基于超聲波、紅外和藍(lán)牙的智能小車-STM32單片機課程設(shè)計

ID:308590 · 發(fā)表于 2018-10-9 19:31

基于超聲波、紅外和藍(lán)牙的智能小車

這是我大二下學(xué)期做的一個課程設(shè)計，歡迎大家指正。

摘要

本次設(shè)計是實現(xiàn)自動避障、根據(jù)指定的軌跡行走和通過手機APP來進(jìn)行藍(lán)牙遙控小車等功能。選用STM32f103單片機作主控芯片，超聲波模塊的型號選用HY-SRF05，同過3個超聲波模塊，來檢測小車周圍的是否有障礙物，通過算法，進(jìn)行智能避障。通過紅外模塊檢測軌跡，進(jìn)而使小車在指定的軌跡行走。電機驅(qū)動模塊的型號是L293N ,通過STM32f103單片機發(fā)送相關(guān)的信號，來控制驅(qū)動，進(jìn)而控制電機的轉(zhuǎn)動，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，用戶在手機端可以查看小車的相關(guān)信息和對小車進(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)實踐驗收測試，該智能小車的電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反映快速、靈活，設(shè)計方案正確、可行，各項指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。

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關(guān)鍵詞 STM32f103單片機、自動避障、指定的軌跡行走、手機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)實現(xiàn)...................................................................................................... 9

3.1. 相關(guān)技術(shù)技術(shù)....................................................................................... 9

3.2. 硬件實現(xiàn)............................................................................................... 9

3.3. 軟件實現(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

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,自主移動機器人以其活性和智能性等特點,在人們的生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來越廣泛。自主移動機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)境中自主移動并完成相應(yīng)的任務(wù)。小車的智能避障模式，設(shè)計中的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點等可以為自動運輸機器人、采礦勘探機器人、家用自動清潔機器人等自動半自動機器人的設(shè)計與普及有一定的參考意義。同時小車可以作為玩具的發(fā)展對象，為中國玩具市場技術(shù)含量的缺乏進(jìn)行一定的彌補，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益，形成商業(yè)價值。

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這樣的智能汽車的設(shè)計就能體現(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，汽車就會發(fā)出警報，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時作出反應(yīng)，汽車就會自動減速或�？坑诼愤叀� 智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比，智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強的趣味性，為此其深受廣大機器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對高校機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，因為藍(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。

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�，它使�?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，是一個藍(lán)牙設(shè)置一個通用的范圍，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)牙也支持一對一和一對多傳輸?shù)耐ㄐ胚B接，和多個藍(lán)牙成為微網(wǎng)，也有網(wǎng)絡(luò)的特點。

在現(xiàn)在的智能時代，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)計的智能小車有自動避障、根據(jù)指定的軌跡行走和通過手機APP來進(jìn)行藍(lán)牙遙控小車等功能。同構(gòu)小車的自動避障功能，為今后的智能自動駕駛做下基礎(chǔ)，如果汽車偏離車道或距障礙物小于安全距離時，汽車就會發(fā)出警報，提醒駕駛員注意，如果駕駛員沒有及時作出反應(yīng)，汽車就會自動減速或�？坑诼愤�。根據(jù)指定的軌跡行走的功能，在現(xiàn)在的自動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現(xiàn)自動送快遞了。

因為無線技術(shù)的廣泛使用，我們在研究無線和有線通信技術(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，在國際上也得到了廣泛的采納，在市場上也有很大的需求。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，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)的一點對多點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，更簡單的控制小車。實現(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)計的系統(tǒng)主要由自動避障部分、軌跡行走部分和手機APP藍(lán)牙控制部分組成的。中央控制用到STM32f03單片機，它的處理能力很強和穩(wěn)定性很好，適合作為小車的控制芯片。

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自動避障部分中，是由3個超聲波模塊、電機驅(qū)動L298和STM32f03單片機組成的，通過布置3個超聲波模塊在小車的前、左、右的方向，然后測出各個方向的相對距離，進(jìn)而判斷出各個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個紅外模塊、電機驅(qū)動L298和STM32f03單片機組成的，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APP藍(lán)牙控制部分，由藍(lán)牙模塊HC-06、電機驅(qū)動L298和STM32f03單片機組成的，用戶通過在手機端下載一個APP（藍(lán)牙串口助手），就可以在手機端進(jìn)行對小車控制了，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，例如自動避障模式、軌跡行走模式和手動控制模式。

2.2. 系統(tǒng)的功能

本設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有自動避障功能、軌跡行走功能和手機APP藍(lán)牙控制功能。

自動避障功能：超聲波傳感器利用一對超聲波發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出超聲波，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，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出物體和旅行箱的距離，當(dāng)檢測到有物體離旅行箱的距離小于 10cm 時，和結(jié)合算法，來避開障礙物。

2.3. 開發(fā)環(huán)境

STM32F103xx增強型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計，使用高性能的 ARMCortex-M332 位的 RISC內(nèi)核，工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高速存儲器 (高達(dá) 128K字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的SRAM)，豐富的增強 I/O 端口和聯(lián)接到兩條 APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含 2 個 12 位的 ADC、3 個通用 16 位定時器和一個 PWM 定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個 I2C和SPI、3 個 USART、一個 USB和一個 CAN。

STM32f03單片機的原理圖：

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STM32f03單片機的實物圖：

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。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 STM32 常用的開發(fā)工具 Keil MDK 和 IAR EWARM 進(jìn)行簡單介紹，然后結(jié)合 STM32_SK 仿真評估板和 STM32F103C 的開發(fā)板講解 STM32 片上資源使用，最后給出一個基于 STM32 的數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用實例。

5.1 Keil MDK 介紹

Keil 是德國知名軟件公司 Keil（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前 ARM 內(nèi)核單片機開發(fā)的主流工具。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(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大的功能。因此很多開發(fā) ARM 應(yīng)用的工程師，都對它十分喜歡。

5.1.1 開發(fā)過程及集成開發(fā)環(huán)境簡介

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)周期和其他的平臺軟件開發(fā)周期是差不多的，大致有

以下幾個步驟：

1. 創(chuàng)建一個工程，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. 修改源程序中的錯誤。

5. 聯(lián)機調(diào)試。

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3. 系統(tǒng)實現(xiàn)3.1. 相關(guān)技術(shù)技術(shù)

超聲波自動避障技術(shù)，紅外軌跡行走技術(shù)，藍(lán)牙通訊技術(shù)，驅(qū)動電機技術(shù)。

3.2. 硬件實現(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)射的同時開始計時，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時。聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s，即：s=340m/s× t / 2。這就是時間差測距法。

基本工作原理：本模塊使用方法,一個控制口發(fā)一個 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器計時,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離.如此不斷的周期測,即可以達(dá)到你移動測量。

超聲波原理如圖所示：

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超聲波的實物圖:

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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度不夠大時，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強度足夠大，紅外接收管飽和，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點亮。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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紅外模塊實物圖：

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HC-06藍(lán)牙模塊

其TX接單片機的RX，RX接單片機的TX，VCC接5V（或３.３Ｖ），GND接單片機的地。HC-06藍(lán)牙模塊是通過一款手機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)信號送到單片機中。

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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電機驅(qū)動模塊，

該該電機可以驅(qū)動2路直流電機，使能端ENA，ENB，為高電頻有效，

通過單片機的輸入信號給IN1和IN2來控制左輪，輸入信號給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：電機電壓，最大可接50V；

GND：共地接法；

Output1—Output2：輸出端，接電機1；

Output3—Output4：輸出端，接電機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應(yīng)的；

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3.3. 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)測試

小車能實現(xiàn)了自動避障功能、軌跡行走功能和手機APP藍(lán)牙控制功能，能實現(xiàn)基本功能，成功地用藍(lán)牙控制小車。測試了一段時間，單片機工作穩(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)，在手機端，打開一個藍(lán)牙通訊助手（在手機應(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，有自動避障模式、軌跡行走模式和手機APP藍(lán)牙控制模式，如圖所示：

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4. 選擇了控制模式，然后就可以在手機端按相應(yīng)的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止等，如圖：

手機端按相應(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，都對應(yīng)著程序中相應(yīng)的信息，如圖;

當(dāng)手機端發(fā)送 0x02 給藍(lán)牙模塊，就會執(zhí)行 forward()函數(shù)；小車會向前走

當(dāng)手機端發(fā)送 0x08 給藍(lán)牙模塊，就會執(zhí)行 back();函數(shù)；，小車會向后走

當(dāng)手機端發(fā)送 0x01 給藍(lán)牙模塊，就會執(zhí)行 left();函數(shù)；，小車會向左走

當(dāng)手機端發(fā)送 0x03 給藍(lán)牙模塊，就會執(zhí)行 right()函數(shù)；，小車會向右走

當(dāng)手機端發(fā)送 0x05 給藍(lán)牙模塊，就會執(zhí)行stop()函數(shù)；，小車會停止

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;

5. 總結(jié)

本設(shè)計采用的是STM32f103單片機，這主要是因為該單片機的穩(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。電機驅(qū)動采用L293N ,穩(wěn)定電壓，充足地向直流電機供電和穩(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)計已經(jīng)基本完成。

過這次課程設(shè)計，使我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學(xué)兩年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計中對于知識的運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。這兩個月的設(shè)計是對過去所學(xué)知識的系統(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)計中一定存在很多不足之處，敬請各位批評指正.

6. 參考文獻(xiàn)

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