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嵌入式C语言高级教程：基于STM32实现智能小车控制系统_基于stm32单片机的智能小车设计

作者：weixin_40725706 | 2024-08-02 09:31:47

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基于stm32单片机的智能小车设计

目录

  1. 文章主题
  2. 环境准备
  3. 智能小车控制系统基础
  4. 代码示例：实现智能小车控制系统
  5. 应用场景：机器人学习与自动驾驶
  6. 问题解决方案与优化

1. 文章主题

文章主题

本教程将详细介绍如何在STM32嵌入式系统中使用C语言实现智能小车控制系统，包括如何通过STM32控制电机、读取传感器数据并实现小车自动导航。本文包括环境准备、基础知识、代码示例、应用场景及问题解决方案和优化方法。

2. 环境准备

硬件

  • 开发板：STM32F103C8T6或STM32F407 Discovery Kit
  • 调试器：ST-LINK V2或JTAG调试器
  • 电机驱动模块：L298N或TB6612FNG
  • 直流电机：4个带轮子的直流电机
  • 超声波传感器：如HC-SR04
  • 红外避障传感器：如TCRT5000
  • 电源：7.4V或11.1V锂电池
  • 蓝牙模块：如HC-05

软件

  • 集成开发环境（IDE）：STM32CubeIDE或Keil MDK
  • 调试工具：STM32 ST-LINK Utility或GDB
  • 库和中间件：STM32 HAL库，FreeRTOS（可选）

安装步骤示例

  1. 下载并安装 STM32CubeMX
  2. 下载并安装 STM32CubeIDE
  3. 配置STM32CubeMX项目并生成STM32CubeIDE项目
  4. 安装必要的库和驱动程序

3. 智能小车控制系统基础

控制系统架构

智能小车控制系统通常由多个子系统组成，包括：

  • 驱动系统：控制电机和轮子的运动
  • 传感器系统：用于检测障碍物、测量距离等
  • 通信系统：用于与控制设备（如手机）进行无线通信
  • 自动化控制系统：根据传感器数据和用户命令自动控制小车

电机控制

通过PWM信号可以控制电机的速度和方向，这是实现小车运动的基础。

传感器数据处理

通过超声波传感器和红外避障传感器可以实现小车的障碍物检测和避障功能。

4. 代码示例：实现智能小车控制系统

电机控制示例

以下是如何通过PWM信号控制电机的示例代码：

  1. #include "stm32f4xx_hal.h"
  2.  
  3. #define MOTOR_PWM_PIN GPIO_PIN_6
  4. #define MOTOR_GPIO_PORT GPIOB
  5.  
  6. TIM_HandleTypeDef htim3;
  7.  
  8. void Motor_Init(void) {
  9.     __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  10.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  11.     GPIO_InitStruct.Pin = MOTOR_PWM_PIN;
  12.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  13.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  14.     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  15.     GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;
  16.     HAL_GPIO_Init(MOTOR_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  17.     
  18.     __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
  19.     TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  20.     TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  21.     TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
  22.  
  23.     htim3.Instance = TIM3;
  24.     htim3.Init.Prescaler = 83;
  25.     htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  26.     htim3.Init.Period = 999;
  27.     htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  28.     htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  29.     HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
  30.     sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  31.     HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);
  32.     HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
  33.     sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  34.     sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  35.     HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);
  36.     sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  37.     sConfigOC.Pulse = 0;
  38.     sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  39.     sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  40.     HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
  41.     HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
  42. }
  43.  
  44. void Motor_SetSpeed(uint16_t speed) {
  45.     __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, speed);
  46. }
  47.  
  48. int main(void) {
  49.     HAL_Init();
  50.     Motor_Init();
  51.  
  52.     while (1) {
  53.         Motor_SetSpeed(500);  // 设置电机速度为50%
  54.         HAL_Delay(2000);
  55.         Motor_SetSpeed(0);  // 停止电机
  56.         HAL_Delay(2000);
  57.     }
  58. }

超声波传感器数据读取示例

以下是如何读取超声波传感器（如HC-SR04）的示例代码

  1. #include "stm32f4xx_hal.h"
  2.  
  3. #define TRIG_PIN GPIO_PIN_9
  4. #define ECHO_PIN GPIO_PIN_8
  5. #define GPIO_PORT GPIOB
  6.  
  7. void Ultrasonic_Init(void) {
  8.     __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  9.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  10.     
  11.     GPIO_InitStruct.Pin = TRIG_PIN;
  12.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  13.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  14.     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  15.     HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  16.     
  17.     GPIO_InitStruct.Pin = ECHO_PIN;
  18.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  19.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  20.     HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  21. }
  22.  
  23. uint32_t Ultrasonic_Read(void) {
  24.     uint32_t time = 0;
  25.     HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
  26.     HAL_Delay(10);
  27.     HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
  28.     
  29.     while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_RESET);
  30.     while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
  31.         time++;
  32.         HAL_Delay(1);
  33.     }
  34.     return time;
  35. }
  36.  
  37. int main(void) {
  38.     HAL_Init();
  39.     Ultrasonic_Init();
  40.     uint32_t distance;
  41.  
  42.     while (1) {
  43.         distance = Ultrasonic_Read();
  44.         HAL_Delay(500);
  45.     }
  46. }

自动化控制示例

以下是如何实现根据传感器数据自动控制小车的示例代码：

  1. #include "stm32f4xx_hal.h"
  2.  
  3. #define MOTOR_PWM_PIN GPIO_PIN_6
  4. #define MOTOR_GPIO_PORT GPIOB
  5. #define TRIG_PIN GPIO_PIN_9
  6. #define ECHO_PIN GPIO_PIN_8
  7. #define GPIO_PORT GPIOB
  8.  
  9. TIM_HandleTypeDef htim3;
  10.  
  11. void Motor_Init(void) {
  12.     __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  13.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  14.     GPIO_InitStruct.Pin = MOTOR_PWM_PIN;
  15.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  16.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  17.     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  18.     GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;
  19.     HAL_GPIO_Init(MOTOR_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  20.     
  21.     __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
  22.     TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  23.     TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  24.     TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
  25.  
  26.     htim3.Instance = TIM3;
  27.     htim3.Init.Prescaler = 83;
  28.     htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  29.     htim3.Init.Period = 999;
  30.     htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  31.     htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  32.     HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
  33.     sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  34.     HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);
  35.     HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
  36.     sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  37.     sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  38.     HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);
  39.     sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  40.     sConfigOC.Pulse = 0;
  41.     sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  42.     sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  43.     HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
  44.     HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
  45. }
  46.  
  47. void Motor_SetSpeed(uint16_t speed) {
  48.     __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, speed);
  49. }
  50.  
  51. void Ultrasonic_Init(void) {
  52.     __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  53.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  54.     
  55.     GPIO_InitStruct.Pin = TRIG_PIN;
  56.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  57.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  58.     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  59.     HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  60.     
  61.     GPIO_InitStruct.Pin = ECHO_PIN;
  62.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  63.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  64.     HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  65. }
  66.  
  67. uint32_t Ultrasonic_Read(void) {
  68.     uint32_t time = 0;
  69.     HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
  70.     HAL_Delay(10);
  71.     HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
  72.     
  73.     while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_RESET);
  74.     while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
  75.         time++;
  76.         HAL_Delay(1);
  77.     }
  78.     return time;
  79. }
  80.  
  81. int main(void) {
  82.     HAL_Init();
  83.     Motor_Init();
  84.     Ultrasonic_Init();
  85.     uint32_t distance;
  86.  
  87.     while (1) {
  88.         distance = Ultrasonic_Read();
  89.         if (distance < 50) {  // 如果距离小于50cm，停止电机
  90.             Motor_SetSpeed(0);
  91.         } else {
  92.             Motor_SetSpeed(500);  // 设置电机速度为50%
  93.         }
  94.         HAL_Delay(500);
  95.     }
  96. }

5. 应用场景：机器人学习与自动驾驶

机器人学习

智能小车控制系统可以用于机器人学习与教育，通过实际动手操作，学生可以学习嵌入式系统、传感器技术和自动控制原理。

自动驾驶

通过集成更多传感器和高级算法，智能小车控制系统可以扩展为自动驾驶汽车的简化模型，用于研究和开发自动驾驶技术。

6. 问题解决方案与优化

常见问题及解决方案

  1. 电机控制不稳定

    • 解决方案：使用PWM信号平滑控制电机速度，确保电源电压稳定。

  2. 传感器数据不准确

    • 解决方案：对传感器数据进行滤波处理，减小噪声影响。

  3. 通信不稳定

    • 解决方案：确保通信模块与STM32正确连接，使用适当的协议处理通信数据。

高级优化

路径规划与导航

通过使用A*算法或Dijkstra算法，可以实现智能小车的路径规划与导航，提高自动化程度。

  1. // 伪代码示例
  2. int AStar(int start, int goal) {
  3.     // 初始化开放列表和关闭列表
  4.     // 将起点添加到开放列表
  5.     // 当开放列表不为空时
  6.     //     选择开放列表中代价最小的节点
  7.     //     如果该节点是目标节点，返回成功
  8.     //     否则，将该节点移动到关闭列表
  9.     //     对该节点的每个邻居节点
  10.     //         如果邻居节点在关闭列表中，跳过
  11.     //         如果邻居节点不在开放列表中，添加
  12.     // 返回失败
  13. }
低功耗设计

在电池供电的智能小车系统中，低功耗设计非常重要。通过优化代码、使用低功耗模式和合适的电源管理策略，可以延长系统的工作时间。

  1. void EnterLowPowerMode(void) {
  2.     HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
  3. }
  4.  
  5. void ExitLowPowerMode(void) {
  6.     // 退出低功耗模式
  7. }

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 通过本教程，大家应该掌握了如何在STM32嵌入式系统中使用C语言实现智能小车控制系统，包括环境准备、电机控制、传感器数据读取和自动化控制的实现、应用场景及问题解决方案和优化方法。

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