遥控智能小车课程设计.doc

嵌入式系统原理 课程设计说明书题 目： 遥控智能小车 院 （系）： 计算机与电子系 专业班级： 电子科学与技术0902班 学生姓名： 嵌入式系统原理 课程设计任务书一、设计题目遥控智能小车二、设计主要内容（1） 广泛查找文献资料，认真研究，反复论证，精心设计技术方案。（2） 严格遵守各项纪律，勤奋学习，认真思考，敢于挑战困难并勇于创新。（3） 较为深入的掌握arm处理器的体系结构、指令系统、编程方法，初步了解arm应用系统的软硬件开发方法及手段，较熟练地掌握arm处理器几种重要的片内外设（定时器、pll、i2c、rtc等）的基本原理及编程方法，初步掌握arm处理器外围电路的扩展方法。（4） 在现有车模的基础上，以嵌入式arm微处理器构成小车控制核心，同时加装声光电、红外线、超声波传感器、led显示等外围设备，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至处理器进行处理，然后由处理器根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制；（5） 设计的智能小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。并有相应的声光电设备发出相关的提示或警示信息。（6） 遥控方式可自选，系统通过遥控器可以控制小车的行驶方向、速度、起停等运行状态，要求要达到一定的控制精度、距离及范围,小车行驶速度应达到3m/s以上。（7） 分析结果，独立撰写设计总结报告陈述自己的观点，格式应严格遵守学校规范。内容尽量翔实，其中必须要有自己独立的见解和认识。三、原始资料硬件资源：四驱小车车模、stm32系统板、用于arm处理器的jtag仿真器、pc机pentium100以上。设计指导书：stm32系统板配套光盘四、要求的设计成果（1）在现有车模的基础上，以嵌入式arm微处理器构成小车控制核心，同时加装声光电、红外线、超声波传感器、led显示等外围设备，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至处理器进行处理，然后由处理器根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。（2）撰写课程设计说明书，要求简洁、通顺，格式规范，设计方案正确，实现技术路线明确，论述内容完整、清楚、规范，数据、资料真实可靠，软件程序运行良好。（3）要求有完整的电路设计原理图及软件源代码。五、进程安排（1）第 1 天：任务布置及相关知识讲解（2）第2-3天：资料查阅与方案制定（3）第4-8天：硬件设计、程序编制与调试阶段（4）第 9 天：撰写设计报告（5）第 10 天：答辩与考核阶段六、主要参考资料1 田泽. 嵌入式系统开发与应用实验教程. 北京航空航天工业大学出版社，2005.2 郭荣佐，王霖. 嵌入式系统原理.北京航空航天大学出版社，.2008.3 周根林.嵌入式系统原理与应用.南京大学出版社, 2006.4 谭浩强. c语言程序设计（第2版）.清华大学出版社，20085 丁峰. arm系统开发从实践到提高. 中国电力出版社，2007.6 游雨云. 单片机pwm信号控制智能小车的实现方法.技术与市场, 2009,（12）7 袁新娜，余红英，超声波传感器在智能小车避障系统中的应用. 大众商务教育版（民办教育研究），2009，(8)指导教师（签名）： 20 年 月 日目 录1. 总体思想12. 电机驱动22.1 简介22.2 具体实现22.3 功能函数设计23 遥控系统73.1 遥控器简介73.2 接收探头与解码73.3 红外控制 84. 超声波 124.1 简介124.2 超声波测距具体实现124.3 超声波程序设计125. 红外寻迹145.1 反射式红外传感器145.2 具体实现方法145.3 寻迹程序设计156. 总结171.总体思想图 1.1 设计全局图本次课程设计，我们小组采用stm32作为主控芯片，l298n模块作为电机驱动芯片。在小车车头放置三个反射式红外传感器，由于红外光易于被黑线吸收，利用这个原理，来检测黑线，当检测到黑线时，发射出去的红外光被吸收，红外传感器接受不到反射信号，通过输出信号反馈给stm32，产生中断，作出相应的调整，详细介绍见下文第12页。车头部分采用一个us-100超声波模块，用于检测前方障碍物，我们小组设置的安全距离为25cm，当小车与前方障碍之间的距离小于25cm时，小车蜂鸣器报警，stm32控制电机，作出相应的调整。关于超声波工作详情，请见下文第11页。小车尾部安装一枚hs0038红外接收探头，配合一块遥控器，实现遥控小车的功能。我们小组选用的遥控器编码为nec协议。红外遥控功能详情，请见下文第7页。我们在小车的车身上放置一块3.2寸tft液晶显示器。用于显示时间，车速。车速通过霍尔元件测得。2.电机驱动2.1简介电机运转需要大电流，而stm32驱动能力达不到电机正常运转的要求，故我们小组采用l298n模块驱动电机，l298n拥有4个输入端口，由stm32直接输入，4个输出端，可以驱动两个直流电机。stm32输出端口的电平变换，可以控制电机的方向。pwm脉宽调制信号，可以控制电机的转速。实现加速减速的功能。2.2 具体实现通过stm32的pa0，pa1，根据tim2产生的不同占空比的pwm波，控制电机的速度，以及正反转。pa3，pa4控制小车前轮，前轮采用舵机控制，在转向方面，不能大幅度转弯，所以，在小车转弯上，我们采用转一段时间，然后倒退一段距离，然后再转，如此反复几次。通过这种方式实现小车的900c转弯。2.3 功能函数设计1.void front() gpiod-brr = 0x03; gpioa_conf(); /配置a端口 gpioa-brr = 0x0f;gpioa-bsrr = 0x01;调用这个函数，实现小车全速向前形式。pd端口的d0，d1位，是控制小车后面两个尾灯。当小车前进时，尾灯关闭。2.void back() gpiod-bsrr = 0x03;gpioa_conf();gpioa-brr = 0x0f;gpioa-bsrr = 0x02;调用这个函数，实现小车全速后退。同时开启车身后面的尾灯。 3 . void leftslidefront() gpiod-bsrr = 0x01; gpiod-brr = 0x02; gpioa-brr = 0x04; gpioa-bsrr = 0x08; time_configuration(350,0,500,7199);调用此函数，实现小车前进，左转弯。同时开启尾部左边的尾灯，关闭右边的尾灯。time_configuration(350,0,500,7199)为占空比调制函数。通过输入不同的值，改变电机的转速。4.void time_configuration(uint16_t ccr1_val,uint16_t ccr2_val,uint16_t periodvalue,uint16_t prescalervalue)/*开启tm2定时器时钟*/rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_tim2, enable);/*tim2定时器复用管脚pa0，pa1，pa2，pa3*/gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_0 | gpio_pin_1;gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_af_pp;gpio_initstructure.gpio_speed = gpio_speed_50mhz;gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure); /*配置定时器时基*/ tim_timebasestructure.tim_period = periodvalue; tim_timebasestructure.tim_prescaler = prescalervalue; tim_timebasestructure.tim_clockdivision = 0; tim_timebasestructure.tim_countermode = tim_countermode_up; tim_timebaseinit(tim2, &tim_timebasestructure); /*配置定时器各通道情况*/ tim_ocinitstructure.tim_ocmode = tim_ocmode_pwm1; tim_ocinitstructure.tim_outputstate = tim_outputstate_enable; tim_ocinitstructure.tim_pulse = ccr1_val; tim_ocinitstructure.tim_ocpolarity = tim_ocpolarity_high; tim_oc1init(tim2, &tim_ocinitstructure); tim_oc1preloadconfig(tim2, tim_ocpreload_enable); tim_ocinitstructure.tim_outputstate = tim_outputstate_enable; tim_ocinitstructure.tim_pulse = ccr2_val; tim_oc2init(tim2, &tim_ocinitstructure); tim_oc2preloadconfig(tim2, tim_ocpreload_enable); tim_arrpreloadconfig(tim2, enable); tim_cmd(tim2, enable);pwm脉宽调制波形输出，是stm32定时器功能的一大亮点，以往8位单片机输出pwm波形，均为模拟，或者借助外围芯片，而stm32内部定时器，实现了精确的pwm波形直接输出。上面功能函数，为tim2定时器的配置情况。我在使用时，开启了tim2定时器的通道1和通道2。分别为pa0，pa1，这两个端口控制小车的后轮电机。由于前轮为舵机。所以，没有采用pwm波形。而是直接给高低电平调整小车的方向。stm32定时器采用预分频处理，即将系统时钟分频后给定时器，这个预分频值，由传入的参数prescalervalue决定。系统时钟为72mhz，设分频后的频率为f,则：f = 72mhz/(prescalervalue+1)定时器的计数周期为传入参数periodvalue的值决定。pwm占空比值由传入参数ccr1_val和ccr2_val决定，分别控制pa0，pa1的占空比值。占空比 = ccr1_val/periodvalue。4. void leftslidebehind() gpiod-bsrr = 0x01;gpiod-brr = 0x02;gpioa-brr = 0x04;gpioa-bsrr = 0x08;time_configuration(0,350,500,7199);调用此函数，控制小车后退并左转弯。同时开启左边尾灯，关闭右边尾灯。5void rightslidefront() gpiod-bsrr = 0x02;gpiod-brr = 0x01;gpioa-brr = 0x08;gpioa-bsrr = 0x04;time_configuration(350,0,500,7199); 调用此函数，控制小车前进并右转弯。同时关闭左边尾灯，开启右边尾灯。6. void rightslidebehind() /后退，右转弯gpiod-bsrr = 0x02;gpiod-brr = 0x01;gpioa-brr = 0x08;gpioa-bsrr = 0x04;time_configuration(0,350,500,7199); 调用此函数，控制小车后退并右转弯。同时关闭左边尾灯，开启右边尾灯。7. void upshift() uint16_t i;gpiod-brr = 0x03;for(i = 100;i = 180;i = i + 10)delay(200);time_configuration(i,0,500,7199);while(i bsrr = 0x03;while(i 200)time_configuration(i,0,500,7199);i = i-50;delay(70);for(;i 170; i = i - 5)time_configuration(i,0,500,7199); delay(80);调用此函数，实现小车的减速，减速过程，我们也分为两级。第一级为快速减速，第二级为慢速减速。使小车平稳减速。9void brake() gpiod-bsrr = 0x03;gpioa_conf();gpioa-bsrr = 0x0f;调用该函数，小车将停止。同时后面尾灯开启。3.遥控系统3.1 遥控器简介我们小组使用的遥控器发射编码为nec协议，nec编码协议中，遥控器每发送一个8位数据，可以分为5个部分：图 3.1 nec协议编码规则当按下遥控器上的任意一个键时，遥控器将发送一个38khz的载波信号，根据nec编码协议，如果发送数据位为1,则向外发送38khz的载波信号，持续发送0.56ms.然后停止发送1.685ms后继续发送下一位。如果发送数据位为0，则红外遥控向外发送38khz的载波信号，持续发送0.56ms，然后停止发送0.565ms后继续发送下一位。3.2 接收探头与解码接受红外信号部分，我们采用hs0038接收探头，hs0038共三个引脚，分别为,out、vcc、gnd。通电后，当没有收到红外信号时，out端口默认为高电平。接受端口信号与红外遥控发送信号电平相反。在解码方面，接收探头接受到38khz的载波后，输出端out电平拉低。由于nec发射编码中，采用的是38khz载波表示高，无发射表示低。所以在接受探头部分的电平高低，与发射部分刚好相反。解码部分，数据1，0的电平宽度为别是：图 3.2 nec协议1、0电平宽度由于每个数据位开始低电平均为0.56ms，所以，我们使用tim3定时器，准确捕获到每位数据高电平持续时间。通过捕获到的值，来确认1和0.通过软件解码时，首先接受到引导码，9ms的低电平和4.5ms的高电平，然后是地址码和地址反码，最后是数据码和数据反码。在程序设计上，我们定义个unsigned char型数组，分别记录下地址码、地址反码、数据码、数据反码。取出数组下标为2和3的值，将下标为3的数组数据取反，判断是否相等，如果不相等，表示解码数据有误；如果相等，表示解码正确。3.3 红外控制将stm32的外部中断3端口与红外探头的输出端相连，捕捉红外遥控发射来的信号。外部中断端口程序配置如下：1.void exti3_configration()/*配置pc3端口，作为外部中断触发端口*/ rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioc, enable); gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_3;gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating;gpio_init(gpioc, &gpio_initstructure);rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_afio, enable);gpio_extilineconfig(gpio_portsourcegpioc, gpio_pinsource3);/*外部中断线配置，设置为上升沿触发*/ exti_initstructure.exti_line = exti_line3;exti_initstructure.exti_mode = exti_mode_interrupt;exti_initstructure.exti_trigger = exti_trigger_falling; exti_initstructure.exti_linecmd = enable;exti_init(&exti_initstructure);/*中断向量表配置*/nvic_initstructure.nvic_irqchannel = exti3_irqn;nvic_initstructure.nvic_irqchannelpreemptionpriority = 0x01;nvic_initstructure.nvic_irqchannelsubpriority = 0x01;nvic_initstructure.nvic_irqchannelcmd = enable;nvic_init(&nvic_initstructure);配置好外部中断后，当stm32上电后，便会实时监控pc3端口，当接受到红外信号后，便产生一个中断信号，调用中断处理函数，处理该事件，下面为中断处理函数，主要是解码红外信号：2.void exti3_irqhandler(void)int i,j,counter = 0;char ir4 = 0;char ch1=0,ch2=0;if(exti_getitstatus(exti_line3) != reset) tim3-cnt = 0;tim_cmd(tim3,enable);while(tim_getcounter(tim3) cnt = 0;if(gpio_readinputdatabit(gpioc,gpio_pin_3) = 0)while(!gpio_readinputdatabit(gpioc,gpio_pin_3);tim3-cnt = 0;tim_cmd(tim3,enable);while(tim_getcounter(tim3) 3500);tim_cmd(tim3,disable);if(gpio_readinputdatabit(gpioc,gpio_pin_3) = 1)while(gpio_readinputdatabit(gpioc,gpio_pin_3);for(i = 0; i 4; i+)for(j = 0; j cnt = 0;tim_cmd(tim3,enable);while(gpio_readinputdatabit(gpioc,gpio_pin_3);counter = tim_getcounter(tim3);tim_cmd(tim3,disable);ch1 = ch11;if(counter 840)ch1 = ch1|0x80;else ch1 = ch1|0;counter = 0;iri = ch1;ch1 = ir2;ch2 = ir3;ch2 = ch2;if(ch1 = ch2)switch(ch1)case 0x07:leftslidefront();break;case 0x09:rightslidefront();break;case 0x40:front();break;case 0x19:back();break;case 0x16:leftslidebehind();break;case 0x0d:rightslidebehind();break; case 0x0c:upshift();break;case 0x5e:slowdown();break;case 0x15:brake();break;default :brake();break; delay(500); exti_clearitpendingbit(exti_line3); 这个函数为中断处理函数，在中断处理函数中，我们又用到了一个tim3定时器，该定时器主要是解码红外信号，根据上文所述的0,1编码规则，用tim3定时器，所捕获到的值，来判断信号0,1，实现软件解码红外信号。下面为tim3定时器的配置：3. void tim3_configuration() tim_deinit(tim3);rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_tim3,enable);tim_timebasestructure.tim_period = 50000; tim_timebasestructure.tim_prescaler = 0; tim_timebasestructure.tim_clockdivision = 0; tim_timebasestructure.tim_countermode = tim_countermode_up; tim_timebaseinit(tim3,&tim_timebasestructure); tim_prescalerconfig(tim3,71,tim_pscreloadmode_immediate); tim_arrpreloadconfig(tim3,disable); tim_cmd(tim3,disable);设置预分频值为71，经过分频后，计数器的频率为1mhz。周期为50000.计数方式为向上计数。虽然stm32普通定时器的时钟为36mhz，如果将tim_clockdivision的值设置为0，则采用预分频时，时钟值应选72mhz进行分频。4.超声波4.1 简介 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）4.2 超声波测距具体实现我们在小车的前端放置一个超声波模块，采用查询法，每隔1s，发射一个10us以上的脉冲信号，超声波模块便自动发送8个40khz的信号。当模块接收到返回信号时，输出端会输出一个高电平，这个高电平的持续时间，就是超声波模块到达障碍物，声速的来回时间。如果测得前方障碍物距离小于设置距离，则小车后退，并发出报警蜂鸣声。4.3 超声波程序设计1. float distance()float distance;int time;tim3-cnt = 0; /非常重要，不清零，没结果gpiob-bsrr = 0x01;while(gpio_readinputdatabit(gpiob,gpio_pin_1) = 0);/等待接收到反回信号gpiob-brr = 0x01; tim_cmd(tim3,enable); /开启定时器，记下电平持续时间while(gpio_readinputdatabit(gpiob,gpio_pin_1) = 1);tim_cmd(tim3,disable);time = tim_getcounter(tim3);distance = (float)time*0.017; /cm数量级return distance;程序中的tim3定时器，在上文3.3.3已经详细的描述。我们将stm32的pb0作为发送10us以上高电平的端口，将pb1作为接受超声波模块馈送的时间信号电平端口。该高电平的时间，为超声波来回障碍物的时间。该函数返回值，即为小车到障碍物的距离。2. void keepdistance() /超声波测距，距离控制函数 gpiob-brr = 0x100;if(distance() bsrr = 0x100;rightslidebehind(); delay(200);gpiob-brr = 0x100;delay(700); gpioa-bsrr = 0x0c;time_configuration(70,0,100,71);调用这个函数，当小车查询到前方距离小于25cm时，便进行一些列的调整，如蜂鸣器想起，小车向右后转。5.红外寻迹5.1 反射式红外传感器 图5.1 反射式红外传感器如图5.1所示，当红外发射管发射信号，经地面反射到接收管时，接收管部位电阻值很小；当红外传感器与地面距离拉大，接收管接收不到反射信号时，接收管部位电阻值很大。采用一个电压比较器lm393，lm393为两端输入，一端输出，比较两个输入信号的大小。我们将红外传感器接收管在接收到信号和没有接收到信号时，电阻两端的电压与一个固定的值相比，接收到信号时，lm393输出低电平；没有接受到信号时，lm393输出高电平。通过高低电平，判断红外管发出的信号是否被黑线吸收。5.2 具体实现方法小车上的黑线检测设备，采用的中断触发方式是，下降沿。由于电机在转动过程中，不可避免的会发生突然变向，减速等。这样会干扰电源电压，由于我我们组采用的stm32为3.3v供电，该电压有6个电池串联，经过稳压芯片稳压后，输出3.3v给stm32，当点击由于突然变向，加速减速才生大电流，对电池电压产生较大的冲击，稳压芯片输出截止。黑线检测的模块与stm32并联，当稳压芯片输出的3.3v电压突然截止时，寻迹模块输出电压为0.如果采用下降沿触发，这时，由于电压的不稳定而导致了一个有害的触发中断。通过修改硬件电路，采用上升沿触发，当红外对管检测到黑线时，输出信号为0，当小车没有检测到黑线时，输出信号为1。当稳压芯片突然截止时，输出也0，这样可以有效的解决电机对寻迹模块的干扰。我们小组采用3个寻迹模块，stm32采用3个外部触发端口分别与3个寻迹模块相连。左右两边寻迹模块用于检测跑到边沿，防止小车冲出跑到。中间寻迹模块用于检测小车转弯线。stm32分枪占式优先级和响应式优先级。如果抢占式优先级相同，则不能发生中断嵌套。小车经过转弯线时，三个寻迹模块均会检测到黑线。所以，我们设置中间寻迹模块的抢占式优先级最高，两边抢占式等级低于中间，当小车经过转弯线时，三个中断同时，或一次来临。中间中断等级打断两边，保证中间的中断执行程序能顺利执行。5.3 寻迹程序设计我们采用三个外部中断，分别为pc0，pc1，pc3三个端口，分别监控三个寻迹模块。下面以外部中断0为例：1.void exti0_configration() /*配置pc0端口，作为外部中断触发端口*/ rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioc, enable); gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_0; gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating; gpio_init(gpioc, &gpio_initstructure); rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_afio, enable); gpio_extilineconfig(gpio_portsourcegpioc, gpio_pinsource0); /*外部中断线配置，设置为下降沿触发*/ exti_initstructure.exti_line = exti_line0; exti_initstructure.exti_mode = exti_mode_interrupt; exti_initstructure.exti_trigger = exti_trigger_rising; exti_initstructure.exti_linecmd = enable; exti_init(&exti_initstructure); /*中断向量表配置*/ nvic_initstructure.n