基于STM32的教學智能小車設計與試驗

冼進

(華南理工大學，計算機科學與工程學院， 廣東,廣州 510006)

0 引言

嵌入式系統應用課程是計算機本科實踐教學比較綜合的技術開發課程，由硬件系統和軟件系統兩部分組成，也是各高校最受歡迎和最熱門的核心專業課程之一。由于綜合應用了硬件、軟件系統，微處理器系統結構與嵌入式系統設計技術有機融合，強調專業知識與社會前沿硬件開發技術相結合，理論知識點多，覆蓋學科面廣，學生要熟練掌握應用開發有比較大的難度，學習時感覺內容枯燥乏味，實踐開發無從下手，實踐教學效果不太理想，綜合能力中下的學生對此課程興趣不大。為改變現狀，引入經典嵌入式開發模擬項目智能小車設計，智能小車設計能體現嵌入式課程實踐教學所有知識點，通過實現一個有意義的嵌入式實體項目開發過程來吸引學生興趣，引導學生逐步掌握嵌入式系統的開發過程，圍繞智能小車開展實踐教學內容，培養學生創新意識和創新能力，有助于學生真正掌握嵌入式系統課程實踐的關鍵內容，能夠極大地激發學生的積極性、想象力和創造力，為學生后續從事相關科研工作奠定良好的基礎[1-3]。

1 教學智能小車設計方案

適合嵌入式教學需求設計的智能小車具有如圖1所示的功能模塊。智能小車以通用的STM32微處理器作為核心控制單片機，內嵌操作系統支持實時多任務、可編程軟件控制、配備多種傳感器模塊、無線遙控遠距離操控、四驅動馬達、具有豐富擴展功能的智能車系統。通過網上采購到通用智能小車底盤車架、STM32核心控制及各類功能模塊，并結合嵌入式實踐教學內容，模擬項目形式實踐開發，在硬件的基礎上應用STM32集成開發環境Keil MDK-RAM下編寫出相應控制和驅動程序，使學生能夠設計實現一款完整的智能小車平臺。學以致用，有效拓展學生實踐內容和動手能力，開拓知識面，激發創新思維，提升嵌入式系統開發興趣[4-5]。

圖1 智能小車系統功能模塊框圖

1.1 硬件模塊選用與連接

基于STM32嵌入式系統智能車系統硬件模塊主要有：組合式智能車架(直流電機、減速機構、空心胎車輪)、直流電機驅動模塊、NRF24L01無線數據收發模塊、鋰電池、STM32控制主板、DC/DC電源模塊等部件組成。

(1) 智能小車核心控制STM32處理器

智能小車控制核心部件選用STM32F103ZET6微控制器處理器芯片，它是半導體廠商ST公司最新推出基于Cortex-M3內核的處理器，為增強型高性能的ARM 32位RISC內核[6]，工作主頻率可高達72 MHz，處理器算力強大，芯片內置了512 KB高速flash存儲器和64 KB的高速SRAM存儲器，工作溫度范圍-40 ℃～+105 ℃，支持寬電壓2.0～3.6 V。功能I/O端口豐富包括I2S音頻接口、SPI接口、I2C接口、SDIO接口、USB接口、UART接口和CAN總線接口以及ADC和DAC等功能接口。具有先進的內核結構、低功耗、性能出眾且有多功能創新外設，提供豐富的函數庫，大大簡化編程的復雜性，易調試及方便嵌入式系統實踐教學等一系列特點，非常適宜作為智能小車的主控芯片。

(2) 直流電機與車架

直流電機組與車身架包括亞克力材質的智能小車底盤架，智能車底盤尺寸為260 mm*155 mm，在車底盤上安裝4個直流減速電機、4個塑膠防滑車輪、20線測速碼盤。直流減速電機供電電壓在3～9 V范圍內，經實驗測試，電機適宜采用7.4 V直流供電，這樣電機扭力適中，長時間工作溫升小。實物組裝效果如圖2所示。

圖2 電機與車架組裝效果圖

(3) 直流電機驅動模塊

教學智能小車采用L298N大功率恒壓恒流H橋直流馬達驅動模塊，2片配合使用可驅動控制4個直流電機，其特點是穩定性高，支持2～10 V電壓范圍，具有過熱保護自動恢復功能，驅動電流可以達到持續1.5 A的電流，最大驅動電流可達2.5 A、微安級待機流<0.1 μA、控制信號輸入電壓范圍在1.8～7 V范圍內、可以實現電機的速度調節控制和電機的轉向控制，很方便實現直流電機運行正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。具體直流電機接線如圖3所示。

獨立驅動兩路直流電機，INX為控制信號輸入端，信號電壓范圍是1.8～7 V，IN1、IN2控制電機A，IN3、IN4控制電機B。

(4) NRF24L01無線數據收發模塊

采用NRF24L01高速無線收發模塊、射頻頻率2.4 GHz、無線數據傳輸速率可達2 Mbps，I/O輸入最高電平達到5 V，可直接接5 V供電系統單片機的I/O口、通信接口SPI數據傳輸速率8 Mbps。使用此模塊可以快速實現無線傳輸系統的搭建，無線信號穩定搭配全向天線效果更佳，可以搭配多種型號的單片機或微處理器，硬件SPI控制器或GPIO模擬SPI控制器均可驅動[7-9]。

圖3 直流電機驅動模塊接線圖示意圖

(5) 超聲波測距模塊

避障檢測模塊由主動式紅外光信號發射管和被動式紅外光信號接收管以及模擬集成運算放大器等組成。主要用于障礙物檢測自動避障功能，當有物體靠近模塊探測范圍內紅外信號被物體反射回來，當紅外接收管接收到反射回來的紅外信號再送入集成運算比較放大器處理模塊的DOUT信號引腳輸出低電平。

紅外循跡檢測模塊主要用作黑白線循跡功能，模塊的探測端安裝有紅外收發原件，因為黑色物體對紅外光波信號吸收率要大于白色物體對紅外光波的吸收率，因此當模塊探頭遇到黑色軌跡線時，模塊發射的紅外光波信號大部分被黑色軌跡線吸收掉，模塊DOUT引腳輸出高電平，當模塊遇到離開黑色軌跡線時模塊DOUT引腳輸出低電平，通過判斷模塊的輸出信號電平高低即可檢測到智能車是否脫線。

(6) 避障、循跡檢測模塊

超能波測距模塊主要由一個超聲波信號發送換能器和一個超聲波信號接收換能器和驅動電路組成，測距原理是依靠發送超聲波信號再精確計算接收到反射回來的超聲波信號的時間，通過聲音在空氣中的傳播速度就可計算出被探測物體與測距模塊之間的距離。

超聲波測距模塊采用HC-SR04:模塊引腳VCC電源、TRIG控制信號、ECHO接收信號、GND電源地。使用方法為TRIG控制信號保持10 μs以上的高電平之后等待ECHO接收信號輸出高電平，當ECHO接收信號變為高電平時應立刻開啟計時器計算時間，當ECHO接收信號變為低電平時停止計時器計時，此時計時器所計時間及時聲波的收發時間再通過公式計算出被測距離：被測距離=(高電平保持時間*聲速)/2;聲速約等于340 M/S。實物如圖4所示，控制時序圖如圖5所示。

(7) 舵機組件

為了避障功能準確、平穩，智能小車選用SG90型號舵機配合超聲波傳感器一起使用[10-13]，舵機重量13 g，角度90～180度通用型，紅色線為電壓，粽色線為地線，橙色是信號線。技術數據：尺寸21.5 mm*11.8 mm*22.7 mm；空載速度0.12 s/60度；重量約9 g；工作電壓4.8～6 V；扭矩1.2～1.4 kg/cm；4.8 V供電。

圖4 超聲波模塊實物圖

圖5 超聲波控制時序圖

舵機屬于執行單元組件，是一種位置角度伺服驅動器，適用于需要角度不斷變化并可保持控制系統，通過信號輸入引腳，脈沖寬度調制(PWM)信號的脈沖寬度實現控制多盤的角度0～180度，如圖6所示，通過調節基準信號的占空比可以實現舵機角度位置的控制，基準信號是20 ms周期的脈沖寬度調制信號，改調制脈沖的高電平部分一般從0.5～2.5 ms的范圍內調節、脈沖信號的總間隔為2 ms，下面是180度角度控制范圍內高電平時間和角度位置的對應關系：

圖6 控制時序圖

(8) 彩色液晶顯示屏

TFT LCD彩色液晶顯示屏(3.2寸)、262 K color、分辨率240×320、驅動芯片ILI9341： RGB565 CPU屏接口，支持背光PWM亮度調節，支持圖形上下翻轉、鏡像顯示等顯示方向調節。支持電阻TP觸摸功能，在顯示屏的表面貼有3.2寸電阻式觸摸屏，定位精度高、抗干擾能力強。電阻TP觸摸屏驅動芯片TSC2046:新一代觸屏驅動控制器支持低壓I/O接口1.5～5.25 V、低功耗2.7 V供電<0.75 mW。

(9) 直流電源供電模塊

直流電源供電模塊包括：DC/DC直流降壓模塊、鋰電池18650、電池充放電管理模塊。鋰電池18650：3.7 V 2000 mAh本項目采用兩串兩并電池總輸出電壓為7.4 V，滿電8.2 V。電池充電模塊：主要用于鋰電池充電管理，支持恒流充電、恒壓充電、涓流充電等充電過程，科學的充放電過程可以延長電池的使用壽命。DC/DC降壓模塊：如入電壓3.5～10 V、輸出電壓3.3 V/1.2 A，電源紋波小于200 mV。

1.2 整車硬件設計

(1) 硬件功能定義及實現原理

小車運動動作分為向前運動、向后運動、向左轉彎、向右轉彎、向左原地旋轉和向右原地旋轉等運動，通過控制運動動作和維持時間以及運動速度，可以控制小車實現非常復雜的運動軌跡。2.4 GHz無線遙控：通過STM32+NFR24L01無線射頻模塊實現無線遙控器，遙控器包括1個油門操縱桿和1個方向操縱桿以及2個物理按鍵，操作油操縱桿可以實現油門量的調節，即實現小車速度的控制，操作方向桿可以控制小車的運動方向。

避障功能：智能小車前后安裝有紅外避障傳感器，當智能車快碰撞到物體時，紅外避障傳感器輸出碰撞信號，中央處理器收到信號后自動處理，停止運動或向反方向運動，達到避障功能。

防跌落功能：智能小車四角安裝有紅外傳感器，當智能車某一車輪處于懸空位置(比如運行到桌子邊時，繼續運動智能小車可能會跌落下去)傳感器輸出懸空信號，中央處理器收到信號后自動處理，停止運動或向反方向運動，達到防止跌落的功能。

(2) 整車硬件組裝

智能小車整機組裝實物圖如圖7所示。主要步驟：將鋰電池充電模塊、DC/DC降壓模塊、USB座、PIN座等焊接于PCB萬用板上；安裝直流電機于車架再安裝車輪；將紅外避障模塊、紅外循跡模塊、超聲波測距模塊、舵機組件用緊固螺絲安裝于車架對應位置；然后使用杜邦線把各模塊扎在STM32控制主板上。

圖7 智能小車整車組裝實物圖

1.3 軟件框架

軟件設計是智能小車控制系統設計的重要組成部分，對硬件進行合理有效的編程，才能實現智能小車特定功能和應用，以主控芯片STM32F103ZET6作為智能小車的大腦，接收處理傳感器探測信號和無線遙控器信號，運算處理后輸出控制信號給到馬達執行單元完成指定動作。軟件框架如圖8所示，包括嵌入式操作系統μcos-iii、無線模塊驅動程序、馬達驅動程序、傳感器驅動程序、應用業務邏輯處理程序等部分組成。

圖8 軟件開發框圖

使用STM32開發板提供的軟件安裝包，搭建軟件開發環境，配置好參數，對操作系統μC/OSiii進行移植，μC/OSiii的核心功能就是負責系統任務的調度，系統應答時鐘是STM32的PendSV特殊中斷功能實現產生系統基準時間，μC/OSiii通過這個時間基準進行主要調動任務的調度。顯示系統μC/GUI也要進行移植。然后對各種驅動程序編寫并測試。

2 實踐編程及功能測試

2.1 結合嵌入式實踐教學內容編程及測試

把嵌入式系統課程中所掌握的各知識點編程和測試與智能小車各功能模塊結合起來，如表1所示。配合嵌入式系統基礎驗證性實驗，在小車調試中應用，觀察各功能模塊測試效果，幫助學生理解和掌握基礎知識、基本原理、基本程序編寫和調試技能。并對智能小車各功能模塊聯動調試，加深對理論知識的理解以及對智能小車原理和功能實現知識點學習。

表1 智能小車各功能測試相對應嵌入式課程知識點

2.2 結合嵌入式綜合實踐教學內容編程及測試

把各功能模塊編程內容綜合起來，整體移植到單片機上，實現智能小車整體運行，測試智能小車閉環控制，包括小車電機速度控制、電機速度測量及閉環速度控制等；調整小車方向定位，讀取小車姿態傳感器數據，方向定位控制測試；小車人機交互綜合調試，通過無線模塊與手機或遙控器通信，手機或遙控器可以通過無線模塊駕駛智能小車，調節車速、方向，控制小車實現非常復雜的運動軌跡，在顯示屏觀察接收或發送的信息。最終驗證智能小車各大模塊尋跡、避障、速度控制、轉向等響應動作，實現整車精確穩定、安全駕駛功能演示。結合嵌入式綜合實驗教學內容，智能小車設計能形象顯示嵌入式系統綜合實驗教學內容并起到強化知識點作用，有利于培養學生分析問題解決問題的能力、實踐動手能力、創新設計思維和團隊協作意識，提高學生綜合應用能力以及軟、硬件開發設計、調試、測試等技能[14-15]。

3 總結

對智能小車實物組裝焊接及硬件程序調試，驗證各功能模塊通信協議與小車仿真駕駛，結果顯示基于STM32嵌入式教學智能小車電路及軟件設計正確，它集成運用微處理器、現代傳感器、信息融合及自動控制等技術，適合嵌入式項目實踐教學典型案例，應用于嵌入式系統實驗教學中，能很好體現嵌入綜合實驗教學優點，學生通過軟件修改及完善，觀察智能小車機動性能，激發對嵌入式系統設計課程的學習興趣，加深對嵌入式系統課程理論與工作原理的認識，提升實踐教學效果。智能小車作為一款嵌入式編程學習實體設備，未來還可以擴展支持Python、Lua等解釋型腳本編程語言。