《來實(shí)戰(zhàn)》第1期：多功能智能小車開源項(xiàng)目

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廣大的工程師及電子愛好者朋友們，大家好！

在我們“來實(shí)戰(zhàn)”欄目上線后度過了第一個周末，相信經(jīng)過這幾天，大家更加關(guān)注我們進(jìn)度。別急，我們這是一個比較基礎(chǔ)的開源項(xiàng)目，所以我們前期準(zhǔn)備了大量的工作，爭取讓大家都搞懂。無論是沒有基礎(chǔ)的朋友還是老手，希望看了以后都有所幫助。

關(guān)于本次開源項(xiàng)目，我們計(jì)劃這樣來操作：

　　1.對標(biāo)摩爾吧中的相關(guān)主題智能小車項(xiàng)目（基于恩智浦平臺智能汽車），我們這次用基于意法半導(dǎo)體的STM32平臺來打造多功能智能小車，最終實(shí)物性能如何？基于意法半導(dǎo)體平臺的智能小車PK恩智浦智能小車，誰更勝一籌？電路城開源項(xiàng)目組現(xiàn)在開始就通過逐步實(shí)操并最終打造出來，最后實(shí)物演示操作對比。

　　2.項(xiàng)目更新進(jìn)度：每兩天在《來實(shí)戰(zhàn)》欄目上更新設(shè)計(jì)進(jìn)度內(nèi)容，在工程沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)度的時候也可以在論壇發(fā)帖分享進(jìn)行實(shí)施困難點(diǎn)、設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)和原理講解及器件分析等。

　　3.建立對應(yīng)項(xiàng)目討論群。利用現(xiàn)有已建立的技術(shù)Q群資源，我們在做每一個不同主題方向的項(xiàng)目時，為方便討論同時活躍Q群用戶，歡迎更多志同道合的小伙伴加進(jìn)來參加開源項(xiàng)目討論或給我們提供建議。

　　4.采購設(shè)計(jì)工具

　　（1）工具：電焊臺（刀頭、尖頭）、焊錫絲、吸錫器、助焊膏、烙鐵架子帶夾子、松香、熱熔膠槍、螺絲刀、萬用表、剪鉗、鑷子、鉗子、海綿、美工刀、元器件收納盒、手持鉆孔機(jī)等等，以后可以慢慢完善。示波器以及信號源、多功能電源。

　?。?）元器件及材料：采購電子元器件以及打板。

　　5.我們會定期舉辦開源項(xiàng)目直播交流，或制作一些項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中的小視頻，在項(xiàng)目交流群中與大家分享，感興趣的小伙伴馬上加入我們吧。

　　6.建立開源項(xiàng)目貢獻(xiàn)者名單榮譽(yù)榜，不定期在本開源項(xiàng)目頁面更新。項(xiàng)目結(jié)束后，對該開源項(xiàng)目貢獻(xiàn)突出的小伙伴，我們評選出“開源之星”給予神秘大獎獎勵。開源項(xiàng)目貢獻(xiàn)者名單會被注明在最終的開源項(xiàng)目方案中。

　　7.期待更多的志同道合的技術(shù)大咖加入我們“開源項(xiàng)目智囊團(tuán)”，出謀劃策，為開源貢獻(xiàn)自己應(yīng)有的力量。

      PS：這是一個開源項(xiàng)目，項(xiàng)目已經(jīng)被全部分享本項(xiàng)目的下載資料，供大家免費(fèi)下載。

步驟1：設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)

在該環(huán)節(jié)，我們將根據(jù)項(xiàng)目的流程，從以下四個方面來闡述我們對應(yīng)的要求和指標(biāo)：

1. 硬件系統(tǒng)（確定硬件設(shè)計(jì)思路，完成主要器件選型及相關(guān)資料查找）；

1）硬件設(shè)計(jì)思路：我們初步定下來是使用意法半導(dǎo)體的STM32F103系列?？赡苡械呐笥褧柫?，就做個小車子還用什么STM32，51單片機(jī)就能做好了，或者是向我們推薦更好的主控芯片。我們思考了很久，覺得51單片機(jī)還是太基礎(chǔ)了，市場上應(yīng)用的太少了，所以選擇比較合適的STM32單片機(jī)。

2）主要器件的選擇及性能要求

（1）內(nèi)核：ARM 32位的Cortex-M3 CPU

（2）存儲器：64K或128K的閃存程序存儲器

（3）時鐘、復(fù)位和電源管理

（4）低功耗

（5）2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

（6）DMA直接存儲器

（7）快速I/O口

（8）7個定時器

（9）9個通信接口

2. 軟件系統(tǒng)

        我們的程序編寫是一個什么樣的框架？這個也是動手寫程序之前的一個很好的問題，只有先確定框架，程序才會有條理。我們這個小車要實(shí)現(xiàn)循跡、避障、語音識別、通信、電機(jī)驅(qū)動，后面還有圖像處理等等。

        我們的遙控板和主控板不同的是重要的還有ADC的采集和數(shù)據(jù)的處理，這也是非常重要的一個知識點(diǎn)。所以程序在我們確定好硬件使用資源后，就可以制定框架進(jìn)行程序編寫了。

3.設(shè)計(jì)方案的模塊選擇

       我們的小車設(shè)計(jì)已經(jīng)到了實(shí)際階段，基本完成了初步設(shè)計(jì)，今天我們就來討論一下我們的具體方案。我們選擇的是履帶式坦克小車，原因很簡單，相比四輪小車感覺要酷一點(diǎn)。另外一點(diǎn)呢對地形要求低，可玩性大大提高。電機(jī)采用的是CGM-25-370直流減速電機(jī)。電池我們采用大容量鋰聚合物電池，INPUT：DC-12.6V，OUTPUT：10.8-12.6V.容量是3000mAh,小車的續(xù)航能力有了保證。主控板的電源管理上，我們采用了德州儀器的TPS54531。

       我們根據(jù)官方資料以及網(wǎng)友提供的設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)了DC-DC斬波電路及LDO降壓模塊LDO降壓采用了AMS1117-3.3這款常見的線性穩(wěn)壓LDO。大家可能對TPS54531不太熟悉，沒關(guān)系，不是一定要使用TPS54531，電路城還有很多DC-DC斬波電路。我們的電機(jī)驅(qū)動采用的是A4950，為什么采用A4950呢？它的優(yōu)點(diǎn)如下，主要是比L298N電機(jī)驅(qū)動起來要簡單。我們通信采用大家熟悉的NRF24L01，nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。我們采用的是E01-ML01S模塊。

       整個設(shè)計(jì)過程中其實(shí)就是在思考著幾點(diǎn)：第一點(diǎn)追求性價比，哪個參數(shù)好、便宜；第二點(diǎn)哪個應(yīng)用簡單，降低設(shè)計(jì)開發(fā)難度；第三點(diǎn)哪種方案更方便大家接受，最好是資料充足的，利于自行學(xué)習(xí)。最后給大家看一下我們組裝的車體，主控板也會盡快和大家見面喲！

步驟2：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)各模塊功能介紹

紅外避障模塊主要有一對紅外對管以及電壓比較器LM393構(gòu)成，原理如上圖所示。

     （1）紅外模塊：該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍 2～30cm，工作電壓為 3.3V-5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場合。

       我們給它上電，電源指示燈亮起，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)障礙物時，輸出指示燈亮起，說明輸出信號電平已經(jīng)被拉低。這里測試一定要用白色障礙物，黑色探測距離最小,白色最大。如果是黑色障礙物，基本上是檢測不到障礙物的存在，所以根據(jù)這個我們也可以使用該模塊進(jìn)行循跡操作。當(dāng)模塊對準(zhǔn)黑線時，輸出電平?jīng)]有被拉低。當(dāng)模塊偏離黑線的時候，輸出指示燈亮，電平被拉低。由此我們可以驗(yàn)證該模塊應(yīng)用于循跡是可以的。但是單模塊還是沒有辦法很好的執(zhí)行循跡，容易偏離丟失，推薦使用兩個或者多個模塊共同用于循跡。假設(shè)兩對紅外對管放在車頭，對管A檢測到是黑線，電平不改變；對管B檢測到非黑線，電平被拉低，這個時候車輛便要往A方向單位移動，這樣就可以較好的實(shí)現(xiàn)循跡。使用四路的話呢，有兩路可以用來防碰撞、防跌落或者避障。

       這種紅外對管模塊用來避障有一個缺點(diǎn)，那便是距離太短，有效距離范圍 2～30cm。后面會給大家介紹到超聲波模塊，探測距離會長一點(diǎn)，可用于避障也可用于測距。

     （2）語音模塊：LD3320芯片是一款“語音識別”專用芯片，基于ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該芯片集成了語音識別處理器和部分外設(shè)電路，包括麥克風(fēng)接口、AD、DA轉(zhuǎn)換器、聲音輸出接口等。本芯片高效與節(jié)能，不需要外接任何如Flash、RAM等的存儲芯片，直接集成在功能所需的器件即可以實(shí)現(xiàn)語音識別／聲控／人機(jī)對話功能。另外，可以任意動態(tài)編輯識別的關(guān)鍵詞語列表。首先我們根據(jù)資料掌握該模塊串口接收使用功能，這里設(shè)置要傳輸?shù)淖止?jié)，比如我們發(fā)送AA BB CC DD。這里總共是13個字節(jié)，其中可用字節(jié)是10個，后面必須有FF FF FF做結(jié)束標(biāo)志。通過語音觸發(fā)以后，就開始向串口發(fā)送相關(guān)信息。使用USB轉(zhuǎn)TTL模塊連接電腦，打開串口調(diào)試器，做出相應(yīng)語音控制，便能將對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至串口調(diào)試工具。我們可以看到，電腦串口調(diào)試工具成功接收到了語音識別模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果該模塊連接的是小車主控板，那么就可以通過串口將所要傳輸?shù)淖止?jié)發(fā)送給主控板，主控板會經(jīng)過處理作出相應(yīng)動作。所以該模塊用于簡單語音控制是非常便利的，我們可以通過語音來控制小車的簡單動作，比如：前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)圈以及轉(zhuǎn)彎。

        那么，同理，在我們小車實(shí)現(xiàn)某些動作后也可以將定義好的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至語音處理模塊，播放相應(yīng)提示詞。所以由于這個模塊的使用大大方便了我們控制，但是這個并算不上真正意義上的語音控制，沒有學(xué)習(xí)功能，沒有數(shù)據(jù)庫，我想這只能算作人工制杖了。

步驟3：軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)各模塊功能介紹

     （1） PWM輸出測試：在我們硬件通過測試后就要進(jìn)行程序的編寫了，通過定時器來進(jìn)行PWM輸出。前面也有跟大家提到過，STM32F103CBT6有7個定時器。這3個16位的定時器，每個定時器有多達(dá)4個可做PWM輸出的通道，所以最多可以有12路PWM輸出。前面也有跟大家介紹A4950，可以控制1個電機(jī)正反轉(zhuǎn)，需要2個PWM引腳。（如果不需要反轉(zhuǎn)，只需要1個PWM引腳。）使用比L298簡單的多，程序編寫也比較方便。配置管腳參數(shù)，輸出比較通道的初始化，定時器的初始化。時間基數(shù)單位設(shè)置：TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period這個是設(shè)置計(jì)數(shù)終止值，假設(shè)是7200-1，則在7200個頻率后產(chǎn)生一個更新和中斷。TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler簡單說就是從0開始計(jì)數(shù)。TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode簡單說就是設(shè)置計(jì)數(shù)方式，定時器分為向上、向下、中心對齊三種計(jì)數(shù)方式。經(jīng)過我們上述步驟后就能產(chǎn)生pwm輸出了，因?yàn)槲覀円M(jìn)行電機(jī)控制，所以還需要一個pwm輸出控制函數(shù)，來調(diào)節(jié)pwm輸出。如：這樣其實(shí)就相當(dāng)電機(jī)控制的接口函數(shù)做出來了，通過我們這個函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)完美電機(jī)控制，經(jīng)過測試是可用的。注意，這里我們只使用了TIM2的通道1和通道2；TIM3的通道3和通道4。這個地方有點(diǎn)不明白的同學(xué)可以去看一看A4950的控制方式。

     （2）程序編寫及清單：通過幾天的測試程序編寫，可以實(shí)現(xiàn)對小車的遙控控制。通過NRF24L01實(shí)現(xiàn)遙控控制，可控制前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。原理就是遙控ADC采集搖桿電位器的電壓通過處理再傳給主控板實(shí)現(xiàn)對兩個電機(jī)的控制。這個控制的難點(diǎn)其實(shí)就是PWM輸出的程序的編寫，因?yàn)锳4950模塊通過脈寬調(diào)制(PWM)控制兩個直流電動機(jī)，輸入端通過應(yīng)用外部 PWM 控制信號以控制直流電動機(jī)的速度與方向。內(nèi)部同步整流控制電路用來降低脈寬調(diào)制 (PWM) 操作時的功率消耗。其次呢就是NRF24L01無線通信程序的編寫，但是網(wǎng)上有很多例程，所以相對來說還比較好解決一點(diǎn)。前面那個控制A4950驅(qū)動的程序例程比較少，需要自己摸索。

步驟4：實(shí)物測試及項(xiàng)目總結(jié)

1.焊接（待元器件集齊，打板完成，進(jìn)行焊接以及相關(guān)結(jié)構(gòu)制作，模型安裝等）；

　2.軟件調(diào)試；

　3.硬件調(diào)試（結(jié)合軟硬件調(diào)試，完成程序修改，確保功能實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證硬件部分沒有問題）；

　4.設(shè)計(jì)結(jié)果分析（測試功能、驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)，有什么不足以及改正，對做的不好的地方留時間補(bǔ)救）；

    5.測試過程（完整測試的發(fā)表，實(shí)測）；

    6.項(xiàng)目總結(jié)

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