摘要
本次設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、根據(jù)指定的軌跡行走和通過手機(jī)APP來進(jìn)行藍(lán)牙遙控小車等功能。選用STM32f103單片機(jī)作主控芯片,超聲波模塊的型號(hào)選用HY-SRF05,同過3個(gè)超聲波模塊,來檢測(cè)小車周圍的是否有障礙物,通過算法,進(jìn)行智能避障。通過紅外模塊檢測(cè)軌跡,進(jìn)而使小車在指定的軌跡行走。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的型號(hào)是L293N ,通過STM32f103單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的信號(hào),來控制驅(qū)動(dòng),進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),使小車能前進(jìn)、后退、原地左轉(zhuǎn)、原地右轉(zhuǎn)、大左轉(zhuǎn)和大右轉(zhuǎn)。藍(lán)牙模塊的型號(hào)是HC-05,通過藍(lán)牙模塊,小車可以與小車取得信息交流,用戶在手機(jī)端可以查看小車的相關(guān)信息和對(duì)小車進(jìn)行控制。電源部分采用兩節(jié)3.7V鋰電池供電。采用C語言模塊化編程,提高開發(fā)效率。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)收測(cè)試,該智能小車的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)試方便,系統(tǒng)反映快速、靈活,設(shè)計(jì)方案正確、可行,各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。
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關(guān)鍵詞 STM32f103單片機(jī)、自動(dòng)避障、指定的軌跡行走、手機(jī)APP遙控
Abstract This design isto realize the functions of automatic obstacle avoidance, walking according tothe specified trajectory, and carrying out bluetooth remote control car throughmobile APP. Choose STM32f103 microcontroller as main control chip, ultrasonicmodule model HY - SRF05, with three ultrasonic module, to detect the car aroundthe obstacles, the algorithm, the intelligent obstacle avoidance. The track isdetected by infrared module, so that the car can walk on the specified track.Motor driver module type is L293N, sent via STM32f103 microcontroller relatedsignal, to control the drive, and then control the motor rotation, can make thecar forward, backward, turn left in situ, first turn right, turn left and turnright. The model of the bluetooth module is hc-05. Through the bluetoothmodule, the car can get information exchange with the car, and users can checkrelevant information of the car and control the car on the mobile phone. Thepower supply is powered by two 3.7v lithium-ion batteries. Modular programmingin C language is adopted to improve development efficiency. Through thepractical acceptance test, the circuit structure of the intelligent car issimple, the debugging is convenient, the system reflects quickly and flexibly,the design scheme is correct and feasible, all the indicators are stable andreliable.
Key words STM32f103 single-chip microcomputer,automatic obstacle avoidance, specified trajectory walking, mobile APP remotecontrol
目 錄目 錄...................................................................................................................... IV
1. 前言.............................................................................................................. 1
1.1. 系統(tǒng)研究背景....................................................................................... 1
1.2. 系統(tǒng)研究的意義和目的....................................................................... 3
2. 系統(tǒng)概述...................................................................................................... 4
2.1. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)........................................................................................... 4
2.2. 系統(tǒng)的功能........................................................................................... 5
2.3. 開發(fā)環(huán)境............................................................................................... 5
3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)...................................................................................................... 9
3.1. 相關(guān)技術(shù)技術(shù)....................................................................................... 9
3.2. 硬件實(shí)現(xiàn)............................................................................................... 9
3.3. 軟件實(shí)現(xiàn)............................................................................................. 15
4. 系統(tǒng)使用說明............................................................................................ 16
5. 總結(jié)............................................................................................................ 20
6. 參考文獻(xiàn).................................................................................................... 21
1. 前言1.1. 系統(tǒng)研究背景隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,自主移動(dòng)機(jī)器人以其活性和智能性等特點(diǎn),在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來越廣泛。自主移動(dòng)機(jī)器人通過各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài), 在復(fù)雜的已知或者未知環(huán)境中自主移動(dòng)并完成相應(yīng)的任務(wù)。小車的智能避障模式,設(shè)計(jì)中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點(diǎn)等可以為自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人、采礦勘探機(jī)器人、家用自動(dòng)清潔機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。同時(shí)小車可以作為玩具的發(fā)展對(duì)象,為中國(guó)玩具市場(chǎng)技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補(bǔ),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益,形成商業(yè)價(jià)值。
智能小車系統(tǒng)最誘人的前景就是可用于未來的智能汽車上了,當(dāng)駕駛員因疏忽或打瞌睡時(shí)這樣的智能汽車的設(shè)計(jì)就能體現(xiàn)出它的作用。如果汽車偏離車道或距障礙物小于安全距離時(shí),汽車就會(huì)發(fā)出警報(bào),提醒駕駛員注意,如果駕駛員沒有及時(shí)作出反應(yīng),汽車就會(huì)自動(dòng)減速或停靠于路邊。 智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例,它是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比,智能小車制作成本低廉,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,程序調(diào)試方便,具有很強(qiáng)的趣味性,為此其深受廣大機(jī)器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽每年都設(shè)有智能小車類的題目,由此可見國(guó)家對(duì)高校機(jī)器人研究工作的重視程度。
藍(lán)牙屬于短距離內(nèi)進(jìn)行無線控制和收發(fā)的通信技術(shù),伴隨著科技的飛躍性發(fā)展,也讓藍(lán)牙找到了發(fā)展的空間,它可以代替和取代落后的數(shù)字化硬件設(shè)備之間繁瑣的電纜連接。在藍(lán)牙創(chuàng)造的初期,沒有人預(yù)料到藍(lán)牙會(huì)有如此大的潛力和前景,而現(xiàn)在的發(fā)展也是完全超出了我們的預(yù)期,因?yàn)樗{(lán)牙的安全性高,制造成本低廉和所消耗的功率也是同類產(chǎn)品中最低的,所以被很多人使用,越來越受到了廣大消費(fèi)者的歡迎,基于藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品也在不斷的更新和投入市場(chǎng)。
藍(lán)牙技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)是一種短距離無線通信和信息傳輸?shù)男滦屯ㄓ嵖萍迹箶?shù)據(jù)線的硬件設(shè)備接收更方便快捷。它可以廣泛應(yīng)用于世界各地,是一個(gè)藍(lán)牙設(shè)置一個(gè)通用的范圍,頻率調(diào)制技術(shù)的使用,以防止外部干擾和多一些。低成本,低功耗和小輻射,和加密設(shè)置,讓藍(lán)牙的安全性更高;應(yīng)用范圍廣,這些特點(diǎn)使得藍(lán)牙技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在我們?nèi)粘I钪械乃{(lán)牙也支持一對(duì)一和一對(duì)多傳輸?shù)耐ㄐ胚B接,和多個(gè)藍(lán)牙成為微網(wǎng),也有網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。
在現(xiàn)在的智能時(shí)代,小車智能的控制,方便了人們的使用。
1.2. 系統(tǒng)研究的意義和目的本設(shè)計(jì)的智能小車有自動(dòng)避障、根據(jù)指定的軌跡行走和通過手機(jī)APP來進(jìn)行藍(lán)牙遙控小車等功能。同構(gòu)小車的自動(dòng)避障功能,為今后的智能自動(dòng)駕駛做下基礎(chǔ),如果汽車偏離車道或距障礙物小于安全距離時(shí),汽車就會(huì)發(fā)出警報(bào),提醒駕駛員注意,如果駕駛員沒有及時(shí)作出反應(yīng),汽車就會(huì)自動(dòng)減速或停靠于路邊。根據(jù)指定的軌跡行走的功能,在現(xiàn)在的自動(dòng)送快遞的小車中得到應(yīng)用,例如在學(xué)院中通多基站定位和設(shè)置黑白路線就能初步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送快遞了。
因?yàn)闊o線技術(shù)的廣泛使用,我們?cè)谘芯繜o線和有線通信技術(shù)的方法中了解到藍(lán)牙系統(tǒng)的小區(qū)域性有很大的技術(shù)突破,在國(guó)際上也得到了廣泛的采納,在市場(chǎng)上也有很大的需求。這也使藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展成為了趨勢(shì)之一,藍(lán)牙可以發(fā)送和接受語音和數(shù)據(jù),滿足了大多數(shù)人的需求,它也融合了其他相關(guān)產(chǎn)品的特點(diǎn),也是這樣技術(shù)變得更多樣性。然而,藍(lán)牙的安全性不足,而且在小區(qū)域范圍內(nèi)的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信受到了很大的限制,這些都是其本身需要改進(jìn)和完善的
可以使人們更方便,更簡(jiǎn)單的控制小車。實(shí)現(xiàn)了無線控制小車,擺脫了有線控制的不方便,更智能。
2. 系統(tǒng)概述2.1. 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由自動(dòng)避障部分、軌跡行走部分和手機(jī)APP藍(lán)牙控制部分組成的。中央控制用到STM32f03單片機(jī),它的處理能力很強(qiáng)和穩(wěn)定性很好,適合作為小車的控制芯片。
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自動(dòng)避障部分中,是由3個(gè)超聲波模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298和STM32f03單片機(jī)組成的,通過布置3個(gè)超聲波模塊在小車的前、左、右的方向,然后測(cè)出各個(gè)方向的相對(duì)距離,進(jìn)而判斷出各個(gè)方向的是否有障礙物,通過算法,讓小車選擇最好的路線來走。
軌跡行走部分中,是由2個(gè)紅外模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298和STM32f03單片機(jī)組成的,通過紅外模塊的放送管光的發(fā)送和接收管接收反射的光,進(jìn)而判斷出是否有黑線軌跡,從而知道大概的軌跡路線,通過算法,讓小車可以按照軌跡來行走。
手機(jī)APP藍(lán)牙控制部分,由藍(lán)牙模塊HC-06、電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298和STM32f03單片機(jī)組成的,用戶通過在手機(jī)端下載一個(gè)APP(藍(lán)牙串口助手),就可以在手機(jī)端進(jìn)行對(duì)小車控制了,分別可以使小車能前進(jìn)、后退、原地左轉(zhuǎn)、原地右轉(zhuǎn)、大左轉(zhuǎn)和大右轉(zhuǎn)。還可以選擇相應(yīng)的模式,例如自動(dòng)避障模式、軌跡行走模式和手動(dòng)控制模式。
2.2. 系統(tǒng)的功能本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有自動(dòng)避障功能、軌跡行走功能和手機(jī)APP藍(lán)牙控制功能。
自動(dòng)避障功能:超聲波傳感器利用一對(duì)超聲波發(fā)射與接收管,發(fā)射管發(fā)射出超聲波,當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物(反射面)時(shí),接收管接收到反射波,判斷前方是否有障礙物。通過超聲波傳感器來測(cè)出物體和旅行箱的距離,當(dāng)檢測(cè)到有物體離旅行箱的距離小于 10cm 時(shí),和結(jié)合算法,來避開障礙物。
2.3. 開發(fā)環(huán)境STM32F103xx增強(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計(jì),使用高性能的 ARMCortex-M332 位的 RISC內(nèi)核,工作頻率為 72MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 (高達(dá) 128K字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的SRAM),豐富的增強(qiáng) I/O 端口和聯(lián)接到兩條 APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含 2 個(gè) 12 位的 ADC、3 個(gè)通用 16 位定時(shí)器和一個(gè) PWM 定時(shí)器, 還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口: 多達(dá) 2 個(gè) I2C和SPI、3 個(gè) USART、一個(gè) USB和一個(gè) CAN。
STM32f03單片機(jī)的原理圖:
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STM32f03單片機(jī)的實(shí)物圖:
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STM32 微處理器基于 ARM 核,所以很多基于 ARM 嵌入式開發(fā)環(huán)境都可用于 STM32開發(fā)平臺(tái)。開發(fā)工具都可用于 STM32 開發(fā)。選擇合適的開發(fā)環(huán)境可以加快開發(fā)進(jìn)度,節(jié)省開發(fā)成本。本章將先對(duì) STM32 常用的開發(fā)工具 Keil MDK 和 IAR EWARM 進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,然后結(jié)合 STM32_SK 仿真評(píng)估板和 STM32F103C 的開發(fā)板講解 STM32 片上資源使用,最后給出一個(gè)基于 STM32 的數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用實(shí)例。
5.1 Keil MDK 介紹
Keil 是德國(guó)知名軟件公司 Keil(現(xiàn)已并入 ARM 公司)開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺(tái),是目前 ARM 內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案,通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境uVision )將這些功能組合在一起。 uVision 當(dāng)前最高版本是 uVision3, 它的界面和常用的微軟 VC++ 的界面相似,界面友好,易學(xué)易用,在調(diào)試程序,軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。因此很多開發(fā) ARM 應(yīng)用的工程師,都對(duì)它十分喜歡。
5.1.1 開發(fā)過程及集成開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介
1. Keil 的軟件開發(fā)周期使用 Keil 來開發(fā)嵌入式軟件, 開發(fā)周期和其他的平臺(tái)軟件開發(fā)周期是差不多的, 大致有
以下幾個(gè)步驟:
1. 創(chuàng)建一個(gè)工程,選擇一塊目標(biāo)芯片,并且做一些必要的工程配置。
2. 編寫 C 或者匯編源文件。
3. 編譯應(yīng)用程序。
4. 修改源程序中的錯(cuò)誤。
5. 聯(lián)機(jī)調(diào)試。
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3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1. 相關(guān)技術(shù)技術(shù)超聲波自動(dòng)避障技術(shù),紅外軌跡行走技術(shù),藍(lán)牙通訊技術(shù),驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)。
3.2. 硬件實(shí)現(xiàn)超聲波模塊
采用HY-SRF05 超聲波模塊傳感器,超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s,即:s=340m/s× t / 2。這就是時(shí)間差測(cè)距法。
基本工作原理:本模塊使用方法,一個(gè)控制口發(fā)一個(gè) 10US 以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí),當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值,此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間,方可算出距離.如此不斷的周期測(cè),即可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量。
超聲波原理如圖所示:
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超聲波的實(shí)物圖:
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紅外模塊
傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線,當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí),紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)模塊的輸出端為高電平,指示二極管一直處于熄滅狀態(tài);被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí),紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大,紅外接收管飽和,此時(shí)模塊的輸出端為低電平,指示二極管被點(diǎn)亮。于是,在有黑色軌跡的白色跑道上,裝有尋跡傳感器模塊小車就能自己按照軌跡來向前走,這樣的小車就叫循跡小車。
紅外模塊原理圖:
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紅外模塊實(shí)物圖:
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HC-06藍(lán)牙模塊
其TX接單片機(jī)的RX,RX接單片機(jī)的TX,VCC接5V(或3.3V),GND接單片機(jī)的地。HC-06藍(lán)牙模塊是通過一款手機(jī)APP(藍(lán)牙串口助手)作為中間媒介,在藍(lán)牙串口助手發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)到串口,串口再把相關(guān)信息送到藍(lán)牙模塊,藍(lán)牙模塊再把相關(guān)信號(hào)送到單片機(jī)中。
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藍(lán)牙模塊連接.png (114.32 KB, 下載次數(shù): 77)
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L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,
該該電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī),使能端ENA,ENB,為高電頻有效,
通過單片機(jī)的輸入信號(hào)給IN1和IN2來控制左輪,輸入信號(hào)給IN3和IN4來控制右輪。IN1和IN2,分別給0,1 :正轉(zhuǎn)
IN1和IN2,分別給1,0 :反轉(zhuǎn)
IN1和IN2,分別給1, 1 :停止
IN1和IN2,分別給0,0 :停止
IN3和IN4,分別給0,1 :正轉(zhuǎn)
IN3和IN4,分別給1,0 :反轉(zhuǎn)
IN3和IN4,分別給1, 1 :停止
IN3和IN4,分別給0,0 :停止
L298N的主要引腳功能如下:
+5V:芯片電壓5V;
VCC:電機(jī)電壓,最大可接50V;
GND:共地接法;
Output1—Output2:輸出端,接電機(jī)1;
Output3—Output4:輸出端,接電機(jī)2;
EN1、EN2:高電平有效,EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端;
Input1~ Input4:輸入端,輸入端電平和輸出端電平是對(duì)應(yīng)的;
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3.3. 軟件實(shí)現(xiàn)
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系統(tǒng)測(cè)試
小車能實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障功能、軌跡行走功能和手機(jī)APP藍(lán)牙控制功能,能實(shí)現(xiàn)基本功能,成功地用藍(lán)牙控制小車。測(cè)試了一段時(shí)間,單片機(jī)工作穩(wěn)定,藍(lán)牙穩(wěn)定的控制,小車較好的按照控制方向行走。
4. 系統(tǒng)使用說明1. 為小車裝上兩節(jié)鋰電池,來供電。
2. 打開總開關(guān),在手機(jī)端,打開一個(gè)藍(lán)牙通訊助手(在手機(jī)應(yīng)用商店可以找到下載),連接上此小車的藍(lán)牙(HC-06)。
3. 選擇小車模式,有自動(dòng)避障模式、軌跡行走模式和手機(jī)APP藍(lán)牙控制模式,如圖所示:
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4. 選擇了控制模式,然后就可以在手機(jī)端按相應(yīng)的前進(jìn),后退,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),停止等,如圖:
手機(jī)端按相應(yīng)的前進(jìn).jpg (153.11 KB, 下載次數(shù): 75)
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解析:前進(jìn),后退,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),停止,都對(duì)應(yīng)著程序中相應(yīng)的信息,如圖;
當(dāng)手機(jī)端發(fā)送 0x02 給藍(lán)牙模塊,就會(huì)執(zhí)行 forward()函數(shù); 小車會(huì)向前走
當(dāng)手機(jī)端發(fā)送 0x08 給藍(lán)牙模塊,就會(huì)執(zhí)行 back();函數(shù);,小車會(huì)向后走
當(dāng)手機(jī)端發(fā)送 0x01 給藍(lán)牙模塊,就會(huì)執(zhí)行 left();函數(shù);,小車會(huì)向左走
當(dāng)手機(jī)端發(fā)送 0x03 給藍(lán)牙模塊,就會(huì)執(zhí)行 right()函數(shù);,小車會(huì)向右走
當(dāng)手機(jī)端發(fā)送 0x05 給藍(lán)牙模塊,就會(huì)執(zhí)行stop()函數(shù);,小車會(huì)停止
具體的編輯如圖:
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file:///C:/Users/pu/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image031.jpg 5. 選擇了軌跡行走模式,小車會(huì)按照黑色的軌跡來行走的。
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軌跡行走模式展示圖2:
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最后這是小車的整體模型;
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5. 總結(jié)本設(shè)計(jì)采用的是STM32f103單片機(jī),這主要是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的穩(wěn)定性比較好和執(zhí)行指令的速度很快。還可以采用其它系列的單片機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L293N ,穩(wěn)定電壓,充足地向直流電機(jī)供電和穩(wěn)定控制;電源部分采用兩節(jié)3.7V鋰電池供電,電壓穩(wěn)定,電流充足,還可以循環(huán)充電,節(jié)能環(huán)保。采用C語言模塊化編程,提高開發(fā)效率.藍(lán)牙控制功能.用按鍵或遙控器來控制小車,簡(jiǎn)單方便經(jīng)過自己不斷的搜索努力以及老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助,本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。
過這次課程設(shè)計(jì),使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專業(yè)知識(shí)的重要性,也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義,并且檢驗(yàn)了大學(xué)兩年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這兩個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程,為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。
由于自身水平有限,設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處,敬請(qǐng)各位批評(píng)指正.
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