基于STM32的循迹小车系统设计

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

引言
环境准备
2.1 硬件准备
2.2 软件准备
循迹小车系统基础
3.1 控制系统架构
3.2 功能描述
代码实现：实现循迹小车系统
4.1 数据采集模块
4.2 数据处理与控制算法
4.3 通信与网络系统实现
4.4 用户界面与数据可视化
应用场景：智能移动与物流自动化
问题解决方案与优化
收尾与总结

1. 引言
循迹小车是一种能够自动沿着预设轨迹移动的智能设备，广泛应用于教育、物流及工业自动化领域。本文介绍基于STM32微控制器的循迹小车设计，采用红外传感器检测轨迹信息，通过控制算法实现自主导航，并支持远程监控与状态显示。

2. 环境准备
2.1 硬件准备
开发板：STM32F4系列开发板
传感器：红外反射式循迹传感器（如TCRT5000）
驱动模块：L298N电机驱动模块
执行器：直流电机
通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块（可选）
电源：锂电池或电源适配器
底盘：支持双轮驱动和转向的小车底盘

2.2 软件准备
集成开发环境：STM32CubeIDE或Keil MDK
调试工具：STM32 ST-LINK Utility或GDB
库和中间件：STM32 HAL库
安装步骤：

下载并安装STM32CubeMX和STM32CubeIDE
通过STM32CubeMX配置项目并生成代码
安装必要的库和驱动程序

3. 循迹小车系统基础
3.1 控制系统架构
循迹小车系统由以下模块组成：

数据采集模块：红外传感器采集轨迹信息
数据处理与控制算法模块：通过PID算法分析轨迹偏移并生成驱动信号
通信与网络系统：支持小车远程状态监控与控制（可选）
显示系统：显示轨迹状态及控制参数

3.2 功能描述
通过红外传感器检测轨迹，循迹小车能够自动沿着黑线或白线运动。数据处理模块采用PID算法实时调整电机转速，确保小车精确沿轨迹运行。同时，系统支持通过Wi-Fi模块监控状态，并在OLED屏上显示轨迹和控制信息。

4. 代码实现：实现循迹小车系统

4.1 数据采集模块

配置红外传感器
在STM32CubeMX中将GPIO引脚配置为输入模式，用于连接红外传感器的信号引脚。

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define IR_LEFT_PIN GPIO_PIN_0
#define IR_CENTER_PIN GPIO_PIN_1
#define IR_RIGHT_PIN GPIO_PIN_2
#define IR_PORT GPIOA

void IR_Sensor_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    GPIO_InitStruct.Pin = IR_LEFT_PIN | IR_CENTER_PIN | IR_RIGHT_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(IR_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

uint8_t Read_Left_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(IR_PORT, IR_LEFT_PIN);
}

uint8_t Read_Center_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(IR_PORT, IR_CENTER_PIN);
}

uint8_t Read_Right_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(IR_PORT, IR_RIGHT_PIN);
}

4.2 数据处理与控制算法

使用PID算法调整电机转速，实现小车沿轨迹行驶。

float Kp = 1.0, Ki = 0.5, Kd = 0.2;  // PID参数
float error = 0, prev_error = 0, integral = 0;

int PID_Control(float current_error) {
    integral += current_error;
    float derivative = current_error - prev_error;
    prev_error = current_error;
    return (int)(Kp * current_error + Ki * integral + Kd * derivative);
}

void Control_Car(void) {
    uint8_t left = Read_Left_Sensor();
    uint8_t center = Read_Center_Sensor();
    uint8_t right = Read_Right_Sensor();
    
    if (center) {
        error = 0;  // 中心在线
    } else if (left) {
        error = -1;  // 偏左
    } else if (right) {
        error = 1;  // 偏右
    }

    int pid_value = PID_Control(error);
    // 调整电机转速
    Set_Motor_Speed(LEFT_MOTOR, BASE_SPEED - pid_value);
    Set_Motor_Speed(RIGHT_MOTOR, BASE_SPEED + pid_value);
}

4.3 通信与网络系统实现

通过ESP8266模块上传运行状态至服务器。

#include "wifi.h"

void Upload_Status(uint8_t left, uint8_t center, uint8_t right) {
    char buffer[64];
    sprintf(buffer, "Left: %d, Center: %d, Right: %d", left, center, right);
    WiFi_Send(buffer);
}

4.4 用户界面与数据可视化

使用OLED显示屏实时显示传感器状态和控制参数。

#include "oled.h"

void Display_Status(uint8_t left, uint8_t center, uint8_t right) {
    char buffer[32];
    sprintf(buffer, "L:%d C:%d R:%d", left, center, right);
    OLED_PrintLine(0, buffer);
}