基于STM32F103RCT6的電腦鼠控制系統(tǒng)方案解析

1 電腦鼠工作原理

電腦鼠周圍安裝六組紅外傳感器，分別感知左方、左前方、前方、右前方、右方，發(fā)射端發(fā)射一定頻率的紅外線，接收端通過六個(gè)方向的反射波來判斷是否有障礙物，實(shí)時(shí)地儲(chǔ)存單元格的資料，通過六組紅外傳感器反饋的迷宮信息，控制電腦鼠完成避障、轉(zhuǎn)彎、加速等動(dòng)作，運(yùn)用智能算法對(duì)迷宮的部分單元格或全部單元格進(jìn)行遍歷，并將迷宮的信息以有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，微控制器根據(jù)這些記錄信息運(yùn)用迷宮高效算法找到一條最優(yōu)化路徑，從而實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最大化沖刺。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

為完成迷宮探測(cè)和沖刺任務(wù)，電腦鼠需具備以下各功能模塊：ARM微處理器作為控制核心協(xié)調(diào)各功能模塊正常工作;電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)時(shí)控制電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng);紅外檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)紅外線探測(cè)感知;電源為整個(gè)系統(tǒng)供電穩(wěn)定電壓，陀螺儀及指南針模塊確定電腦鼠方位，根據(jù)走過的距離，從而解析出所在坐標(biāo)。硬件組成如圖1所示。

2.1 電源模塊

電源調(diào)節(jié)器件通常使用線性穩(wěn)壓器件(如LM7805)，具有輸出電壓可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其線性調(diào)整工作方式在工作有較大的“熱損耗”，導(dǎo)致電源利用率不高、滿足不了便攜低功耗需求。開關(guān)電源調(diào)節(jié)器，不同于線性穩(wěn)壓器件，以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間，有效的減少工作中的“熱損耗”，提高了電源利用率。本設(shè)計(jì)中電源模塊為系統(tǒng)提供三種不同的電壓，12V電源用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用開關(guān)式電源LM2596將12V直流電壓降到5V給紅外模塊、人機(jī)交互模塊供電，再通過AMS1117將5V降到3.3V，供ARM處理器及其他模塊使用。

2.2 微處理器模塊

微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它完成從紅外檢測(cè)模塊獲取路徑信息，采集瞬時(shí)速度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制算法運(yùn)算，輸出實(shí)時(shí)控制量等功能。為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和易擴(kuò)展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的“增強(qiáng)型”系列STFM32F103RCT6，STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Correx-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN，在存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度方面滿足要求。

2.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

為提高系統(tǒng)功率、降低功耗，驅(qū)動(dòng)電路采用基于脈寬調(diào)制方式的集成電路芯片L298N。比較常見的是15腳Muliwart封裝的L298N，內(nèi)部包含四通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)和控制兩個(gè)直流電機(jī)，芯片采用供給電機(jī)電源和邏輯電平電源的雙電源供電，可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)46V，2A以下的電機(jī)，并可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。其中ENA、ENB是控制使能端，IN1、IN 2、IN3、IN4是控制電平輸入端，電路如圖2所示。本設(shè)計(jì)中采用空心杯直流電機(jī)，它具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性，最大效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90%以上;起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快;其重量、體積相對(duì)減少1/3-1/2，通過PWM調(diào)節(jié)脈沖占空比進(jìn)行調(diào)速。

2.4 紅外檢測(cè)模塊

紅外檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)迷宮環(huán)境監(jiān)測(cè)和處理。紅外線經(jīng)調(diào)制后由發(fā)射管發(fā)出，接收管接收迷宮墻壁反射光，根據(jù)接收反射信號(hào)強(qiáng)弱來判斷與隔墻的距離。本系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)紅外檢測(cè)方法做如下特點(diǎn)：

(1)紅外傳感器由原來的5組增加到6組。除了正前、正左、正右以及正前方兩個(gè)45度斜角外，正前方增加1組紅外傳感器，通過正前方兩組傳感器信息的融合實(shí)現(xiàn)路口45度斜走，相對(duì)于以往的90度直角調(diào)整，節(jié)約了時(shí)間，提高了效率。

(2)采用基于雙T選頻網(wǎng)絡(luò)的放大器設(shè)計(jì)，紅外傳感器根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)電腦鼠與障礙物之間的測(cè)距。以往使用的是一體化紅外接收傳感器(如IRM8601S)，其接收頭內(nèi)部集成自動(dòng)增益控制電路、帶通濾波電路、解碼電路及輸出驅(qū)動(dòng)電路，但由于檢測(cè)信號(hào)輸出的是數(shù)字信號(hào)，只能判斷有或無障礙物，不能根據(jù)檢測(cè)信號(hào)輸出的強(qiáng)度計(jì)算距離。本設(shè)計(jì)中采用基于雙T選頻網(wǎng)絡(luò)和TLC084組成的選頻放大設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)頻率不同增益不同，對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大處理，濾除或抑制無用信號(hào)。

(3)發(fā)射三種頻率調(diào)制波，減少信號(hào)之間的干擾。6組傳感器分為三組，正左和正右兩組傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)電腦鼠是否走在中線上，以便及時(shí)做出姿勢(shì)校正;左前方和右前方兩組傳感器主要檢查前方是否有路口;前方兩組傳感器配合電機(jī)，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)45度轉(zhuǎn)彎。紅外光發(fā)射頻率越高，傳播距離相對(duì)越遠(yuǎn)，在本設(shè)計(jì)中由于迷宮墻壁之間距離16.8cm(單元格18cm.墻壁厚度1.2cm)，而電腦鼠的寬度一般為10cm左右，車體距兩邊墻體的距離只有3cm左右，所以正左方和正右方發(fā)射頻率選擇為33kHz，左前方和右前方發(fā)射35kHz，正前方距離最遠(yuǎn)，發(fā)射頻率為38kHz。具體如圖3所示。