基于單片機的智能車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例概述1.1智能車系統(tǒng)框架本設(shè)計中的智能車由單個MCU控制，采用STM23F103系列單片機，連接電源、開關(guān)按鍵、顯示器、電機驅(qū)動、藍牙通信、超聲波距離檢測等模塊。連接方式如圖所示：圖1.1-1硬件原理圖下面分模塊介紹智能車的電路原理。1.2無線通信模塊常見的能實現(xiàn)利用無線技術(shù)進行通信的模塊被稱為無線通信模塊，這類模塊在車輛控制（如小車遙控、遙測、監(jiān)控等領(lǐng)域）、監(jiān)控領(lǐng)域（如小區(qū)的門禁系統(tǒng)、電表水表等的無線抄表、小區(qū)呼傳、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）等得到了廣泛應(yīng)用。日常生活中上網(wǎng)、無線耳機、無線充電等也是這類模塊的常見應(yīng)用方式，包括目前新興的防火災(zāi)系統(tǒng)、生物信號收集設(shè)備、氣象監(jiān)控等。模塊主要由發(fā)射器、接收器和控制器組成。日常生活中，我們經(jīng)常采用到的無線通信技術(shù)有WiFi、藍牙、zigbee、移動通信（4G、5G）、和傳統(tǒng)的數(shù)傳電臺等。表1.1各類無線通信技術(shù)對比種類單點覆蓋距離網(wǎng)絡(luò)擴展性復(fù)雜性傳輸速率頻段網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)聯(lián)網(wǎng)所需時間集成度和可靠性使用成本Zigbee50-300m自動擴展簡單250kbps868MHz-2.4GHz6500030毫秒高低藍牙10m無復(fù)雜1Mbps2.4GHz810秒高低WiFi50m無非常復(fù)雜1-11Mbps2.4GHz503秒一般一般移動通信可達幾公里依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋復(fù)雜38.4kbps0.8-1GHz數(shù)秒一般高數(shù)傳電臺可達6公里無復(fù)雜19.2kbps400MHz-2.4GHz無低高本次設(shè)計的無線通信模塊通過經(jīng)濟、難度等多方面的考慮，最終采用了嵌入式藍牙通訊模塊HC-05，藍牙模塊是一種集合了藍牙芯片和其基礎(chǔ)電路連接的集成器件，可實現(xiàn)兩個或多個設(shè)備間進行短距離的2.4G的無線通信。藍牙通信有著低功耗、易于安裝和設(shè)置的優(yōu)勢，廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域。藍牙模塊特性：核心模塊是HC-05主從一體的藍牙通信模塊，共引出六個引腳，分為使能引腳EN、能夠在藍牙未連接時輸出低電平，在藍牙連接時輸出高電平的狀態(tài)引腳STATE，接電源和接地的引腳VCC與GND，和作為串口與單片機間互相傳遞信息的引腳RXD和TXD，在使用時，應(yīng)將藍牙模塊RXD與單片機提前設(shè)置好的TXD端口相連，TXD與單片機的RXD端口相連后，才能互相傳遞信息。模塊上設(shè)有LED顯示燈，LED指示燈快速閃亮表示還沒有其他藍牙設(shè)備與本設(shè)備連接，LED燈慢速閃動時說明藍牙模塊進入了AT模式。雙閃代表兩個藍牙模塊已經(jīng)成功連接并且打開了端口可以與單片機傳輸信息了。底板設(shè)置防反接二極管，帶1.3VLDO，輸入電壓1.6~6V，電流在10mA-30mA之間，未連接時的電流會大于已連接的電流，實際中禁止輸入電壓超過7V。接口電平應(yīng)為1.3V，可以直接與本次設(shè)計用到的單片機直接連接（STM32F103C8T6單片機接口電平也為1.3V）。Hc-05在空曠地區(qū)有十米的連接距離，功率達到一定標(biāo)準(zhǔn)時也可能會有十米以上的連接距離。在配對以后當(dāng)全雙工串口使用，支持8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、可設(shè)置奇偶校檢的通信格式，這也是常用的通信格式，不支持其他格式。體積小巧(1.57cm*1.52cm)，工廠貼片生產(chǎn)，保證貼片質(zhì)量。并套透明熱縮管，防塵美觀，且有一定的防靜電能力。支持從4800bps~1382400bps間的標(biāo)準(zhǔn)波特率。通常使用9600的波特率，115200以上的波特率會有很嚴(yán)重的信號干擾，系統(tǒng)極不穩(wěn)定，所以一般不使用。引腳說明：圖1.2藍牙模塊圖引腳1、2是藍牙模塊的TXD輸出引腳和RXD輸入引腳，他們都需要1.3VTTL電平引腳11是藍牙模塊的復(fù)位引腳RST，引腳12是藍牙模塊的電源腳VCC，要求使用1.3V電壓、不小于100mA的直流電供電。引腳13：GND模塊公用接地引腳21：GND懸空或接地模塊公共接地引腳22：CON輸入端口，板載LED燈控制腳，接地關(guān)閉LED燈引腳31：PIO8輸出端口，PIO8連接LED，LED指示燈快速閃亮表示還沒有其他藍牙設(shè)備與本設(shè)備連接，LED燈慢速閃動時說明藍牙模塊進入了AT模式。雙閃代表兩個藍牙模塊已經(jīng)成功連接并且打開了端口可以與單片機傳輸信息了。在連接時，只需用藍牙模塊的TXD連接單片機的RXD，藍牙模塊的RXD連接單片機的TXD，即可實現(xiàn)無線透傳。圖1.3藍牙模塊連接1.3電源模塊單片機選用了需要用1.3V直流電源供電的STM32F103系列單片機，因此，本次設(shè)計也采用了RT9193-1.3穩(wěn)壓電源模塊實現(xiàn)給單片機穩(wěn)定供電。圖1.4電源模塊引腳1為電源輸入電壓。引腳2為GND接地。引腳3作為EN使能端,芯片可以使用高電平有效。此引腳必須作為高阻。應(yīng)當(dāng)在帶有一個上拉低100k歐姆來控制的信號在浮動時與GND相連。引腳4為加一個22nF的電容接地，可以獲得更好的噪聲性能。引腳5VOUT輸出1.3v電壓。1.4STM32F103C8T6最小系統(tǒng)主控MCUSTM32F103C8T6電路圖如圖1.4所示。STM32F103C8T6的最小系統(tǒng)由單片機、復(fù)位電路、晶振電路、啟動電路構(gòu)成。在選擇單片機時，考慮了STM32F103和C51兩款單片機，由于STM32系列單片機具有豐富的庫函數(shù)，程序編寫這一方面要比C51系列單片機更加的方便簡單，并且普通的C51單片機運行速度較慢，基于以上考慮，本次設(shè)計采用了STM32系列的單片機。圖1.5主控MCUF103C8T6:STM32F103C8T6是一款基于ARMCortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V~1.6V，工作溫度為-40°C~85°C。STM32F103C8T6單片機采用LQFP48封裝設(shè)計，芯片一共引出44只引腳，其中A口有A0-A15共16個引腳，B口有B0-B15共16個引腳，C口有C13-C15共3個引腳，D口有D0-D1共兩個引腳。C14、C15一般接了32.768kHz的晶振，D0、D1接8MHz的晶振，一般不做I/O口使用。如圖所示：圖1.6STM32F103C8T6其中有2個12位ADC控制器（9個口PA0-PA7、PB0-PB1），37個IO口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），3個USART接口（PA8-PA10）。在MCU外圍加上供電電路，時鐘電路，復(fù)位電路，來保證MCU可以正常工作。供電電路：引腳1VBAT為內(nèi)部RTC和后備寄存器供電，應(yīng)該保持始終有電，所以連接1.3v無線模塊電源；引腳9、24、36、48是VDD，接1.3v通用電源；引腳8、23、35、47是VSS，接地。復(fù)位電路：復(fù)位電路的作用是指在單片機獲得供電的瞬間，保證單片機開始工作時為初始狀態(tài)。如果運行中程序錯亂，那么應(yīng)該按下復(fù)位按鈕，使單片機的寄存器、計數(shù)器等電路回到初始狀態(tài)后，才能再次重新運行程序。因此單片機的最小系統(tǒng)應(yīng)該裝有復(fù)位鍵。有些微控制器采用高電平復(fù)位（即正常工作時為低電平，需要復(fù)位時拉高引腳電平），也有些微控制器采用低電平復(fù)位（正常工作時為高電平，需要復(fù)位時拉低引腳電平），這是由微控制器的結(jié)構(gòu)決定的。在使用STM32芯片時，常用的復(fù)位方式為按鍵復(fù)位，且為低電平復(fù)位。且RC的值為：10k×10μF=0.1s復(fù)位時需要充電3-5個RC的時間后，就可以復(fù)位。圖1.7復(fù)位電路啟動模式：芯片有三種啟動方式，用戶閃存、內(nèi)置RAM和系統(tǒng)存儲器，本設(shè)計用用戶閃存方式和系統(tǒng)存儲器方式啟動，引腳BOOT1接100K的下拉電阻，引腳BOOT0的電平的高低由當(dāng)前工作決定。晶振電路：晶振是實現(xiàn)單片機工作的最重要的組成部分，單片機的操作通過晶體震蕩產(chǎn)生的時鐘信號來觸發(fā)。任何一款單片機系統(tǒng)里都應(yīng)包含晶振，即晶體震蕩器，他產(chǎn)生的時鐘觸發(fā)了單片機的全部指令的執(zhí)行，如果晶體震蕩的越快，那么產(chǎn)生的時鐘就會有更高的頻率，同時，單片機的運行性能也會大大提高。晶振是晶體工作在共振的狀態(tài)時，可實現(xiàn)電能和機械能之間的互相轉(zhuǎn)化。以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。圖1.8晶振電路引腳3、4、5、6間接了晶振電路。1.5傳感器模塊為了檢測兩車之間的距離，本次設(shè)計需要采用測量距離的模塊，通過對比了紅外傳感器測距模塊和超聲波傳感器測距模塊，因為光照紅外傳感器測距模塊的影響大，所以本次設(shè)計使用了HC-SR04超聲波傳感器進行測距。此模塊在工作穩(wěn)定度、測量精度、測量準(zhǔn)確度、盲區(qū)大小等方面都有著優(yōu)越的性能。[10]測距原理：振動頻率大于聲波的振動頻率的機械波成為超聲波，在電壓的激勵下，換能晶片發(fā)生振動產(chǎn)生的機械波就是超聲波，他的頻率高于聲波頻率，波長較短，指向性強，可以像射線一樣，定向傳播。從開始發(fā)射超聲波的瞬間開始計時，當(dāng)超聲波遇到障礙時，超聲波的反射波會返回，到超聲波傳感器的反射波接收裝置收到反射回的超聲波時，計時停止。通過對這一段時間的計算，已知超聲波的速度為聲速，即：s=v×Δt∕2這就是時間差測距法。工作原理：特性：頻率：F≥20000Hz（通常把F≥15000Hz的聲波也稱為超聲波）；功率密度：P=發(fā)射功率（W）∕發(fā)射面積（cm2超聲波傳感器模塊由發(fā)送部分、接收部分、控制部分、電源部分構(gòu)成。此模塊共有四個引腳，分別為：電源引腳VCC，模塊公用接地GND，發(fā)射超聲波的輸入引腳TRIG，接收超聲波的輸出引腳ECHO。Hc-sr04模塊主要電氣參數(shù)：表1.2HC-SR04電氣參數(shù)使用電壓DC—5V靜態(tài)電流小于2mA電平輸出高5V電平輸出低0V感應(yīng)角度不大于15度探測距離2cm-450cm精度0.2cm傳感器原理圖：圖1.9傳感器電路圖1.10傳感器連接圖1.6電機驅(qū)動模塊電機模塊，選用L298N電機驅(qū)動模塊驅(qū)動兩個直流電機。L298N是由SGS公司生產(chǎn)，包含4通道邏輯驅(qū)動電路的驅(qū)動芯片。能用來驅(qū)動二相、四相電機，目前是這兩類電機的專用驅(qū)動芯片。該芯片需要接收TTL電平信號，可用來驅(qū)動額定電壓小于46V、電流小于2A的直流電機。除此之外，L298N可以直接連接電機，直接對電機進行控制。只需預(yù)先通過主控芯片的I/O輸入輸出口進行預(yù)先設(shè)置電平，就可以控制電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)調(diào)速等功能。表1.3L298N電氣參數(shù)類型半橋輸入類型非反相輸出數(shù)4電流-輸出/通道2A電流-峰值輸出3A電源電壓4.5V~46V工作溫度-25°C~130°C實物及引腳：圖1.11實物圖圖1.12連接圖一個L298N電機驅(qū)動模塊可以帶兩個直流電機，ENA,ENB為使能端。IN1、IN2、IN3、IN4是四個輸入端連接單片機，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別連接兩個電機，控制電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)ENA收到低電平時，電機1停轉(zhuǎn)。當(dāng)ENB收到低電平時，電機2停轉(zhuǎn)。電機狀態(tài)編碼：表1.4電機編碼狀態(tài)表左電機右電機左電機右電機小車運行狀態(tài)INT1INT2INT3INT41010正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行1001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)1011正轉(zhuǎn)停以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)0110反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)1110停正轉(zhuǎn)以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)0101反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退對于電機的調(diào)速，采用了PWM（PulseWidthModulation脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速的方法，我們所說的PWM是脈寬調(diào)制器，電機的運行需要依靠具有固定頻率的且有一定的脈沖寬度的調(diào)制器發(fā)出脈沖電。在固定頻率時，如果脈沖寬度越大，證明一周期內(nèi)電機處于高電平時間長，則供給電機的平均電壓也會越大，電機則會高速旋轉(zhuǎn)。反之脈沖寬度越小，使電機轉(zhuǎn)動的平均電壓就會越小，電機低速轉(zhuǎn)動。需要注意的是，PWM調(diào)速時，無論處于高電平還是低電平電機都會轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的速度只由平均電壓決定。對于控制和驅(qū)動直流電動機電壓，使用半導(dǎo)體功率器件（L298）被分為了兩種不同的工作方式。一種是線性放大驅(qū)動方式，另一種為開關(guān)驅(qū)動方式。線性放大驅(qū)動方式中，半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)這就表明了，他有著顯而易見的優(yōu)缺點，工作在線性區(qū)的功率器件控制原理簡單，輸出穩(wěn)定，波動小，也不會干擾鄰近的電路。同時，也由于功率器件工作在線性區(qū)，那么也會有功率較低，發(fā)熱問題嚴(yán)重的缺點。使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)的驅(qū)動方式為開關(guān)驅(qū)動方式,是通過脈沖調(diào)制（PWM）來控制電動機的電壓,從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。當(dāng)驅(qū)動信號為高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通,直流電動機電樞繞組兩端有電壓U。t1秒后,驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后,驅(qū)動信號重新變?yōu)楦唠娖?開關(guān)管的動作重復(fù)一個周期的過程。圖1.13PWM示意圖電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U為:U=(t1×U)/(t1+t2)=(t1×U)/T=D*U。式中D為占空比，D=t/T。1.7LCD1602模塊LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶屏，能夠同時顯示16x02即32個字符。LCD1602液晶顯示利用了液晶顯示有電就顯示的物理特性，通過對LCD1602顯示區(qū)進行電壓控制，實現(xiàn)顯示數(shù)字、圖形等效果。1602液晶又被稱為1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，顯示屏中，每位、每行之間都有間隔，這些間隔能夠隔開字符與字符、行與行，也正是因為這些間隔LCD1602顯示屏不能