基于stm32的循迹小车的系统框图（基于STM32超声波避障小车）

话不多说先来看视频，时长00:44

处理器电路设计

单片机是系统的CPU，是系统稳定、正常运行的重要前提，以下为单片机选型的两种方案：

（1）传统的8位单片机，是通过超大规模集成电路对其进行集成为一个独立芯片的控制器。内部组件包括CPU、随机存储器、只读存储器、I/O接口、中断系统、计时器、串口通讯、数模转换等。STC89C52单片机是最常见的51单片机，但是资源较少，精确度低，处理速度相比STM32单片机差很多。

（2）使用目前市面上最常见的STM32单片机，STM32系列单片机可分为ARMCortex-M3内核体系结构的不同应用领域。它可分为STM32F1系列和STM32F4系列，STM32F1系列单片机时钟频率最高可达72米，在同一产品中性能最好。单片机的基本处理速度为36米，16位单片机的性能也很好。微晶片的内建快闪记忆体相当大，范围从32kb到512kb，可视需要选择。单个设备的功耗非常低，仅360mA，32位单片机产品的功耗最低，每兆赫只有0.5安培。特别值得一提的是，内接单晶片汇流排是一种Harvard架构，可执行速度高达1.25 DMIPS/MHz的指令。此芯片越来越多地被用作主要控制器。

通过对单片机的资源和处理时间的速度我们采用选择STM32103C8T6为本系统主控芯片，程序下载是只需要一个JLINK就可以轻松完成。控制器模块电路如下所示：

电源模块设计

本设计采用锂电池供电, 模块的供电电压一般都为5V，同时超声波模块需要较大的电流才能正常工作，所以在降压的基础上也要保证足够大的输出电流。本设计采用可调输出版本，模块的输入电压范围广，输出电压在1.25V-35V内可调，电压转换效率高，输出纹波小。降压电路如下所示：

电机驱动模块设计

要完成转向是能够利用单片机实现的，然而单片机I0的带负载能力弱，因此我们选择了大功率放大器件TB6612FNG。TB6612FNG是采用MOSFET-H桥结构的双通道大电流电路输出，可以控制2个电机的驱动。相比普通的电机驱动，外围电路非常简单，只需要一个芯片和一个钽电容进行PWM输出滤波，系统尺寸小。PWM信号输入频率范围广，轻松满足本设计的需求。

1控制芯片:TB6612 2控制芯片数量:2 3 1号TB6612引脚分配： 4 VM PWMA--------->TIM1_CH1(PA8) 5 VCC AIN2--------->GPIOB_12 6 GND AIN1--------->GPIOB_13 7 AO1 STBY--------->GPIOB_14 8 AO2 BIN1--------->GPIOB_15 9 BO2 BIN2--------->GPIOA_12 10 BO1 PWMB--------->TIM1_CH2(PA9) 11 GND GND 12 2号TB6612引脚分配： 13 VM PWMA--------->TIM1_CH3(PA10) 14 VCC AIN2--------->GPIOB_5 15 GND AIN1--------->GPIOB_6 16 AO1 STBY--------->GPIOB_7 17 AO2 BIN1--------->GPIOB_8 18 BO2 BIN2--------->GPIOA_9 19 BO1 PWMB--------->TIM1_CH4(PA11) 20 GND GND 21真值表 22 AIN1 0 1 0 1 23 AIN2 0 0 1 1 24 BIN1 0 1 0 1 25 BIN2 0 0 1 1 26 停止 正转 反转 刹车

1//初始化TIMX,设置TIMx的ARR,PSC 2//arr：自动重装载初值，psc为预分频值，两者配合控制定时器时钟的周期 3//定时器选择TIM1 4static void TB6612_ADVANCE_TIM1_Mode_Config(TIM_TypeDef* TIMx,uint16_t arr,uint16_t psc,uint16_t duty) 5{ 6 //-----------------时基结构体初始化-------------------------/ 7 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeStructure; 8 /*开启定时器1时钟，即内部时钟CK_INT=72M*/ 9 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE); 10 TIM_DeInit(TIMx); 11 /*内部时钟作为计数器时钟，72MHZ*/ 12 TIM_InternalClockConfig(TIMx); 13 /*自动重装载寄存器的值，累计TIM_Period 1个频率后产生一个更新或者中断*/ 14 TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr; 15 /*时钟预分频系数为71，则驱动计数器的时钟CK_CNT=CK_INT/(71 1)=1MHZ*/ 16 TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1; 17 /*设置时钟分割，TIM_CKD_DIV1=0，PWM波不延时*/ 18 TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; 19 /*向上计数模式*/ 20 TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; 21 /*重复计数器*/ 22 TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0; 23 /*初始化定时器*/ 24 TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure); 25 /*使能ARR预装载寄存器(影子寄存器)*/ 26 TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE); 27 //-----------------输出比较结构体初始化-----------------------/ 28 TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; 29 /*PWM模式设置，设置为PWM模式1*/ 30 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; 31 /*PWM输出使能相应的IO口输出信号*/ 32 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; 33 /*设置占空比大小,CCR1[15:0]: 捕获/比较通道1的值,若CC1通道配置为输出：CCR1包含了装入当前捕获/比较1寄存器的值(预装载值)。*/ 34 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty; 35 /*输出通道电平极性设置*/ 36 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; 37 /*初始化输出比较参数*/ 38 TIM_OC1Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道1 39 TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道2 40 TIM_OC3Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道3 41 TIM_OC4Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道4 42 /*自动重装载*/ 43 TIM_OC1PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); 44 TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); 45 TIM_OC3PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); 46 TIM_OC4PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); 47 /*使能计数器*/ 48 TIM_Cmd(TIMx,ENABLE); 49 /*主输出使能,如果设置了相应的使能位(TIMx_CCER寄存器的CCxE、CCxNE位)，则开启OC和OCN输出。*/ 50 TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE); 51} 52//高级定时器输出通道初始化函数 53static void TB6612_ADVANCE_TIM_Gpio_Config() 54{ 55 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; 56 /*----------通道1配置--------------*/ 57 /*定时器1输出比较通道*/ 58 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); 59 /*配置为复用推挽输出*/ 60 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; 61 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8; 62 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; 63 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); 64 /*-----------通道二配置-------------*/ 65 /*定时器1输出比较通道*/ 66 /*配置为复用推挽输出*/ 67 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; 68 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11; 69 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; 70 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); 71 /*-----------通道三配置-------------*/ 72 /*定时器1输出比较通道*/ 73 /*配置为复用推挽输出*/ 74 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; 75 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9; 76 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; 77 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); 78 /*-----------通道四配置-------------*/ 79 /*定时器1输出比较通道*/ 80 /*配置为复用推挽输出*/ 81 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; 82 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10; 83 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; 84 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); 85}

超声波模块

采用HC-SR04超声波模块，该芯片具有较高的集成度以及良好的稳定性，测度距离十分精确，十分稳定。供电电压为DC5V供电电流小于10mA，探测距离为0.010m-3.5m一共有四个引脚VCC(DC5V)、Triger（发射端）、Echo（接收端）、GND（地）。HC-SR04实物图如下：

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该模块是利用单片机的IO触发电平测距，单片机内部利用普通定时器产生一个高电平信号之后，超声波就可以自主发送频率为40khz的方波，然后等待信号的返回；若有信号返回，单片机IO口就立刻输出一高电平，利用高电平产生的时间可以计算小车与障碍物的距离。最终距离就是高电平持续时间乘以声音在空气中传播的速度再除以2，可以反复测量距离。

在程序开始首先初始化超声波，利用定时器并设置时基的自动重装载初值1000，psc为预分频值72，这样的话我们产生一次中断的时间是1ms，并设置抢占优先级0，子优先级3。HC_SR04_Echo引脚接收到高电平，打开定时器，且每1ms进入一次中断。在测量时首先让Trig发送一个大于10us的高电平，然后拉高HC_SR04_Trig，当Echo为0时打开定时器计时，当Echo为1时关闭定时器，通过公式计算距离。

模块工作原理：(1)单片机触发引脚，输出高电平信号；(2)模块发送端自动发送特定频率的方波；(3)如果有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波的发射时长；(4)测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

注意：在硬件操作上需要首先让模块地端先连接，否则会影响模块工作。测距时，被测物体的摆放不能太过于杂乱，否则会影响测试结果。

1/* 获取接收到的高电平的时间（us*/ 2uint32_t Get_HC_SR04_Time(void) 3{ 4 uint32_t t=0; 5 t=Acoustic_Distance_Count*1000;//us 6 t =TIM_GetCounter(TIM2);//获取us 7 TIM2->CNT =0; 8 Acoustic_Distance_Count=0; 9 Systic_Delay_us(100); 10 return t; 11} 12/*获取距离*/ 13void Get_HC_SR04_Distance(void) 14{ 15 static uint16_t count=0; 16 switch(count) 17 { 18 case 1: 19 { 20 GPIO_SetBits(Acoustic_Port,HC_SR04_Trig);//Trig发送一个大于10us的高电平 21 }break; 22 23 case 15: 24 { 25 count=0; 26 GPIO_ResetBits(Acoustic_Port,HC_SR04_Trig); 27 while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==0);//当Echo为0时打开定时器 计时 28 Open_Tim2(); 29 while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==1);//当Echo为0时打开定时器 计时 30 Close_Tim2(); 31 HC_SR04_Distance=(float)(Get_HC_SR04_Time()/5.78); 32 33 }break; 34 default:break; 35 } 36 count ; 37}

舵机模块

本系统使用的是SG90型号的舵机，舵机是一种常见的角度驱动器，本系统需要判断不同位置的障碍物可以且对转向的力度小。舵机可以理解为方向盘称，方向盘是一个常见的名字。它实际上是一个伺服马达。舵机实物图如下：

舵机模块接口简单，舵机模块只有三个引脚。分别引引出了三根线左右两边是电源正负接口线，中间一根是PWM信号线直接连接单片机的控制引脚。通过控制单片机的引脚输出的脉冲宽度进而控制舵机旋转的角度。舵机每增加0.1ms 舵机对应增加9度。

0.5ms---------0

1.0ms---------45

1.5ms---------90

2.0ms---------135

2.5ms-----------180

20ms的时基脉冲，如果想让舵机转90度，就应该发生一个高电平持续时间为1.5ms，周期为20ms的方波，duty=1.5/20=7.5%。在这里设置定时器自动重装载寄存器arr的值为1000，所以当占空比为百分之75是，在程序中就要设置占空比为75/1000=7.5%， 这就是具体的算法。

1/**PWM引脚初始化*/ 2static void SERVO_Gpio_Init(void) 3{ 4 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; 5 /*----------通道2配置--------------*/ 6 /*定时器3输出比较通道*/ 7 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); 8 /*配置为复用推挽输出*/ 9 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; 10 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7; 11 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; 12 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); 13} 14//定时器3初始化，设置TIMx的ARR,PSC 15//arr：自动重装载初值，psc为预分频值，两者配合控制定时器时钟的周期 16static void SERVO_TIM_Config(TIM_TypeDef* TIMx,uint16_t arr,uint16_t psc,uint16_t duty) 17{ 18 //-----------------时基结构体初始化-------------------------/ 19 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeStructure; 20 /*开启定时器3时钟，即内部时钟CK_INT=72M*/ 21 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); 22 TIM_DeInit(TIMx); 23 /*内部时钟作为计数器时钟，72MHZ*/ 24 TIM_InternalClockConfig(TIMx); 25 /*自动重装载寄存器的值，累计TIM_Period 1个频率后产生一个更新或者中断*/ 26 TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr;//1000 当定时器从0计数到999，即1000次，为一个定时周期 27 /*时钟预分频系数为71，则驱动计数器的时钟CK_CNT=CK_INT/(1440-1 1)=0.05MHZ*/ 28 TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1;;//1400 //即定时器的频率为5KHZ 29 /*设置时钟分割，TIM_CKD_DIV1=0，PWM波不延时*/ 30 TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; 31 /*向上计数模式*/ 32 TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; 33 /*重复计数器*/ 34 TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0; 35 /*初始化定时器*/ 36 TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure); 37 /*使能ARR预装载寄存器(影子寄存器)*/ 38 TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE); 39 //-----------------输出比较结构体初始化 开始-----------------------/ 40 TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; 41 /*PWM模式设置，设置为PWM模式1*/ 42 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; 43 /*PWM输出使能相应的IO口输出信号*/ 44 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; 45 /*设置占空比大小,CCR1[15:0]: 捕获/比较通道1的值,若CC1通道配置为输出：CCR1包含了装入当前捕获/比较1寄存器的值(预装载值)。*/ 46 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty; //占空比大小 47 /*输出通道电平极性设置*/ 48 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; 49 /*初始化输出比较参数*/ 50 TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure); 51 //-----------------输出比较结构体初始化 结束-----------------------/ 52 /*自动重装载*/ 53 TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); 54 /*使能计数器*/ 55 TIM_Cmd(TIMx,ENABLE); 56 /*主输出使能,如果设置了相应的使能位(TIMx_CCER寄存器的CCxE、CCxNE位)，则开启OC和OCN输出。*/ 57 TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE); 58} 59/*舵机PWM初始化 60 每增加0.1ms 舵机对应增加9度 610.5ms---------0 621.0ms---------45 631.5ms---------90 642.0ms---------135 652.5ms-----------180 662.1ms turn_left=150 670.8ms turn_right=25 681.3ms turn_front=75 6920ms的时基脉冲，如果想让舵机转90度，就应该发生一个高电平为1.5ms，周期为20ms的方波，duty=1.5/20=7.5% ,而定时器自动重装载寄存器arr的值为 1000 ，所以duty=75，时占空比为75/1000=7.5%. 70*/ 71void SERVO_Init(void) 72{ 73 SERVO_Gpio_Init(); 74 SERVO_TIM_Config(TIM3,1000,1440,turn_front); 75/** 我们把定时器设置自动重装载寄存器 arr 的值为 1000，设置时钟预分频器为 1440，则 76驱动计数器的时钟：CK_CNT = CK_INT / (1440-1 1)=0.05M，则计数器计数一次的时间等于： 771/CK_CNT=20us，当计数器计数到 ARR 的值 1000 时，产生一次中断，则中断一次的时间 78为：1/CK_CNT*ARR=20ms。 79PWM 信号的频率 f = TIM_CLK/{(ARR 1)*(PSC 1)} TIM_CLK=72MHZ 80 = 72 000 000/(1000*1440)=5KHZ 81*/ 82} 83/*舵机角度控制*/ 84void SERVO_Angle_Control(uint16_t Compare2) 85{ 86 TIM_SetCompare2(TIM3,Compare2); 87}

编码器模块

调节小车前进的速度和避障快慢我们采用EC11旋转式编码器，可以用于光度、湿度、音量调节等参数的调节。EC11编码器的形状类似于电位器，中心有一个旋钮可以调节PWM信号，光电码盘利用光电转换原理输出三组方波脉冲。EC11编码器的实物图如下：

OLED显示模块

用来显示小车转速，以及左右编码器数值和电池电压等参数所用的是OLED显示模块，分辨率较高，而且功耗低，正常显示时仅0.06W，供电电压范围在3.3V-5V，有IIC和SPI两种通信协议可供选择。显示模块的亮度和对比度可以通过程序设置。由于它使用寿命长以及其他的优点，OLED更加适合小系统，本系统由于单片机引脚有限，不适合利用简单的LCD1602或者12864来显示，在多方对比之下OLED效果更好。OLED显示部分相对比较简单，大家参考中景园的例程就可以实现。

原文作者：果果小师弟

原文标题：【项目分享】基于STM32超声波避障小车

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Z_Dlx_OnNw2s0lTIFUm5_A