話不多說先來看視頻
處理器電路設計
單片機是基于系統的CPU，是聲波系統穩定、正常運行的避障重要前提，以下為單片機選型的兩種方案：
（1）傳統的8位單片機，是通過超大規模集成電路對其進行集成為一個獨立芯片的控制器。內部組件包括CPU、隨機存儲器、只讀存儲器、I/O接口、中斷系統、計時器、串口通訊、數模轉換等。STC89C52單片機是最常見的51單片機，但是資源較少，精確度低，處理速度相比STM32單片機差很多。
（2）使用目前市面上最常見的STM32單片機，STM32系列單片機可分為ARMCortex-M3內核體系結構的不同應用領域。它可分為STM32F1系列和STM32F4系列，STM32F1系列單片機時鐘頻率最高可達72米，在同一產品中性能最好。單片機的基本處理速度為36米，16位單片機的性能也很好。微晶片的內建快閃記憶體相當大，范圍從32kb到512kb，可視需要選擇。單個設備的功耗非常低，僅360mA，32位單片機產品的功耗最低，每兆赫只有0.5安培。特別值得一提的是，內接單晶片匯流排是一種Harvard架構，可執行速度高達1.25 DMIPS/MHz的指令。此芯片越來越多地被用作主要控制器。
?? 通過對單片機的資源和處理時間的速度我們采用選擇STM32103C8T6為本系統主控芯片，程序下載是只需要一個JLINK就可以輕松完成。控制器模塊電路如下所示：
電源模塊設計
本設計采用鋰電池供電, 模塊的供電電壓一般都為5V，同時超聲波模塊需要較大的電流才能正常工作，所以在降壓的基礎上也要保證足夠大的輸出電流。本設計采用可調輸出版本，模塊的輸入電壓范圍廣，輸出電壓在1.25V-35V內可調，電壓轉換效率高，輸出紋波小。降壓電路如下所示：
電機驅動模塊設計
要完成轉向是能夠利用單片機實現的，然而單片機I0的帶負載能力弱，因此我們選擇了大功率放大器件TB6612FNG。TB6612FNG是采用MOSFET-H橋結構的雙通道大電流電路輸出，可以控制2個電機的驅動。相比普通的電機驅動，外圍電路非常簡單，只需要一個芯片和一個鉭電容進行PWM輸出濾波，系統尺寸小。PWM信號輸入頻率范圍廣，輕松滿足本設計的需求。 ? ?
電機驅動引腳表
1控制芯片:TB6612
2控制芯片數量:2
3????1號TB6612引腳分配：
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號TB6612引腳分配：
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??正轉??反轉??剎車
電機所用到的定時器配置
1//初始化TIMX,設置TIMx的ARR,PSC
2//arr：自動重裝載初值，psc為預分頻值，兩者配合控制定時器時鐘的周期
3//定時器選擇TIM1
4static?void?TB6612_ADVANCE_TIM1_Mode_Config(TIM_TypeDef*?TIMx,uint16_t?arr,uint16_t?psc,uint16_t?duty)
5{
6????//-----------------時基結構體初始化-------------------------/
7????TIM_TimeBaseInitTypeDef?TIM_TimeStructure;
8????/*開啟定時器1時鐘，即內部時鐘CK_INT=72M*/
9????RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);
10????TIM_DeInit(TIMx);
11????/*內部時鐘作為計數器時鐘，72MHZ*/
12????TIM_InternalClockConfig(TIMx);
13????/*自動重裝載寄存器的值，累計TIM_Period+1個頻率后產生一個更新或者中斷*/
14????TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr;
15????/*時鐘預分頻系數為71，則驅動計數器的時鐘CK_CNT=CK_INT/(71+1)=1MHZ*/
16????TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1;
17????/*設置時鐘分割，TIM_CKD_DIV1=0，PWM波不延時*/
18????TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
19????/*向上計數模式*/
20????TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
21????/*重復計數器*/
22????TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
23????/*初始化定時器*/
24????TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure);
25????/*使能ARR預裝載寄存器(影子寄存器)*/
26????TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE);
27????//-----------------輸出比較結構體初始化-----------------------/
28????TIM_OCInitTypeDef???TIM_OCInitStructure;
29????/*PWM模式設置，設置為PWM模式1*/
30????TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;
31????/*PWM輸出使能相應的IO口輸出信號*/
32????TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;
33????/*設置占空比大小,CCR1[15:0]:?捕獲/比較通道1的值,若CC1通道配置為輸出：CCR1包含了裝入當前捕獲/比較1寄存器的值(預裝載值)。*/
34????TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty;
35????/*輸出通道電平極性設置*/
36????TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;
37????/*初始化輸出比較參數*/
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????/*自動重裝載*/
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????/*使能計數器*/
48????TIM_Cmd(TIMx,ENABLE);
49????/*主輸出使能,如果設置了相應的使能位(TIMx_CCER寄存器的CCxE、CCxNE位)，則開啟OC和OCN輸出。*/
50????TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE);????
51}
52//高級定時器輸出通道初始化函數
53static?void?TB6612_ADVANCE_TIM_Gpio_Config()
54{
55????GPIO_InitTypeDef??GPIO_InitStruct;
56????/*----------通道1配置--------------*/
57????/*定時器1輸出比較通道*/
58????RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
59????/*配置為復用推挽輸出*/
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????/*定時器1輸出比較通道*/
66????/*配置為復用推挽輸出*/
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????/*定時器1輸出比較通道*/
73????/*配置為復用推挽輸出*/
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????/*定時器1輸出比較通道*/
80????/*配置為復用推挽輸出*/
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}
超聲波模塊
采用HC-SR04超聲波模塊，該芯片具有較高的集成度以及良好的穩定性，測度距離十分精確，十分穩定。供電電壓為DC5V供電電流小于10mA，探測距離為0.010m-3.5m一共有四個引腳VCC(DC5V)、Triger（發射端）、Echo（接收端）、GND（地）。HC-SR04實物圖如下：
該模塊是利用單片機的IO觸發電平測距，單片機內部利用普通定時器產生一個高電平信號之后，超聲波就可以自主發送頻率為40khz的方波，然后等待信號的返回；若有信號返回，單片機IO口就立刻輸出一高電平，利用高電平產生的時間可以計算小車與障礙物的距離。最終距離就是高電平持續時間乘以聲音在空氣中傳播的速度再除以2，可以反復測量距離。
? 在程序開始首先初始化超聲波，利用定時器并設置時基的自動重裝載初值1000，psc為預分頻值72，這樣的話我們產生一次中斷的時間是1ms，并設置搶占優先級0，子優先級3。HC_SR04_Echo引腳接收到高電平，打開定時器，且每1ms進入一次中斷。在測量時首先讓Trig發送一個大于10us的高電平，然后拉高HC_SR04_Trig，當Echo為0時打開定時器計時，當Echo為1時關閉定時器，通過公式計算距離。
模塊工作原理：
(1)單片機觸發引腳，輸出高電平信號；
(2)模塊發送端自動發送特定頻率的方波；
(3)如果有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波的發射時長；
(4)測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。
注意：在硬件操作上需要首先讓模塊地端先連接，否則會影響模塊工作。測距時，被測物體的擺放不能太過于雜亂，否則會影響測試結果。
超聲波重要代碼（可參考）
1/*?獲取接收到的高電平的時間（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);//獲取us
7????TIM2->CNT?=0;
8????Acoustic_Distance_Count=0;
9????Systic_Delay_us(100);
10????return?t;
11}
12/*獲取距離*/
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發送一個大于10us的高電平
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);//當Echo為0時打開定時器?計時
28????????????Open_Tim2();
29????????????while(GPIO_ReadInputDataBit(Acoustic_Port,HC_SR04_Echo)==1);//當Echo為0時打開定時器?計時
30????????????Close_Tim2();
31????????????HC_SR04_Distance=(float)(Get_HC_SR04_Time()/5.78);
32
33????????}break;
34????????default:break;
35????}
36????count++;
37}
舵機模塊???
本系統使用的是SG90型號的舵機，舵機是一種常見的角度驅動器，本系統需要判斷不同位置的障礙物可以且對轉向的力度小。舵機可以理解為方向盤稱，方向盤是一個常見的名字。它實際上是一個伺服馬達。舵機實物圖如下：
舵機模塊接口簡單，舵機模塊只有三個引腳。分別引引出了三根線左右兩邊是電源正負接口線，中間一根是PWM信號線直接連接單片機的控制引腳。通過控制單片機的引腳輸出的脈沖寬度進而控制舵機旋轉的角度。舵機每增加0.1ms 舵機對應增加9度。
0.5ms---------0
1.0ms---------45 ?
1.5ms---------90
2.0ms---------135
2.5ms-----------180
?? 20ms的時基脈沖，如果想讓舵機轉90度，就應該發生一個高電平持續時間為1.5ms，周期為20ms的方波，duty=1.5/20=7.5%。在這里設置定時器自動重裝載寄存器arr的值為1000，所以當占空比為百分之75是，在程序中就要設置占空比為75/1000=7.5%， 這就是具體的算法。
舵機重要代碼（可參考）
1/**PWM引腳初始化*/
2static?void?SERVO_Gpio_Init(void)
3{
4????GPIO_InitTypeDef??GPIO_InitStruct;
5????/*----------通道2配置--------------*/
6????/*定時器3輸出比較通道*/
7????RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
8????/*配置為復用推挽輸出*/
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//定時器3初始化，設置TIMx的ARR,PSC
15//arr：自動重裝載初值，psc為預分頻值，兩者配合控制定時器時鐘的周期
16static?void?SERVO_TIM_Config(TIM_TypeDef*?TIMx,uint16_t?arr,uint16_t?psc,uint16_t?duty)
17{
18????//-----------------時基結構體初始化-------------------------/
19????TIM_TimeBaseInitTypeDef?TIM_TimeStructure;
20????/*開啟定時器3時鐘，即內部時鐘CK_INT=72M*/
21????RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
22????TIM_DeInit(TIMx);
23????/*內部時鐘作為計數器時鐘，72MHZ*/
24????TIM_InternalClockConfig(TIMx);
25????/*自動重裝載寄存器的值，累計TIM_Period+1個頻率后產生一個更新或者中斷*/
26????TIM_TimeStructure.TIM_Period=arr;//1000?當定時器從0計數到999，即1000次，為一個定時周期
27????/*時鐘預分頻系數為71，則驅動計數器的時鐘CK_CNT=CK_INT/(1440-1+1)=0.05MHZ*/
28????TIM_TimeStructure.TIM_Prescaler=psc-1;;//1400??//即定時器的頻率為5KHZ???
29????/*設置時鐘分割，TIM_CKD_DIV1=0，PWM波不延時*/
30????TIM_TimeStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
31????/*向上計數模式*/
32????TIM_TimeStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
33????/*重復計數器*/
34????TIM_TimeStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
35????????/*初始化定時器*/
36????TIM_TimeBaseInit(TIMx,&TIM_TimeStructure);
37????/*使能ARR預裝載寄存器(影子寄存器)*/
38????TIM_ARRPreloadConfig(TIMx,ENABLE);
39????//-----------------輸出比較結構體初始化?開始-----------------------/
40????TIM_OCInitTypeDef???TIM_OCInitStructure;
41????/*PWM模式設置，設置為PWM模式1*/
42????TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;
43????/*PWM輸出使能相應的IO口輸出信號*/
44????TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;
45????/*設置占空比大小,CCR1[15:0]:?捕獲/比較通道1的值,若CC1通道配置為輸出：CCR1包含了裝入當前捕獲/比較1寄存器的值(預裝載值)。*/
46????TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=duty;???//占空比大小
47????/*輸出通道電平極性設置*/
48????TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;
49????/*初始化輸出比較參數*/
50????TIM_OC2Init(TIMx,&TIM_OCInitStructure);
51????//-----------------輸出比較結構體初始化?結束-----------------------/????
52????/*自動重裝載*/
53????TIM_OC2PreloadConfig(TIMx,TIM_OCPreload_Enable);
54????/*使能計數器*/
55????TIM_Cmd(TIMx,ENABLE);
56????/*主輸出使能,如果設置了相應的使能位(TIMx_CCER寄存器的CCxE、CCxNE位)，則開啟OC和OCN輸出。*/
57????TIM_CtrlPWMOutputs(TIMx,ENABLE);????
58}
59/*舵機PWM初始化
60???每增加0.1ms?舵機對應增加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的時基脈沖，如果想讓舵機轉90度，就應該發生一個高電平為1.5ms，周期為20ms的方波，duty=1.5/20=7.5%?,而定時器自動重裝載寄存器arr的值為?1000?，所以duty=75，時占空比為75/1000=7.5%.?
70*/
71void?SERVO_Init(void)
72{
73????SERVO_Gpio_Init();
74????SERVO_TIM_Config(TIM3,1000,1440,turn_front);
75/**?我們把定時器設置自動重裝載寄存器?arr?的值為?1000，設置時鐘預分頻器為?1440，則
76驅動計數器的時鐘：CK_CNT = CK_INT /?(1440-1+1)=0.05M，則計數器計數一次的時間等于：
771/CK_CNT=20us，當計數器計數到?ARR?的值?1000?時，產生一次中斷，則中斷一次的時間
78為：1/CK_CNT*ARR=20ms。
79PWM?信號的頻率?f?=?TIM_CLK/{ (ARR+1)*(PSC+1)}??TIM_CLK=72MHZ
80???????????????=?72?000?000/(1000*1440)=5KHZ????
81*/????
82}
83/*舵機角度控制*/
84void?SERVO_Angle_Control(uint16_t?Compare2)
85{
86????TIM_SetCompare2(TIM3,Compare2);
87}
編碼器模塊
調節小車前進的速度和避障快慢我們采用EC11旋轉式編碼器，可以用于光度、濕度、音量調節等參數的調節。EC11編碼器的形狀類似于電位器，中心有一個旋鈕可以調節PWM信號，光電碼盤利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖。EC11編碼器的實物圖如下：
OLED顯示模塊
用來顯示小車轉速，以及左右編碼器數值和電池電壓等參數所用的是OLED顯示模塊，分辨率較高，而且功耗低，正常顯示時僅0.06W，供電電壓范圍在3.3V-5V，有IIC和SPI兩種通信協議可供選擇。顯示模塊的亮度和對比度可以通過程序設置。由于它使用壽命長以及其他的優點，OLED更加適合小系統，本系統由于單片機引腳有限，不適合利用簡單的LCD1602或者12864來顯示，在多方對比之下OLED效果更好。OLED顯示部分相對比較簡單，大家參考中景園的例程就可以實現。
END
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