基于stm32f103的小车控制系统的设计(编辑修改稿)

基于stm32f103的小车控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

改 )预分频器，计数器时钟频率的分频系数为 1～65536之间的任意数值。 3. 4个独立通道：输入捕获、输出比较、 PWM生成 (边缘或中间对齐模式 )、单脉冲模式输出。 4. 使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路。 5. 如下事件发生时产生中断 /DMA：更新：计数器向上溢出 /向下溢出，计数器初始化 (通过软件或者内部 /外部触发 )； 触发事件 (计数器启动、停止、初始化或者由内部 /外部触发计数 )； 输入捕获；输出比较。 6. 支持针对定位的增量 (正交 )编码器和霍尔传感器电路。 7. 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理。 对通用定时器 TIMx 功能简要描述如下 [7]： 时基单元可编程通用定时器的主要部分是一个 16 位计数器和与其相关的自动装载寄存器。 这个计数器可以向上计数 、向下计数或者向上向下双向计数。 此计数器时钟由预分频器分频得到。 时基单元包含计数器寄存器 (TIMx_CNT)、预分频器寄存器 (TIMx_PSC)和自动装载寄存器 (TIMx_ARR)，它们都可以由软件读写，在计数器运行时仍可以读写。 预分频寄存器用于设定计数器的时钟频率；自动装载寄存器 的内容是预先装载的，其内容被永久的保存在影子寄存器，或每次更新事件 UEA 发生时传送到影子寄存器；当计数器达到溢出条件且当 TIMx_CR1寄存器中的 UDIS 位为 0 时，产生更新事件。 更新事件也可由软件产生。 定时器工作模式有计数器模式、输入捕获模式、 PWM 输入模式、强制输出模式、 PWM 模式等，根据设计要求，定时器应配置成 PWM模式生成不同占空比的 PWM波。 以下对 PWM 模式做简要介绍。 脉冲宽度调制（ PWM）模式可以产生一个由 TIMx_ARR 寄存器确定频率、由TIMx_CCRx 寄存器确定占空比的信号。 在 TIMx_CCMRx 寄存器中的 OCxM 位写入‘ 110’ (PWM 模式 1)或 ‘ 111’ (PWM 模式 2)，能够独立地设置每个 OCx 输出通道产生一路 PWM。 使用 PWM 模式，必须通过设置 TIMx_CCMRx 寄存器的 OCxPE 位使能相应的预装载寄存器，最后还要设置 TIMx_CR1 寄存器的 ARPE 位， (在向上计毕业设计（论文） 6 数或中心对称模式中 )使能自动重装载的预装载寄存器。 因为仅当发生一个更新事件的时候，预装载寄存器才能被传送到影子寄存器，因此在计数器开始计数之前，必须通过设置 TIMx_EGR 寄存器中的 UG 位来初始化所有的寄存器。 OCx 的极性可 以通过软件在 TIMx_CCER 寄存器中的 CCxP 位设置，它可以设置为高电平有效或低电平有效。 OCx 的输出使能通过 (TIMx_CCER 和 TIMx_BDTR 寄存器中 )CCxE、CCxNE、 MOE、 OSSI和 OSSR位的组合控制。 在 PWM模式 (模式 1或模式 2)下， TIMx_CNT和 TIMx_CCRx 始终在进行比较，依据计数器的计数方向以确定是否符合TIMx_CCRx≤ TIMx_CNT 或者 TIMx_CNT≤ TIMx_CCRx。 根据 TIMx_CR1 寄存器中 CMS位的状态，定时器能够产生边沿对齐的 PWM 信号或中央对齐 的 PWM信号 [8]。 PWM 输出信号的占空比由 TIMx_CRRx 寄存器确定的。 其公式为“占空比=(TIMx_CRRx/TIMx_ARR)*100%”，因此，可以通过向 CRR 中填入适当的数来输出自己所需的频率和占空比的方波信号，进而实现本设计中调速功能。 小车及其驱动器介绍 小车结构及功能简介 所谓小车控制实际上就是电机控制，本论文所设计的小车分为电机系统、显示系统、控制系统、避障和循迹系统五大结构。 电机系统使用两个电机（ A和 B），设定正转、反转和停止三种状态，分别控制左轮和右轮，通过两 个电机的转动状态切换控制小车的行驶方向，例如前进、后退、左转、右转，实现小车的基本运动功能；通过对电机转速的调节控制小车的运动速度。 根据实际情况，假设两个电机相对安装，则表 11 是电机转动状态与小车运动方向的关系表。 表 11 电机转动状态与小车运动方向关系表 运动状态 电机 A（右轮） 电机 B（左轮） 前进 正转 反转 后退 反转 正转 右转 停止 正转 左转 正转 停止 毕业设计（论文） 7 小车的显示系统，即小车装有液晶显示器（ 128 64），初始化由编程设定，小车运动过程中实时显示小车的运动参数，并可在以后予以扩 展，根据实际运用的需要显示更多内容。 小车的控制系统为按键开关式的键盘，设定小车启动 /停止、自由行走模式 /循迹模式、加速 /减速六种状态，最初都赋以高电平，当按键被按下时，即触发低电平，使小车按相应状态运动。 小车避障系统，即在自由行走模式下通过触角传感器对障碍物检测，使小车实现自动避障功能。 小车循迹系统，即在循迹模式下通过红外探测器对黑迹不断进行检测，自动识别路线，使小车按指定的路线行驶。 电机驱动电路简介 电机驱动电路采用 L298 芯片控制，其内部原理图如图。 L298 是恒压恒流双 H 桥集成 电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可达到 2A。 直流电机驱动电路使用最广泛的就是 H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 图 L298内部原理图 全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态，如图 所示， S S2为一组， S S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。 当S S2 导通时， S S4 关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当 S S4 导通时， S S2 关断，电机两端为反向电 压，电机反转或正转制动。 S2 S3 S4 S1 毕业设计（论文） 8 在小车动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在 S S2 导通且 S S4 关断，到 S S2 关断且 SS4 导通，这两种状态之间转换。 在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。 这个过程可用图。 图 因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在 理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。 对于 PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。 若 S S4 关断， SS2 受 PWM 控制，假设高电平导通，忽略开关管损耗，则在一个周期内的导通时间为 t，周期为 T，则电机两端的平均电压为： U=Vcc*t/ T=α *Vcc ，其中 α =t/T称为占空比， Vcc 为电源电压（电源电压减 去两个开关管的饱和压降） [9]。 PWM的占空比 α 决定输出到直流电机电枢电压的平均电压，进而决定了直流电机的转速。 L298 的 EN A（第 6引脚）、 EN B（第 11 引脚）分别与两路 PWM 波输出端相连，控制电机是否转动。 IN1IN4 两对 I/O 输入，控制电机转动方向。 SENSE A、SENSE B 为电流反馈引脚。 Vss 电压最小为 ，最大可达 36V； Vs 电压最大值也是 36V。 但经过实验， Vs电压应该比 Vss 电压高，否则有时会出现失控现象。 毕业设计（论文） 9 第 2 章 小车控制系统硬件设计 系统功能实现及需求分析 本设 计采用 STM32F103 芯片作为控制器来实现对小车电机、液晶显示模块、外置键盘、传感器探测等外设的控制是一个合理的解决方案。 STM32F103 具有丰富的外设接口、实时性强等优点，采用模块化设计，满足实际需要及扩展；用液晶显示模块可以实时显示小车的工作状态，比如显示小车是处在自由行走模式还是在循迹模式等；利用键盘的外部输入实现对小车行走模式的选择和速度的步进调节；利用传感器检测外界信息，实现小车简单的避障和循迹功能。 基于设计功能需求，本设计采用的是低电平触发的按键开关式 键盘，这样可以合理地利用硬件资源，操作简 便，并且编程灵活。 本论文设计的小车控制系统框图如图 所示。 图 电机控制系统框图 由系统框图可看出，小车整个控制系统设计主要包括电机驱动、液晶显示、键盘扩展电路、触角传感电路、红外收发检测电路等模块。 整个系统的硬件电路设计原理图见附录，下面分别介绍各部分模块的设计。 毕业设计（论文） 10 主要电路设计 STM32F103 及。