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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。 电源驱动引脚表 控制芯片:TB6612 控制芯片数量:2 1号TB6612引脚分配: VM PWMA---------》TIM1_CH1(PA8) VCC AIN2---------》GPIOB_12 GND AIN1---------》GPIOB_13 AO1 STBY---------》GPIOB_14 AO2 BIN1---------》GPIOB_15 BO2 BIN2---------》GPIOA_12 BO1 PWMB---------》TIM1_CH2(PA9) GND GND 2号TB6612引脚分配: VM PWMA---------》TIM1_CH3(PA10) VCC AIN2---------》GPIOB_5 GND AIN1---------》GPIOB_6 AO1 STBY---------》GPIOB_7 AO2 BIN1---------》GPIOB_8 BO2 BIN2---------》GPIOA_9 BO1 PWMB---------》TIM1_CH4(PA11) GND GND 真值表 AIN1 0 1 0 1 AIN2 0 0 1 1 BIN1 0 1 0 1 BIN2 0 0 1 1 停止 正转 反转 刹车 电机所用到的定时器配置 //初始化TIMX,设置TIMx的ARR,PSC //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 //定时器选择TIM1 static void TB6612_ADVANCE_TIM1_Mode_Config(TIM_TypeDef* TIMx,uint16_t arr,uint16_t psc,uint16_t duty) { //-----------------时基结构体初始化-------------------------/ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeStructure; /*开启定时器1时钟,即内部时钟CK_INT=72M*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE); TIM_DeInit(TIMx); /*内部时钟作为计数器时钟,72MHZ*/ TIM_InternalClockConfig(TIMx); /*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*/ TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr; /*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*/ TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1; /*设置时钟分割,TIM_CKD_DIV1=0,PWM波不延时*/ TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; /*向上计数模式*/ TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /*重复计数器*/ TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0; /*初始化定时器*/ TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure); /*使能ARR预装载寄存器(影子寄存器)*/ TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE); //-----------------输出比较结构体初始化-----------------------/ TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*PWM模式设置,设置为PWM模式1*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; /*PWM输出使能相应的IO口输出信号*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; /*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)。*/ TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty; /*输出通道电平极性设置*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; /*初始化输出比较参数*/ TIM_OC1Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道1 TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道2 TIM_OC3Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道3 TIM_OC4Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);//初始化TIM1 通道4 /*自动重装载*/ TIM_OC1PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC3PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); TIM_OC4PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); /*使能计数器*/ TIM_Cmd(TIMx,ENABLE); /*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。*/ TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE); } //高级定时器输出通道初始化函数 static void TB6612_ADVANCE_TIM_Gpio_Config() { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; /*----------通道1配置--------------*/ /*定时器1输出比较通道*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); /*配置为复用推挽输出*/ GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); /*-----------通道二配置-------------*/ /*定时器1输出比较通道*/ /*配置为复用推挽输出*/ GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); /*-----------通道三配置-------------*/ /*定时器1输出比较通道*/ /*配置为复用推挽输出*/ GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); /*-----------通道四配置-------------*/ /*定时器1输出比较通道*/ /*配置为复用推挽输出*/ GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); } 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)。 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。 超声波重要代码(可参考) /* 获取接收到的高电平的时间(us*/ uint32_t Get_HC_SR04_Time(void) { uint32_t t=0; t=Acoustic_Distance_Count*1000;//us t+=TIM_GetCounter(TIM2);//获取us TIM2-》CNT =0; Acoustic_Distance_Count=0; Systic_Delay_us(100); return t; } /*获取距离*/ void Get_HC_SR04_Distance(void) { static uint16_t count=0; switch(count) { case 1: { GPIO_SetBits(Acoustic_Port,HC_SR04_Trig);//Trig发送一个大于10us的高电平 }break; case 15: { count=0; GPIO_ResetBits(Acoustic_Port,HC_SR04_Trig); while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==0);//当Echo为0时打开定时器 计时 Open_Tim2(); while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==1);//当Echo为0时打开定时器 计时 Close_Tim2(); HC_SR04_Distance=(float)(Get_HC_SR04_Time()/5.78); }break; default:break; } count++; } 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。 舵机重要代码(可参考) /**PWM引脚初始化*/ static void SERVO_Gpio_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; /*----------通道2配置--------------*/ /*定时器3输出比较通道*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); /*配置为复用推挽输出*/ GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_7; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); } //定时器3初始化,设置TIMx的ARR,PSC //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 static void SERVO_TIM_Config(TIM_TypeDef* TIMx,uint16_t arr,uint16_t psc,uint16_t duty) { //-----------------时基结构体初始化-------------------------/ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeStructure; /*开启定时器3时钟,即内部时钟CK_INT=72M*/ RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); TIM_DeInit(TIMx); /*内部时钟作为计数器时钟,72MHZ*/ TIM_InternalClockConfig(TIMx); /*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*/ 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 /*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*/ TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1;;//1400 //即定时器的频率为5KHZ /*设置时钟分割,TIM_CKD_DIV1=0,PWM波不延时*/ TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; /*向上计数模式*/ TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /*重复计数器*/ TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0; /*初始化定时器*/ TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure); /*使能ARR预装载寄存器(影子寄存器)*/ TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE); //-----------------输出比较结构体初始化 开始-----------------------/ TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*PWM模式设置,设置为PWM模式1*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; /*PWM输出使能相应的IO口输出信号*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; /*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)。*/ TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty; //占空比大小 /*输出通道电平极性设置*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; /*初始化输出比较参数*/ TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure); //-----------------输出比较结构体初始化 结束-----------------------/ /*自动重装载*/ TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable); /*使能计数器*/ TIM_Cmd(TIMx,ENABLE); /*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。*/ TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE); } /*舵机PWM初始化 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 2.1ms turn_left=150 0.8ms turn_right=25 1.3ms turn_front=75 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%. */ void SERVO_Init(void) { SERVO_Gpio_Init(); SERVO_TIM_Config(TIM3,1000,1440,turn_front); /** 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 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: 1/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 为:1/CK_CNT*ARR=20ms。 PWM 信号的频率 f = TIM_CLK/{(ARR+1)*(PSC+1)} TIM_CLK=72MHZ = 72 000 000/(1000*1440)=5KHZ */ } /*舵机角度控制*/ void SERVO_Angle_Control(uint16_t Compare2) { TIM_SetCompare2(TIM3,Compare2); } 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。 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。 |
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