單片機(jī)控制的智能小車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16486單片機(jī)控制的智能小車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 161261.1智能小車整體設(shè)計(jì) 132781.2核心控制器 3251431.2.1微處理器簡(jiǎn)介 347461.2.2STM32最小系統(tǒng) 4189041.3其他硬件模塊選型 61.1智能小車整體設(shè)計(jì)智能小車的硬件部分是整個(gè)智能車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，小車能否順利完成自動(dòng)行駛、控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行都與硬件部分有關(guān)，只有具備了穩(wěn)固的硬件平臺(tái)，軟件開發(fā)的各種控制算法才得以在硬件中進(jìn)行良好的運(yùn)行，同時(shí)還可以方便地進(jìn)行控制算法程序調(diào)試工作。本文研究的智能小車的硬件部分采用了模塊化布置的設(shè)計(jì)思維，整個(gè)智能車的嵌入式硬件控制系統(tǒng)按各自的功能被分成不同的模塊，根據(jù)各硬件不同的功能，智能小車的硬件控制系統(tǒng)分為三部分∶軌跡跟蹤控制、測(cè)距跟隨運(yùn)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制。軌跡跟蹤控制中包括線性CCD傳感器模塊，測(cè)距跟隨運(yùn)動(dòng)包括超聲波測(cè)距傳感器，機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制中包括STM32RCT6核心控制器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，循跡運(yùn)動(dòng)部分包括伺服舵機(jī)模塊、直流減速電機(jī)模塊。智能小車硬件整體控制結(jié)構(gòu)如圖1.1，表3-1所示為各個(gè)硬件模塊的規(guī)格和屬性參數(shù)。圖1.1小車整體硬件結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)各模塊主要功能如下∶（1）電源模塊分別提供不同的電壓給各個(gè)模塊使其正常工作，所以需要用到穩(wěn)壓電路和升降壓電路等。（2）接口電路模塊將已經(jīng)調(diào)試編譯好的程序通過(guò)串口燒錄到STM32單片機(jī)里，對(duì)小車的各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。（3）超聲波測(cè)量模塊的作用是測(cè)量與前車之間的距離，以保證小車能夠以安全距離跟隨。（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的作用是驅(qū)動(dòng)小車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)程序控制正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。（5）舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的作用是產(chǎn)生PWM信號(hào)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度。（6）CCD自主循跡模塊通過(guò)循跡算法完成對(duì)不同軌跡的識(shí)別和軌跡提取，達(dá)到自主循跡的目的。表1.1平臺(tái)搭載的硬件規(guī)格、屬性等參數(shù)TSL1401CL線性CCD圖像傳感器尺寸25*30mm，孔徑3mm，57°視角鏡頭，工作電壓1.3V~5VSTM32RCT6核心控制板尺寸50*50mm，主頻72M，64引腳，工作電壓3~5V轉(zhuǎn)向舵機(jī)尺寸54.5*20*37.5mm，最大角度180°，扭矩20Kg.cm，質(zhì)量59.6g，反應(yīng)速度0.14sec/60°，工作電壓4.8~7V直流減速電機(jī)（帶測(cè)速編碼器）最大直徑φ=37mm，動(dòng)力輸出軸?=6mm.減速比30，扭矩1Kg.cm，質(zhì)量145g，功率4.32W，額定電流360mA，額定電壓12VHC-SR40超聲波傳感器頻率40kHz，最遠(yuǎn)測(cè)試距離4米，精度0.5厘米，額定電壓5V1.2核心控制器1.2.1微處理器簡(jiǎn)介本文研究的智能小車控制系統(tǒng)的核心模塊為STM32RCT6單片機(jī)是一種嵌入式微控制器集成電路，是由ST公司開發(fā)的一款基干Cortex-M3內(nèi)核的微型控制單元，STM32類型的嵌入式控制單元有包含產(chǎn)品適用類型豐富、性價(jià)比高、庫(kù)開發(fā)的方式簡(jiǎn)單且容易使用等眾多優(yōu)點(diǎn)。STM32RCT6嵌入式微控制器中的32代表其為芯體位寬為32bit的MCU，F(xiàn)代表其產(chǎn)品類型為通用基礎(chǔ)型，103代表其芯片為增強(qiáng)型系列，R代表其引腳數(shù)量為64個(gè)，C代表閃存容量的大小為256KB，T代表其封裝類型為OFP封裝，6代表其工作溫度范圍是-40°~85°。STM32RCT6帶有各種煩的通信接口，包括CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB等；STM32RCT6嵌入式微控制器的主頻通常為72MHz，RAM容量為48K，包含各種各樣的的外圍設(shè)備如DMA、電機(jī)控制PWM、PDR、POR、PVD、PWM、溫度傳感器、WDT與晶振電路。本文研究的智能小車平臺(tái)搭載STM32RCT6芯片的核心控制板最高主頻為72MHz，引腳數(shù)量64pin，規(guī)格為50*50mm，重量為15.7g。為了使車輛在進(jìn)行軌跡跟蹤時(shí)不發(fā)生偏移，該核心控制器搭載了MPU-6050慣性測(cè)量單元（IMU）芯片，提供了CAN接口與VP230型CAN芯片，使小車控制器可通過(guò)CAN接口接收控制指令，支持SWD和串口兩種下載方式。該核心控制板還集成了各種外圍電路和相關(guān)的保護(hù)電路，具有較強(qiáng)的保護(hù)性，除此之外還有晶振電路、復(fù)位電路等；電源引腳需要接通濾波電容，這樣可以避免高頻干擾。圖1.2STM32f103xx引腳圖1.2.2STM32最小系統(tǒng)(1)電源模塊電源模塊是給系統(tǒng)中硬件模塊提供穩(wěn)定有效的電壓，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。由于系統(tǒng)中的各個(gè)電路模塊需要的額定電壓值都不相同，需要把鋰電池提供的最大電壓經(jīng)過(guò)降壓電路轉(zhuǎn)換到各個(gè)模塊需要的額定電壓值。LM2596s是降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠穩(wěn)定輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，并且具備很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。如圖1.3所示。STM32外圍硬件模塊額定電壓是5V，由于鋰電池組只能提供7.5V電壓，無(wú)法滿足外圍硬件模塊正常工作，為了防止電路短路。因此，需要對(duì)電池組提供的電壓進(jìn)行降壓處理，將7.5V電壓降到需要用的5V電壓。圖1.3LM2596s穩(wěn)壓電路(2)復(fù)位電路主控芯片是低電平復(fù)位(引腳NRST)，一共有三種復(fù)位方式：硬件按鍵復(fù)位、軟件復(fù)位，看門狗計(jì)數(shù)終止復(fù)位。其中的電容的目的是防止在按鍵剛剛接觸/松開時(shí)的電平抖動(dòng)引發(fā)誤動(dòng)作。電路圖如圖1.4所示圖1.4復(fù)位電路(3)串口通信電路本系統(tǒng)選用的STM32處理器是簡(jiǎn)潔型的主控制器，在核心板上只有USB接口，而沒(méi)有通信串口，為了便于通信測(cè)試，系統(tǒng)采用芯片CH340G實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口。CH340G芯片轉(zhuǎn)串口電路圖如圖1.5所示。圖1.5串口通信電路1.3其他硬件模塊選型1.1.1舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊本文選擇的轉(zhuǎn)向伺服舵機(jī)也屬于電機(jī)的一種，所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度通過(guò)輸入信號(hào)可以精確的給定，其工作原理是電機(jī)控制板接收STM32RCT6核心控制器的PWM脈沖控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的轉(zhuǎn)速減小，將電機(jī)的扭矩增大后輸出；電位器與齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，最后控制舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服舵機(jī)的閉環(huán)控制。要使舵機(jī)工作在額定功率下，電路方面需要滿足舵機(jī)的要求，包括電流和電壓，根據(jù)舵機(jī)的規(guī)格參數(shù)，為保證舵機(jī)的扭力和速度發(fā)揮最好的效果，選擇為其能提供6V電壓與6A電流的電源，由于輸出的電流較大，需要選擇帶有降壓功能的開關(guān)穩(wěn)壓芯片，本文選擇了XL4105開關(guān)穩(wěn)壓芯片使12V電池電壓降壓輸出6V電壓提供給伺服舵機(jī)，既提供了穩(wěn)定的電流和電壓，又保證了舵機(jī)工作的穩(wěn)定性，滿足伺服舵機(jī)正常工作的需求。如圖為XL4105穩(wěn)壓芯片應(yīng)用電路。圖1.6XL4105穩(wěn)壓電路1.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(1)直流電機(jī)原理施加直流電壓U在碳刷的兩端，電樞線圈中的電流方向是：當(dāng)前在有效邊的N極始終是一個(gè)方向，和當(dāng)前有效邊的S極總是另一個(gè)方向。這樣兩個(gè)有效面上的洛倫茲力的方向是相同的，電樞開始旋轉(zhuǎn)。我們可以調(diào)整施加到電機(jī)上的直流電壓的大小改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變施加在電機(jī)上的直流電壓的極性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向。圖1.7直流電機(jī)原理本文選擇的直流電機(jī)如圖1.8所示，它自帶測(cè)量輪速的編碼器具有減速功能，由于直流電機(jī)一般的轉(zhuǎn)速很高每分鐘可達(dá)幾千轉(zhuǎn)，為電機(jī)安裝減速器后可使直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩增大，可控性更強(qiáng)；減速器也稱為齒輪減速箱，它是一種相對(duì)精密的機(jī)械傳動(dòng)部件并且內(nèi)置了多組傳動(dòng)齒輪，由于本文研究的直流電機(jī)減速器體積較小但傳遞的扭矩很大，減速比為30∶1，所以它很適合作為直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)減速作用的裝置。圖1.8直流編碼器電機(jī)使用單片機(jī)控制電機(jī)的調(diào)速和換向功能，因?yàn)閱纹瑱C(jī)IO口的帶負(fù)載能力比較弱，而直流電機(jī)是大電流感性負(fù)載，我們選擇RZ7886電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)兩個(gè)電路分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，如圖1.9，VCC引腳我們接6-V電壓，GND接負(fù)極。圖1.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理(2)編碼器直流電機(jī)測(cè)速霍爾編碼器是一種通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或者數(shù)字量的傳感器，由霍爾碼盤和霍爾元件組成，霍爾碼盤是在一定直徑的圓板上等分布置不同的磁極?；魻柎a盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，為判斷轉(zhuǎn)向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號(hào)。如圖1.10所示：圖1.10編碼器原理本次實(shí)驗(yàn)使用的是增量式輸出的霍爾編碼器，編碼器有AB相輸出。所以不僅可以測(cè)速，還可以辨別轉(zhuǎn)向。根據(jù)上圖的接線說(shuō)明可以看到，我們只需給編碼器電源5V供電。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候即可通過(guò)AB相輸出方波信號(hào)，編碼器自帶了上拉電阻，所以無(wú)需外部上拉，可以直接連接到單片機(jī)IO口讀取。1.1.3超聲波測(cè)距模塊超聲波距離測(cè)量的方法有三種：振幅檢測(cè)方法、相位檢測(cè)方法和通過(guò)時(shí)間方法。標(biāo)準(zhǔn)值檢測(cè)法使用得比較少，該方法準(zhǔn)確度和耐受性最低，但比較容易實(shí)現(xiàn)。原理是超聲波傳輸通過(guò)固定的扇角進(jìn)行傳輸，距離越遠(yuǎn)，信號(hào)越弱，因此可以根據(jù)收到的超聲波振幅的大小來(lái)估計(jì)距離。相位檢測(cè)法也稱為相位法，發(fā)送者在發(fā)送主超聲波的同時(shí)，將局部相移超聲波與反射的接收超聲波進(jìn)行了比較。兩者完全對(duì)齊時(shí)，會(huì)發(fā)生“局部相移超聲波”。精度高，但測(cè)試范圍有一些限制。實(shí)際應(yīng)用最廣泛的是使用發(fā)射反射測(cè)時(shí)法，這就是所謂的交叉時(shí)間法。計(jì)算超聲波發(fā)射和接收之間的時(shí)間差，這種方法主要受傳感器響應(yīng)的影響。本次設(shè)計(jì)選擇了HC-SR40超聲波傳感器，它能提供2厘米-400厘米的測(cè)距功能，測(cè)距精度最高為3毫米，工作電壓為5伏。該模塊的組件包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及其控制電路，控制電路中有VCC電源陰極、GND電源陰極、TRIG出發(fā)控制信號(hào)輸入針和ECHO返回信號(hào)接收針等4個(gè)針和單片機(jī)連接。在移動(dòng)機(jī)器人跟隨運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要不斷檢測(cè)與前車之間的距離，做出適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)決定。這個(gè)過(guò)程主要是根據(jù)超聲波傳感器對(duì)前車之間距離的檢測(cè)，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)路徑是否安全，根據(jù)反饋?zhàn)灾骺刂齐姍C(jī)速度，防止與前車發(fā)生沖撞。圖1.11HC-SR04超聲波模塊HC-SR04超聲波模塊的接口除了電源和接地引腳外，還有TTL觸發(fā)信號(hào)輸入引腳和回波信號(hào)輸出引腳。微控制器計(jì)時(shí)器生成的PWM觸發(fā)信號(hào)由超聲波模塊的觸發(fā)信號(hào)輸入引腳輸入超聲波發(fā)射電路，回波信號(hào)由超聲波接收電路輸出，進(jìn)入微控制器的另一個(gè)計(jì)時(shí)器。微控制器通過(guò)計(jì)時(shí)器的PWM輸出模式配置通用輸入輸出引腳，轉(zhuǎn)換為TTL級(jí)信號(hào)，然后為超聲波測(cè)距模塊提供超過(guò)10微秒的高電平觸發(fā)信號(hào)。超聲波模塊發(fā)送8個(gè)頻率為40kHz的超聲波脈沖信號(hào)。超聲波信號(hào)遇到反射物體，再反射回超聲波模塊時(shí)，超聲波傳感器接收特定時(shí)間段(脈寬)的回波信號(hào)?；芈暤臅r(shí)間可以看作是超聲波往返時(shí)間。超聲波傳感器接收到達(dá)高平的信號(hào)，輸入微控制器的計(jì)時(shí)器輸入引腳，由計(jì)時(shí)器的捕獲/比較寄存器完成輸入信號(hào)的捕獲，獲得信號(hào)上升和下降時(shí)間，從而獲得回波的脈沖寬度。在與單片機(jī)的連接中，VCC連接到電源陽(yáng)極、GND和單片機(jī)。TRIG和ECHO分別接收單片機(jī)的兩個(gè)通用IO端口就可以了。需要超聲波工作時(shí)，給觸發(fā)引腳超過(guò)10s的高電平信號(hào)，單片機(jī)會(huì)將8個(gè)40kHz周期電平作為標(biāo)記發(fā)送，返回信號(hào)接收引腳，接收波動(dòng)信號(hào)時(shí)可以計(jì)算距離?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算信號(hào)持續(xù)時(shí)間來(lái)獲得距離。1.1.4線性CCD自主循跡模塊軌道檢測(cè)模塊使智能汽車能夠收集和獲取軌道圖像的光電信號(hào)，而軌道檢測(cè)模塊也是智能小車硬件控制系統(tǒng)的信息輸入模塊。該模塊將該信號(hào)發(fā)送到硬件控制系統(tǒng)的嵌入式核心控制器，將采樣放大和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)。通過(guò)從控制器下載的軌跡檢測(cè)算法，準(zhǔn)確提取跟蹤軌跡，完成智能車的軌跡跟蹤。本文選擇的軌道檢測(cè)模塊是TAOS制造的TSL1401CL線性CCD圖像檢測(cè)部件，如圖1.12所示為智能小車軌跡檢測(cè)線性CCD傳感器。由1x128熱光電二極管組成，保持高線性度和均勻性，內(nèi)部集成電荷放大器電路，外部沒(méi)有負(fù)載阻力，對(duì)像素?cái)?shù)據(jù)具有穩(wěn)定的維護(hù)功能。該傳感器的線性陣列包含128個(gè)像素的點(diǎn)。每個(gè)像素點(diǎn)之間有8μm的距離，包括3524.3m大小的光敏區(qū)域。內(nèi)部包含的芯片控制邏輯簡(jiǎn)化了操作，只要串行輸入接口SI、時(shí)鐘信號(hào)pinCLK，就可以對(duì)線性傳感器芯片進(jìn)行所有邏輯控制。STM32內(nèi)置微控制器讀取傳感器的AO端口電壓值，完成圖像數(shù)據(jù)收集。軌跡檢測(cè)模塊需要把獲取到的圖像信號(hào)連接到STM32RCT6核心控制板進(jìn)行處理得到軌跡