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1、浙江工贸职业技术学院毕业设计（论文）智能小车系统设计与制作 摘要：智能小车采用STM32F103RBT6为主芯片，电机驱动采用高压、大电流双全式驱动器L298芯片，八路循迹反射式光电TCRT5000进行循迹，通过LM358比较电路比较，再进行波形整形，通过触摸屏上的按钮来任意的控制智能小车的方向，用DSl8B20温度传感器采集小车所处环境的温度，小车与上位机之间的通讯采用 NRF24L01通讯，电源部分则用双电源供电，运行更可靠。小车可按照预先设定好的轨道进行循迹，遇到障碍物自行躲避，达到无线遥控、自动循迹的功能。 关键词：STM32F103RBT6；循迹 ；NRF24L01无线通信；DS18
2、B20温度传感器; 触摸屏智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一定的运行环境中自行的运作，无需人为的操作，便可以完成预期达到的或更高的要求。随着人们物质生活水平的提高，汽车也越来越普及，而交通事故也相应的增加，在人身财产、生命安全方面造成了一定的负面影响。目前，智能车领域的研究已经能够在具有一定标记的道路上为司机提供辅助驾驶系统甚至实现无人驾驶，这些智能车的设计通常依靠特定的道路标记完成识别，通过推理判断模仿人工驾驶进行操作，大大降低了事故的发生率。碰到障碍物，小车会自动的躲避障碍物，就不会有那么多得交通事故。智能小车是机器人的一个分支，现如今机器人已经不是人
3、类它体现了人类长期以来的一种愿望。目前已在工业领域得到广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。智能小车的设计结合了最基本的计算机控制技术、单片机技术、传感器技术、智能控制技术、机电一体化技术、无线通信技术及机器人技术，能有效的把大学所学知识进行综合应用。一、 系统总体设计本课题要求：设计一款小车，它具备按规定轨迹自主寻迹运行能力、接收无线遥控信号命令并进行遥控运行的能力、躲避障碍物的能力、能够采集环境的温度或湿度数据并发送至主机的功能。根据课题要求，系统可以划分为8个基本模块。STM32F103RBT6芯片、电机驱动模块、循迹模块、无线通讯模块、DSl8B2
4、0模块、TFTLCD液晶模块、避障模块、电源模块。系统总体设计图如图1所示。避障系统STM32F103RBT6系统芯片电源驱动系统电机TFTLCD液晶屏无线通讯系统循迹系统温度传感器DSl8B20无线通讯系统STM32F103RBT6系统芯片电源图1 系统总体组成框图（一）系统芯片的介绍STM32F103RBT6包含了中央处理器，程序储存器，数据存储器，定时器/计数器、内置128K字节的FLASH和20K字节的SRAM，同时具备丰富的增强I/O端口和外设：包含16通道12位的ADC、4个通用16位定时器、电机控制PWM接口、2个IIC、2个SPI/SSP、3个UART、1个USB Device
5、、1路CAN总线接口等。STM32F103RBT6具有以上优点，而且价格较低，综合考虑选用STM32F103RBT6为主控芯片。（二）电机驱动系统电机驱动采用的是驱动器L298芯片，该芯片耐高压，大电流电机驱动芯片。其特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止其工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以接收检测电阻，将变化量反馈给控制电
6、路。对于电机调速，采用脉宽调制(PWM)技术，PWM配合桥式驱动电路L298，实现直流电机调速，非常简单，而且调速范围广。（三）循迹系统循迹采用反射式光电传感器TCRT5000，该传感器是利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点，体积小，采用8位的反射式光电测得的角度更广，识别更精确，工作性能稳定，可靠，使用方法简单。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM358作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。 （四）避障模块避障模块采用的是红外避障传感器
7、，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。光电传感器有三色线，红色(VCC +)、黑色(GND -)、黄色(OUT 信号输出)，在5V电压，10-15mA电流下工作，正常工作时需要100mA的驱动电流，感应距离远（3-80CM）。（五）无线通讯模块采用NRF24L01芯片，具有2.4G全球开放的ISM频段，免许可证使用，最高工作速率2Mbps，GFSK调制，抗干扰能力强，125个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要，内置CRC检错和点对多
8、点的通信地址控制，可设置自动应答，确保数据可靠传输等优点。该芯片通过SPI与外部的MCU通信，最大的SPI速度可以达到10MHz。芯片的VCC脚接电压范围为1.9V3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块，电压取3.3V左右。（六）电源模块采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的电压，但占用资源过大。采用双电源分别给芯片与电机供电，可解决上面的资源占用过大的问题。电源的具体分配如图2所示。Li电池1（12V）5V电压转换3.3V上Li电池2（12V）电压转换电机供电检测电路供电主控芯片供电图2 电源分配图二、系统的硬件设计(一) STM32F103RBT6最小系统
9、STM32F103RBT6最小系统是由复位电路、晶振时钟电路、I/O口、串口的烧写擦除接口等组成。STM32F103RBT6最小系统图如图3所示。图3 STM32F103RBT6最小系统图 (二)电机驱动模块用STM32F103RBT6控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路可以实现简单的转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
10、在实际运行当中，小车的速度还是有些偏差的。电机驱动原理图如图4所示。图4 电机驱动系统电路图（三）循迹模块小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法-红外探测法。现在有很多种红外传感器，在这里我们选用TCRT5000型光电对管。通过LM358N做的比较电路，输出高低电平，CMP为电压可调比较端，可以调节反射式光电传感器的灵敏度，当有反射光测到时，输出低电平，LED亮，可以直观的看出有无测到黑线，便于调试。单个循迹的原理图如图5所示。图5 单个循迹电路图（四）无
11、线接收模块该模块采用的是NRF24L01芯片，具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率为lMb/s或2Mb/s；SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s；与其他NRF24系列射频器件相兼容；供电电压为1.9 V3.6 V。在掉电模式和待机模式下电流消耗的更低，采用8脚插针方式与开发板连接，安装拆卸比较方便。将接收到的数据通过内部程序处理，最后通过串口把数据发送出去，达到数据无线收发的目的。通过无线接收模块来连接小车和触摸屏，达到用触摸屏上的按键来控制小车的启停的效果。无线通讯原理图如图6所示。图6 无线通讯原理图（五）DS18B20温度传感器模块1. DS18B2
12、0引脚定义（1）DQ为数字信号输入/输出端； （2）GND为电源地； （3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。2.DS18B20温度读取过程 复位发SKIP ROM命令(0XCC)发开始转换命令(0X44)延时复位发送SKIP ROM命令(0XCC)发读存储器命令(0XBE)连续读出两个字节数据（即温度）结束。 每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM 中。主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。程序可以先跳过ROM，启动所有DSl8B20进行温度变换，之后通过匹配ROM，再逐一地读回每个
13、DSl8B20的温度数据。其优点是一种新型的体积小、适用于电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器，同时也是“一线总线”接口的温度传感器。而一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松的组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新的概念，大大提高了系统的抗干扰性。它工作在35.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DSl8B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号，并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。DSl8B20
14、原理图如图7所示。图7 温度传感器原理图（六）TFT-LCD液晶模块系统设计TFT-LCD液晶模块选择的是4线电阻式触摸屏，该模块自带的触摸屏控制芯片为XPT2046。XPT2046内含12位分辨率125kHz转换速率逐步逼近型A/D转换器。XPT2046支持从1.55.25v的低电压I/O接口。XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置，除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。其内部自带2.5 V参考电压可以作为辅助输入、温度测量和电池监测模式之用，电池监测的电压范围可以从06 V。该片内集成有一个温度传感器，功耗小，工作温度范围为-40+85。电阻屏的优点是：它是一种对外界完
15、全隔离的工作环境，不怕灰尘、水气和油垢，可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画。其缺点是：比较难实现多点触控，较容易划伤，易造成触控受损。TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度。TFT-LCD原理图如图8所示。图8 触摸屏原理图三、系统软件的设计智能小车的系统用到了STM32F103RBT6多个I/O口，包括了串行口数据的收发、PWM脉宽的调置、循迹的检测及电机的控制、触摸屏上按键的控制、时间的计数，串行收发的RXD/PA9和TXD/PA10。下面简单介绍一下程序的部分设计和结构。主系统开始，初始化程序，主程序调用上位机控制，循迹子程序，进行方向的判断，如有调用显示，发送检测到的数据给上位机。系统软件的流程图如图9所示。在循迹的模式下，当车的前或后方检测到障碍物时，主控芯片给出信号并控制车子，让其停止，直到障碍物消除，小车才会继续循迹行驶。用触摸屏上的按键可以控制小车的前进、后退、左、右转以及停止，也可以采集小车所处环境的温度，并在触摸屏上相应的位置上显示出来，从而达到远距离控制智能小车的效果。开始初始化寻迹命令检测到黑线小车
