基于STM32的智能小车设计与实现

最新推荐文章于 2025-10-29 16:21:01 发布

原创最新推荐文章于 2025-10-29 16:21:01 发布 · 3.1k 阅读

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#stm32 #单片机 #嵌入式硬件

引言

本项目基于STM32微控制器设计一个智能小车系统。智能小车能够通过传感器采集环境信息，结合控制算法实现自主避障、路径跟踪、巡线和远程控制等多种功能。系统通过多种传感器和驱动模块的集成，使小车能够在复杂环境中独立导航。项目设计旨在培养嵌入式系统控制、传感器融合、算法设计等方面的综合应用能力，并为智能机器人技术奠定基础。本文将从系统设计、硬件配置、软件实现和问题解决等方面进行详细介绍。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）：用于数据处理和控制。
电机驱动模块（如L298N或TB6612）：用于控制小车的直流电机。
直流电机：作为小车的驱动轮提供动力。
超声波传感器：用于前方障碍物检测。
红外传感器：用于线路检测，实现巡线功能。
蓝牙模块（如HC-05）：用于实现远程控制。
舵机：用于超声波传感器的旋转，以扩大检测范围。
电源模块：为小车系统供电。
面包板和杜邦线：用于电路连接。

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化STM32外设并生成代码。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写、调试和下载代码。
ST-Link驱动程序：用于下载程序到STM32开发板。
串口调试工具：用于数据调试和监测传感器读数。

项目实现

1. 硬件连接

电机驱动模块：电机驱动模块L298N的IN1和IN2引脚分别连接STM32的GPIO引脚（如PA0和PA1），控制左电机的前进和后退；IN3和IN4引脚连接到另外的GPIO引脚（如PA2和PA3），控制右电机的前进和后退。电机驱动的PWM引脚连接到STM32的PWM输出引脚，用于调节电机的速度。
超声波传感器：超声波传感器的触发引脚连接至STM32的GPIO引脚（如PA4），回声引脚连接至另一个GPIO引脚（如PA5），用于前方障碍物检测。
红外传感器：用于检测小车与地面的黑线。多个红外传感器（通常3-5个）连接至STM32的ADC引脚，以实现巡线功能。
蓝牙模块：用于接收控制信号。蓝牙模块的TX和RX引脚连接至STM32的USART接口（如USART1），用于与手机或电脑通信，实现远程控制。
舵机：连接至STM32的PWM输出引脚（如PA6），通过PWM控制舵机旋转，以调节超声波传感器的角度，从而扩大探测范围。

2. STM32CubeMX 配置

选择开发板型号：在STM32CubeMX中选择STM32F103C8T6型号。
配置系统时钟：配置系统时钟为HSI，以保证系统稳定运行。
配置GPIO引脚：设置电机驱动引脚、超声波传感器引脚、红外传感器引脚、蓝牙模块的USART引脚。
配置PWM：用于控制电机速度和舵机旋转。
配置ADC：用于读取红外传感器信号，实现巡线功能。
生成代码：选择Keil或STM32CubeIDE作为编译环境，生成基础代码框架。

3. 编写主程序

基于生成的代码框架，编写小车的避障、巡线、速度控制和远程控制代码。以下为智能小车的核心代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义引脚
#define LEFT_MOTOR_IN1 GPIO_PIN_0
#define LEFT_MOTOR_IN2 GPIO_PIN_1
#define RIGHT_MOTOR_IN1 GPIO_PIN_2
#define RIGHT_MOTOR_IN2 GPIO_PIN_3
#define ULTRASONIC_TRIG_PIN GPIO_PIN_4
#define ULTRASONIC_ECHO_PIN GPIO_PIN_5
#define SERVO_PWM_PIN GPIO_PIN_6
#define IR_SENSOR_PIN GPIO_PIN_7
#define GPIO_PORT GPIOA

// 函数声明
void Motor_Control(uint8_t leftSpeed, uint8_t rightSpeed, uint8_t direction);
uint32_t Ultrasonic_ReadDistance(void);
void Servo_Control(uint8_t angle);
uint8_t Line_Detection(void);
void Bluetooth_Control(void);

// 控制电机方向和速度
void Motor_Control(uint8_t leftSpeed, uint8_t rightSpeed, uint8_t direction) {
    if (direction == 1) { // 前进
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, LEFT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, LEFT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, RIGHT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, RIGHT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_RESET);
    } else { // 后退
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, LEFT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, LEFT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, RIGHT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, RIGHT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_SET);
    }
    // 控制速度（PWM）
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, leftSpeed);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, rightSpeed);
}

// 读取超声波距离
uint32_t Ultrasonic_ReadDistance(void) {
    // 触发超声波测距
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, ULTRASONIC_TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, ULTRASONIC_TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 读取回声持续时间并计算距离
    uint32_t start = HAL_GetTick();
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ULTRASONIC_ECHO_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {}
    start = HAL_GetTick();
    
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ULTRASONIC_ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) {}
    uint32_t duration = HAL_GetTick() - start;
    
    return (duration * 0.034) / 2;
}

// 巡线检测
uint8_t Line_Detection(void) {
    // 读取红外传感器信号
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc1) > 2000 ? 1 : 0;
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    while (1) {
        // 避障功能
        if (Ultrasonic_ReadDistance() < 10) {
            Motor_Control(0, 0, 0); // 停车
            HAL_Delay(500);
            Motor_Control(100, 100, 0); // 后退
            HAL_Delay(1000);
            Motor_Control(0, 100, 1); // 右转避障
            HAL_Delay(500);
        } else if (Line_Detection()) {
            Motor_Control(100, 100, 1); // 沿线前进
        }
        
        Bluetooth_Control(); // 蓝牙远程控制
    }
}

4. 超声波传感器的实现

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 触发超声波测距
void Ultrasonic_Trigger(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, ULTRASONIC_TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, ULTRASONIC_TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

5. 蓝牙控制

蓝牙控制是通过UART接收来自手机端的控制指令，根据指令控制小车的运动方向和速度。

#include "stm32f1xx_hal.h"

void Bluetooth_Control(void) {
    uint8_t command;
    HAL_UART_Receive(&huart1, &command, 1, HAL_MAX_DELAY);
    switch(command) {
        case 'F': Motor_Control(100, 100, 1); break; // 前进
        case 'B': Motor_Control(100, 100, 0); break; // 后退
        case 'L': Motor_Control(50, 100, 1); break; // 左转
        case 'R': Motor_Control(100, 50, 1); break; // 右转
        case 'S': Motor_Control(0, 0, 1); break;    // 停车
    }
}