìn)行編程。固件庫(kù)的本質(zhì)就是函數(shù)的集合，固件庫(kù)將那些寄存器的底層操作都封裝起來(lái)，提供一整套 API 供開(kāi)發(fā)者使用。比如，上面通過(guò)控制 BRR 寄存器來(lái)控制電平的變化，官方庫(kù)封裝了一個(gè)函數(shù)：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)通過(guò)使用 GPIO_ResetBits（）函數(shù)就可以直接對(duì)寄存器進(jìn)行操作了。2.2 避障模塊設(shè)計(jì)在人類(lèi)身體構(gòu)造系統(tǒng)中，眼睛可以使我們非常方便的采集到外界環(huán)境的信息，然后把信息及時(shí)的傳輸?shù)酱竽X，并對(duì)外界環(huán)境信息的變化做出相應(yīng)的處理。而對(duì)智能小車(chē)來(lái)說(shuō)，避障模塊之于小車(chē)就相當(dāng)于眼睛之于人類(lèi)。避障模塊可以采集外部地形數(shù)據(jù)，然后把所采集的地形數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K，從而實(shí)現(xiàn)躲避障礙的功能。避障模塊所采用的器件在市場(chǎng)中有許多類(lèi)型，比如紅外檢測(cè)，光位移檢測(cè)，超聲波檢測(cè)等。本次試驗(yàn)我們使用的是 HC-SR04 超聲波檢測(cè)，超聲波由于具有檢測(cè)能力強(qiáng)，傳播路徑寬，因此我們決定使用 HC-SR04 器件。在使用 HC-SR04 模塊進(jìn)行超聲波測(cè)距的同時(shí)，我們可以使用舵機(jī)進(jìn)行輔助。舵機(jī)電子設(shè)計(jì) II 課程報(bào)告6的主要作用是改