2.1  器件選定

各類汽車逐漸在現(xiàn)代家庭普及，停車場(chǎng)的車位設(shè)計(jì)要求越來越嚴(yán)苛，日益擁擠的泊車環(huán)境和窄小車位，要求人們泊車時(shí)對(duì)汽車的操縱必須更加?jì)故臁Ｒ虼耍�市�?chǎng)對(duì)于自動(dòng)泊車等汽車智能化功能的要求也日益增加。目前自動(dòng)泊車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多是基于DSP、FPGA等的控制處理平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。由于STM32較于DSP、FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，故而本文以無人駕駛智能汽車自動(dòng)泊車系統(tǒng)為應(yīng)用背景，以紅外線技術(shù)為依托，完成基于STM32F103控制平臺(tái)的智能車研究與應(yīng)用。

將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，總要有被測(cè)信號(hào)輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，其核心任務(wù)是怎么樣獲得準(zhǔn)確的被測(cè)信號(hào)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來說，不可缺少的環(huán)節(jié)是對(duì)條件的監(jiān)測(cè)和對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試，傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的第一環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將在傳感器對(duì)原始信號(hào)的準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)換和捕捉，工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，基本主要依賴各種傳感器來控制和檢測(cè)生產(chǎn)過程中的各種量，使系統(tǒng)和設(shè)備在最佳狀態(tài)正常運(yùn)行，從而保證生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率。

2.2 主控系統(tǒng)電路和各硬件模塊

2.1.1  STM32F103ZET6開發(fā)平臺(tái)

本研究采ARM cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F 103ZET6作為主控制器，LQFP-144封裝，該芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)、其中集成有64KB的RAM和512KB的FLASH，運(yùn)算速度快，并且具有體積小和低功耗的特點(diǎn)，在工業(yè)控制方面具有較高的應(yīng)用前景。

STM32F103ZET6芯片介紹：

1、基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封裝；

2、512K片內(nèi)FLASH（相當(dāng)于硬盤），64K片內(nèi)RAM，片內(nèi)FLASH支持在線編程；

3、高達(dá)72M的頻率，數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，以確保CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大；

4、通過片內(nèi)BOOT區(qū)，可實(shí)現(xiàn)串口下載程序(ISP)；

5、片內(nèi)雙RC晶振，提供8M和32K的頻率；

6、支持片外高速晶振(8M)，和片外低速晶振(32K)。其中片外低速晶振可用于CPU的實(shí)時(shí)時(shí)鐘,帶后備電源引腳，用于掉電后的時(shí)鐘行走；

7、42個(gè)16位的后備寄存器，利用外置的紐扣電池，和實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存功能；

8、支持JTAG,SWD調(diào)試.配合廉價(jià)的J-LINK,實(shí)現(xiàn)高速低成本的開發(fā)調(diào)試方案；

9、多達(dá)80個(gè)IO(大部分兼容5V邏輯)，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，2個(gè)基本定時(shí)器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART，一個(gè)USB從設(shè)備接口，一個(gè)CAN接口，SDIO接口，可兼容SRAM，NOR和NAND Flash接口的16位總線-FSMC；

10、3路共16通道的12位AD輸入，2路共2通道的12位DA輸出。

11、CPU操作電壓范圍：2.0-3.6V；支持片外獨(dú)立電壓基準(zhǔn)。

2.1.2  L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。模塊可以使用內(nèi)置的78M05通過驅(qū)動(dòng)電源部分取電工作，但是為了避免穩(wěn)壓芯片損壞，當(dāng)使用大于12V驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候，需使用外置的5V邏輯供電。使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，可以提高可靠性。

L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是:工作電

壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端。使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.1.3  TFT LCD顯示器

本文所研究的智能車采用以ILI9341為驅(qū)動(dòng)器的TFT LCD作為顯示器，用于模擬汽車的駕駛儀表盤，顯示駕駛模式和車速等信息。

ILI9341是一個(gè)用于TFT液晶顯示的單芯片控制驅(qū)動(dòng)器，具有262,144色的240RGB X 320 像素顯示解決方案。它的組成包括一個(gè)720通道的源極驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)320通道的柵極驅(qū)動(dòng)器,172800字節(jié)用于圖形顯示的GRAM，以及供電電路。

ILI9341支持8/9/16/18位數(shù)據(jù)總線的MCU接口，6/16/18位數(shù)據(jù)總線的RGB接口，以及3/4線的SPI接口。移動(dòng)圖像區(qū)域可以通過窗口地址功能在內(nèi)部GRAM來指定。指定的窗口區(qū)域可以選擇性地更新，因此，可以在圖像區(qū)域同時(shí)獨(dú)立地顯示移動(dòng)圖像。

ILI9341可以使用1.65-3.3V的I/0接口電壓和一個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓跟隨電路來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)LCD的電壓。ILI9341有精確的電壓控制，來支持全色，8色顯示模式和睡眠模式，這使得ILI9341成為一個(gè)理想的中小型手提產(chǎn)品的LCD驅(qū)動(dòng)器，比如數(shù)字電話，智能手機(jī)，MP3和PMP。

2.1.4  紅外無線遙控套件

紅外無線遙控套件由Mini紅外遙控器和38KHz紅外接收模塊組成，Mini紅外遙控器具有17個(gè)功能鍵，發(fā)射距離遠(yuǎn)可達(dá)8米,適合在室內(nèi)操控多種設(shè)備。紅外接收模塊可接收標(biāo)準(zhǔn)38KHz調(diào)制的遙控器信號(hào)，通過對(duì)進(jìn)行編程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控器信號(hào)的、解碼操作，從而可制作多種遙控機(jī)器人以及互動(dòng)作品。

紅外線簡(jiǎn)介：人的眼睛能看到的可見光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長(zhǎng)范圍為0.62～0.76μm；紫光的波長(zhǎng)范圍為0.38～0.46μm。比紫光波長(zhǎng)還短的光叫紫外線，比紅光波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光叫紅外線。紅外線遙控是利用波長(zhǎng)為0.76～1.5μm之間的近紅外線來傳送控制信號(hào)。

通常紅外遙控為了提高抗干擾性能和降低電源消耗，紅外遙控器常用載波的方式傳送二進(jìn)制編碼，常用的載波頻率為38kHz，這是由發(fā)射端所使用的455kHz晶振來決定的。在發(fā)射端要對(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。也有一些遙控系統(tǒng)采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來決定。所以，通常的紅外遙控器是將遙控信號(hào)（二進(jìn)制脈沖碼）調(diào)制在38KHz的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)發(fā)射出去的。二進(jìn)制脈沖碼的形式有多種，其中最為常用的是NEC Protocol的PWM碼（脈沖寬度調(diào)制）和Philips RC-5 Protocol的PPM碼（脈沖位置調(diào)制碼，脈沖串之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制）。若需要開發(fā)紅外接收設(shè)備，一定要了解紅外遙控器的編碼方式和載波頻率，才能選取一體化紅外接收頭和制定解碼方案。

NEC碼的位定義：一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)560us的連續(xù)載波，一個(gè)邏輯1傳輸需要2.25ms（560us脈沖+1680us低電平），一個(gè)邏輯0的傳輸需要1.125ms（560us脈沖 + 560us低電平）。而紅外接收頭在收到脈沖的時(shí)候?yàn)榈碗娖剑�在沒有脈沖的時(shí)候?yàn)楦唠娖剑�這樣，我們?cè)诮邮疹^端收到的信號(hào)為：邏輯1應(yīng)該是560us低 + 1680us高，邏輯0應(yīng)該是560us低 + 560us高。所以可以通過計(jì)算高電平時(shí)間判斷接收到的數(shù)據(jù)是0還是1。

NEC遙控指令的數(shù)據(jù)格式為：引導(dǎo)碼、地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼。引導(dǎo)碼由一個(gè) 9ms 的低電平和一個(gè) 4.5ms 的高電平組成，地址碼、地址反碼、控制碼、控制反碼均是8 位數(shù)據(jù)格式。按照低位在前，高位在后的順序發(fā)送。采用反碼是為了增加傳輸?shù)目煽啃裕�可用于校�?yàn)）。數(shù)據(jù)格式如下圖

NEC碼還規(guī)定了連發(fā)碼(由 9ms 低電平 +2.5ms 高電平 +0.56ms 低電平 +97.94ms 高電平組成)，如果在一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，紅外遙控器按鍵仍然沒有放開，則發(fā)射連發(fā)碼，可以通過統(tǒng)計(jì)連發(fā)碼的次數(shù)來標(biāo)記按鍵按下的長(zhǎng)短或次數(shù)。

2.1.5  紅外避障與循跡模塊

本設(shè)計(jì)采用了七路紅外避障模塊和兩路TCRT5000紅外反射傳感器。七路紅外避障模塊主要用作自動(dòng)泊車功能的探測(cè)傳感器，兩路TCRT5000紅外反射傳感器則是應(yīng)用于黑線循跡功能。

紅外避障傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào)整、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。

模塊參數(shù)說明：

1、當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào),該模塊檢測(cè)距離2～30cm，檢測(cè)角度35°，檢測(cè)距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。

2、傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè),因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小，白色最大；小面積物體距離小，大面積距離大。

3、傳感器模塊輸出端口OUT可直接與單片機(jī)IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)5V繼電器；連接方式：VCC-VCC；GND-GND；OUT-IO；

4、比較器采用LM393，工作穩(wěn)定；

5、可采用3-5V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮；

6、具有3mm的螺絲孔，便于固定和安裝；

    7、電路板尺寸：3.2cm*1.4cm。

智能車使用12V 18650鋰電池組作為電源，為MCU及各個(gè)模塊進(jìn)行供電。采用LM2596S DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源模塊和AMS1117-3.3V 降壓穩(wěn)壓模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)電路及控制電路進(jìn)行降壓穩(wěn)壓保護(hù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，多次使用萬用表對(duì)各個(gè)模塊的電壓進(jìn)行測(cè)量，以防燒毀元器件。

3.1  軟件設(shè)計(jì)思路

在軟件設(shè)計(jì)部分，本設(shè)計(jì)主要分成了五大部分，其中包括LED控制程序、TFT LCD驅(qū)動(dòng)程序、按鍵驅(qū)動(dòng)程序、電機(jī)控制程序、紅外遙控程序。在電機(jī)控制程序部分，包括了PWM配置函數(shù)、紅外傳感器輸入信號(hào)配置函數(shù)、TIM3初始化程序、自動(dòng)泊車程序、黑線循跡程序、測(cè)速程序，并且編寫了13種不同占空比的小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向函數(shù)。在紅外遙控程序部分，先用紅外解碼獲得遙控器鍵值的編碼數(shù)據(jù)，再對(duì)所需要的鍵值進(jìn)行定義，從而實(shí)現(xiàn)固定按鍵控制相應(yīng)的功能。TFT LCD顯示的數(shù)據(jù)依次為：設(shè)計(jì)名稱、車速、遙控器鍵值、按鍵連續(xù)按下次數(shù)、智能車行駛狀態(tài)。

3.2  系統(tǒng)調(diào)試

若要實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)泊車及黑線循跡兩大功能，除了傳感器的選用及調(diào)試外，更為重要的是如何在不同的路況下改變智能車的行駛速度。本設(shè)計(jì)使用PWM輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，中文意思是脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，其應(yīng)用領(lǐng)域包括測(cè)量，通信，功率控制與變換，電動(dòng)機(jī)控制、伺服控制、調(diào)光、開關(guān)電源，甚至某些音頻放大器，因此學(xué)習(xí)PWM具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。也可以這樣理解，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電為完全有(ON)，或完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上。通(ON)的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷(OFF)的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。若帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。

為了實(shí)現(xiàn)智能車正常倒入車庫(kù)和自動(dòng)循跡的功能，筆者在制作小車時(shí)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，詳細(xì)記錄各類情況，淘汰掉不合適的數(shù)據(jù)，最終獲得較為穩(wěn)定的車速變化數(shù)據(jù)，并對(duì)自動(dòng)泊車的算法進(jìn)行了多次優(yōu)化，觀察到了較為理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

    黑線循跡功能采用反射式光電開關(guān)來識(shí)別軌跡上的黑線標(biāo)記信號(hào)，這種光電開關(guān)的紅外發(fā)射管和接收管位于同一側(cè)，光敏三極管只能接收反射回的紅外光。當(dāng)車身下面是黑線時(shí)，由于黑線吸收部分光，光敏三極管接收到的紅外光不能使光敏三極管導(dǎo)通，光電開關(guān)輸出高電平，經(jīng)非門輸出低電平。反之，當(dāng)車身下面是白色的地面時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)射的光經(jīng)其反射后，被接收管接受，光電開關(guān)輸出低電平，經(jīng)非門整形后輸出高電平。將非門的輸出接至單片機(jī)IO口。車在前進(jìn)和后退過程中，小車每過一道黑線，便產(chǎn)生一次電平變化，主程序從而調(diào)用相應(yīng)的子程序，隨著小車的不斷行駛，相應(yīng)的程序依次被調(diào)用執(zhí)行，使小車在跑道上按設(shè)計(jì)要求時(shí)快、時(shí)慢、時(shí)前進(jìn)、時(shí)轉(zhuǎn)向。

單片機(jī)源程序如下:

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2018-10-31 15:14 上傳

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