基于stm32的智能自行车外设

研究训练题目：基于 stm32 的智能自行车外设姓 名： 班 级： 09011301 学 号： 西北工业大学自动化学院2016.1摘 要随着电子产业的飞速发展，智能穿戴设备逐步走进了我们的生活中，成为了我们生活中的一部分。小米手环，李宁跑鞋等一大批优秀的智能穿戴设备脱颖而出，以其小巧精致的外形，实用的功能，吸引了大批消费者。自行车作为日常生活中最环保、最便捷、最常用的交通工具，将骑行的乐趣与锻炼身体的目的相结合，早已融入大众生活之中。通过本次研究训练，本文将基于 ARM Cortex-M 内核的 32 位微控制器，即 stm32 设计出一款适用于自行车智能外设，以期能够将自行车数据与安卓终端进行互联，实现自行车智能化。本文将从硬件结构与软件编程两个方面来介绍此次智能自行车外设的设计方案。关键词：智能外设 ；stm32目 录1、研究背景 .12、设计任务及设计方案 .12.1、设计任务 .12.2、任务分析和设计方案 .13、 硬件结构 .23.1、硬件结构总体设计 .23.2、主控制器模块设计 .33.2.1、微处理器电路设计 .33.2.2、电源模块设计 .53.2.3、串接口电平转换电路 .53.2.4、JTAG/SWD 电路 .63.3、稳压电源转换电路 .63.4、基于 STM32 的行车安全及智能照明系统 .73.4.1、行车安全及照明系统原理图 .73.4.2、系统硬件设计 .74、软件设计 .84.1、stm32 程序设计语言和程序设计工具 .84.2、系统软件结构和主程序流程图 .94.3、GPS 数据解码及串口通讯的实现 .94.4、蓝牙模块串口通讯的实现 .105、发展前景 .126、研究训练总结 .127、参考文献： .1311、研究背景中国是自行车王国，拥有 9 亿自行车，年产量 7000 万。而中国自行车骑行爱好者人数已经超过 2000 万，并且还在以每年接近 50%的速度持续增长。骑行已经成为一种健康时尚的日常活动。而智能穿戴、智能家居也是当下十分流行的概念。如果把传统的自行车变得智能起来，那么将会给我们的骑行带来无限的乐趣。当前，对一辆普通自行车进行升级改造的方式主要有两种。一是彻底变革成为智能自行车，二是加一些简单的非智能外设。对于智能自行车，目前，国内百度、小米、乐视等多家公司在研制智能自行车，声称拥有收集里程、踏频、速度、地理位置信息、城市路况、环境质量、心率、卡路里等骑行信息，同时可以启动电机省力前进的功能。但其不仅造价昂贵、而且不适合对中国广大自行车骑行群体的推广。非智能简易外设通常是单一的灯，发电机类的物品,其功能单一、有些对自行车本身还会造成损耗。而本小组提出设计一款基于 stm32 芯片的智能自行车外设，以期避免造价昂贵，性能单一的问题。2、设计任务及设计方案2.1、设计任务此次设计，针对传统自行车不够智能以及现代智能自行车过于昂贵的问题，本文将设计一款自行车外设，以期实现以下功能： 实现自行车实时位置，经纬度，海拔高度，速度的实时跟踪 完成自行车的车灯控制 安卓终端与智能外设的实时通信功能 电源稳压设计2.2、任务分析和设计方案嵌入式系统被描述为:“以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统” ，由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分有机的结合在一起。作为一种典型的嵌入式应用，本课题研究的智能自行车外设要求具有很强的可移动性，便于在车辆移动中实现功能，同时也要求性能稳定可靠，能够实时对 GPS 和传感器信号进行相应解算。本智能外设集信息收集环境适应蓝牙通讯三大功能于一体。对于这些功能，即需要相独立的模块化设计，又需要良好的协调。2因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针对性的进行器件的选择和设计。我们可以遵循这样的规则：选择合适的处理器，尽量选择片上系统(System on Chip, SoC)设计硬件系统，减少硬件复杂度并降低成本。选择典型电路，按照模块化设计，系统扩展与 I/O 的配置充分满足应用系统的功能需求，并留有适当冗余，以便进行二次开发。注重软硬件结合，软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，降低能耗和设备成本。必须考虑芯片的驱动能力，有必要的可靠性及抗干扰设计它包括去藕滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。综合以上四个方面，在本设计中，我们选用了意法半导体公司推出的新型32 位 ARM 内核处理机芯片 STM32 系列中的 STM32F103RBT6。针对 2.2 章所提到的设计任务本文将分别从硬件设计与软件设计两个方面予以解决。后面将对处理器做详细介绍。3、硬件结构本章主要介绍本设计中的硬件设计，在总体设计的基础上，分别介绍了主控制器、电源模块、车灯控制模块和液晶显示模块的具体设计细节，并在必要的地方做了详尽的说明，以及一些原理性的阐述。其中，电源控制模块和主控制器模块中的电源模块并不相同，主控制器模块中的电源电路只有简单的二级电压变化，主要是供给微处理器正常工作所需；电源模块的功能则是为了整个系统的供电所设，在设计上更为复杂，同时要求极高的可靠性与节能特性。液晶显示模块的设计，则基于本设计的使用预期，在市场上选择满足要求的模块即可，对于内部电路以及工作原理，本设计不予具体说明。3.1、硬件结构总体设计系统硬件设计框图如 图 所示。在系统设计框图中，以嵌入式主控模块STM32F103RBT6 为核心，以其他外设模块为依托，通过蓝牙通讯模块和液晶显示电路与用户形成交互。3图 1本课题所研究的智能自行车外设功能主要涉及到的为主控制器模块、GPS 模块、车灯控制模块、蓝牙通讯模块、液晶显示模块。各模块功能如下所述：主控制模块：主控制模块以 STM32F103RBT6 作为系统的主处理器，其最小系统电路包括电源电路、复位电路、时钟电路，这些都是芯片运行所必须的外接电路模块。GPS 模块：GPS 模块的功能是接收 GPS 卫星发送的导航电文，并通过串口把航电文发送给 STM32 微处理器，STM32 微处理器对其进行解析得出车载终端所在的经度、纬度、时间和速度等位置信息。蓝牙通讯模块：负责与其它智能移动设备终端进行对接，在智能手机上安装相应 app 后，即可通过蓝牙完成两者间的数据传输和其它控制。电源模块：电源模块除了给系统中数字部分供电之外，还需要提供车灯和蓝牙通讯模块的相应能量，这些模块的点平并不一致，所以电源模块的主要功能就是对以上模块供给相应的电压，使系统正常工作。车灯控制模块：车灯控制模块主要实现对车灯的自动控制，通过速度和光照传感器获得的数据经微处理器处理后，用于控制车灯的开关、远近照明模式以及刹车灯的亮起等等，以保障行车安全。液晶显示模块：显示模块用于向用户展示自行车当前的状态，如速度、骑行时间、骑行距离、系统电量、车灯状态、时间等等信息，能够使使用者方便、快捷地规划骑行状态，做出合适的决策。由于 GPS 技术和蓝牙技术已经相当成熟，相应的功能模块也有成熟的方案，所以以下主要介绍除这两者之外的其余模块的具体设计细节。3.2、主控制器模块设计3.2.1、微处理器电路设计本系统的主处理器采用意法公司的 STM32 系列芯片 STM32F103RBT6 4，STM32F103RBT6 是基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位嵌入式微处理器，它具有出色的内核性能，丰富的外部接口和低功耗。 图 为 STM32 电路设计图。图 2STM32F103RBT6 主要技术指标如下 ：13 最高频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz 128KB 的 FLASH，20KB 的通用 SRAM 时钟，复位和电源管理;电压范围 2.03.6V，可外接 325M 晶振，自带内部RC，用于 RTC 的 32KHz 晶振 低功耗管理：有睡眠、停机和待机模式，突然掉电时可用电池为 RTC 和备用寄存器供电 2 个 12 位 1s A/D , 2 个 12 位 D/A 12 通道 DMA 控制器，支持 TINIER，ADC ，DAC， I S，SPI，I C 和 USART22 多达 10 个带有引脚重映射功能的定时器：4 个 16 位通用定时器，1 个 16 位马达专用 PWM 定时器，2 个看门狗定时器，1 个 24 位系统嘀嗒倒计数定时器，2 个用于 DAC 的 16 位基础定时器 14 个带有引脚重映射功能的通信接口：2 个 I C 接口，3 个 USART，3 个 SPI2接口，2 个 CAN 接口，USB2.0 全速设备，10/1 OOM 以太网 MAC可以看出，STM32F103RBT6 是一款具有极其丰富的片内外设，有较大的5FLASH 和 SRAM，采用 LQFP-64 封装，适合低成本低功耗系统设计的一款处理器。3.2.2、电源模块设计系统采用锂电池供电，通常的锂电池电压输出为 3.7V，而系统正常工作需要 5V 和 3.3V 电压，其中 STM32 需要 3.3V 电压进行供电，液晶显示的 LCD 电路以及蓝牙通讯模块需要 5V 电压供电。因此，设计中采用两级变压方式，第一级将 3.7V 电压升至 5V，第二级将 5V 电压降至 3.3V 对控制器供电。采用自举电路可以将电源输出的电压升至 5V，同时，对应于锂电池使用过程中的电压下降，自举电路也可以大致稳定输出电压不变，因此能够使用简单的自举电路完成升压过程。图 是将 SV 电压转换成 3.3V 的电路，在此选用 LM1117-33 芯片。它是一个低压差电压调节器系列，提供了电流限制和热保护，符合本系统的要求。图 33.2.3、串接口电平转换电路由于车灯控制模块与 STM32 的串口通信所使用的点平不相同，为了实现与STM32 的串口通信，需要进行串口的点平转换。图 46电路如 图 所示。这里选用的电平转换芯片是 MAX232，工作电压是 3.3V。电路与主控制器的 USARTI 连接，与车灯控制模块的连接采用了两个 3 线接口CNl 和 CN2，因为通常只采用的是输入、输出和接地 3 根线通信的方式。3.2.4、JTAG/SWD 电路JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。在 S TM32F 103RB T6 处理器中，利用 JTAG可以直接控制芯片的内部总线以及 I/O 口，通过 JTAG 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。在设计中，对于 nTRST, TDI, TMS, TDO 端口，分别用 lOK 的上拉电阻上拉至 3.3V。电路设计如 图 所示。图 53.3、稳压电源转换电路图 67如图 6 所示，电路中 24V 电压由锂电池提供，分别使用 LM7805 和LM1117-3.3 两块电压转换芯片，依次将 24V 电压转换为 5V，3.3V 电压供其他芯片使用。这里的 3.3V 电压就是主控器 STM32 的供电电压，5V 给液晶显示的LCD 电路以及蓝牙通讯模块供电。3.4、基于 STM32 的行车安全及智能照明系统骑自行车时安全很重要。这里设计一套智能测距及自动切换远近光灯的系统，如果自行车行驶前方有物体迅速靠近，该系统会立刻警示驾驶员进行规避以免碰撞，还可以自动调节远近光灯，从而降低事故发生率。根据速度和雷达信息，判断自行车和其他车、自行车和行人之间的相互状态，并控制灯光切换，实现对远近灯光的自动控制。可以有效避免驾驶员主观不规范使用灯光，造成的事故。样机采用先进的嵌入式系统技术，功能扩展和集成能力很强。3.4.1、行车安全及照明系统原理图图 7如图 7 所示，该系统以单片机 STM32 为核心，通过检测光线以及相对速度进而判断是否进行声光报警以及灯光切换操作。3.4.2、系统硬件设计 （1）微波测距方案测距部分采用微波传感