基于STM32单片机的蓝牙智能小车设计方案

一、引言

智能小车作为现代嵌入式系统的一个典型应用，广泛应用于教育、科研、工业自动化和娱乐等领域。本文详细介绍了一种基于STM32单片机的蓝牙智能小车设计方案，包括硬件组装、软件设计、串口通信实现及调试过程。通过蓝牙模块实现远程控制，使小车具备前进、后退、左右转等功能。

二、主控芯片选择及其作用

1. 主控芯片型号

在本设计方案中，我们选择了STM32F103C8T6单片机作为主控芯片。STM32F103系列单片机属于STM32F1系列，是意法半导体（STMicroelectronics）生产的一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低功耗的32位微控制器。

2. 主控芯片的作用

• 高性能：STM32F103C8T6具有72MHz的时钟频率，提供强大的处理能力，能够胜任复杂的控制任务。

• 低功耗：该单片机支持多种低功耗模式，适用于需要长时间运行的智能小车系统。

• 丰富的外设：STM32F103C8T6提供了多个USART（通用同步/异步收发传输器）接口、PWM（脉宽调制）输出、ADC（模数转换器）等外设，满足智能小车对通信、电机控制和传感器数据采集的需求。

• 易于开发：STM32系列单片机拥有完善的开发工具和生态系统，包括STM32CubeMX、STM32CubeIDE等，极大地简化了开发过程。

三、硬件设计

1. 硬件组成

智能小车的硬件系统主要包括以下几个部分：

• STM32F103C8T6最小系统板：作为主控核心，负责处理各种控制指令和数据。

• L298N电机驱动模块：用于驱动小车的直流电机，实现前进、后退和转向功能。

• HC-05蓝牙模块：实现小车与手机或其他蓝牙设备的通信，用于接收远程控制指令。

• 电源模块：提供稳定的电压输出，确保各模块正常工作。

• 红外传感器（可选）：用于实现循迹功能，使小车能够沿着特定路线行驶。

• 超声波传感器（可选）：用于避障功能，检测前方障碍物并调整行驶路线。

• OLED屏幕（可选）：显示小车状态信息，如电量、速度等。

• LED灯和蜂鸣器（可选）：提供视觉和听觉反馈，增强用户体验。

2. 硬件连接

• 电机驱动模块连接：L298N电机驱动模块的两个使能端（ENA、ENB）连接到STM32F103C8T6的PWM输出引脚（如PA0），用于控制电机的转速。四个输入端（IN1、IN2、IN3、IN4）分别连接到STM32的GPIO引脚（如PA8、PA12、PA13、PA14），用于控制电机的正反转。

• 蓝牙模块连接：HC-05蓝牙模块的TXD引脚连接到STM32的USART_RX引脚（如PA3），RXD引脚连接到USART_TX引脚（如PA2），实现串口通信。

• 电源模块连接：12V锂电池通过LM2596S压降模块转换为5V和3.3V，分别供给电机驱动模块和主控芯片等。

• 传感器连接：红外传感器和超声波传感器的信号输出端连接到STM32的ADC引脚或GPIO引脚，用于采集环境信息。

四、软件设计

1. 软件开发环境

• 集成开发环境：STM32CubeIDE或Keil MDK-ARM。

• 编程语言：C语言。

• 固件库：STM32标准外设库或HAL库。

2. 软件设计思路

• 初始化：首先进行系统时钟、GPIO、USART、PWM等外设的初始化。

• 串口通信：配置USART接口，实现蓝牙模块与STM32之间的数据交互。接收蓝牙模块发送的指令，解析后控制小车的运动。

• 电机控制：通过PWM信号控制电机的转速和方向，实现小车的前进、后退和转向。

• 传感器数据处理：读取红外传感器和超声波传感器的数据，根据数据调整小车的行驶路线。

• 用户界面：通过OLED屏幕显示小车状态信息，通过LED灯和蜂鸣器提供反馈。

3. 关键代码示例

以下是一个简单的串口通信和电机控制的代码示例：

#include "stm32f10x.h"  

#include "motor.h"  



// 电机控制相关定义  

#define IN1 PAout(6)  

#define IN2 PAout(5)  

#define IN3 PAout(4)  

#define IN4 PAout(3)  

#define ENA_PWM TIM_SetCompare3(TIM3, 90) // 左轮PWM控制  

#define ENB_PWM TIM_SetCompare4(TIM3, 90) // 右轮PWM控制  



// 初始化函数  

void System_Init(void)  

{

// 系统时钟配置  

SystemInit();



// GPIO初始化  

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



// PWM初始化  

PWM_Init();



// USART初始化  

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;

USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;

USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;

USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

USART_Cmd(USART1, ENABLE);

}



// 电机控制函数  

void Motor_Run(uint8_t speed)  

{

ENA_PWM;

ENB_PWM;

IN1 = 1; IN2 = 0; // 左轮正转  

IN3 = 1; IN4 = 0; // 右轮正转  

}



void Motor_Back(uint8_t speed)  

{

ENA_PWM;

ENB_PWM;

IN1 = 0; IN2 = 1; // 左轮反转  

IN3 = 0; IN4 = 1; // 右轮反转  

}



void Motor_Left(uint8_t speed)  

{

ENA_PWM;

IN1 = 1; IN2 = 0; // 左轮正转  

IN3 = 0; IN4 = 1; // 右轮反转  

}



void Motor_Right(uint8_t speed)  

{

ENB_PWM;

IN1 = 0; IN2 = 1; // 左轮反转  

IN3 = 1; IN4 = 0; // 右轮正转  

}



void Motor_Stop(void)  

{

IN1 = 0; IN2 = 0;

IN3 = 0; IN4 = 0;

}



// 串口接收中断处理函数  

void USART1_IRQHandler(void)  

{

if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)

{

uint8_t receiveData = USART_ReceiveData(USART1);

// 根据接收到的指令控制小车运动  

switch (receiveData)

{

case 'F': Motor_Run(90); break; // 前进  

case 'B': Motor_Back(90); break; // 后退  

case 'L': Motor_Left(90); break; // 左转  

case 'R': Motor_Right(90); break; // 右转  

case 'S': Motor_Stop(); break; // 停止  

default: break;

}

}

}



int main(void)

{

// 初始化系统  

System_Init();



// 配置中断优先级和使能中断  

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);



// 启动串口接收中断  

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);



// 主循环  

while (1)

{

// 主循环中可以添加其他功能，如传感器数据处理、状态显示等  

// ...  

}

}



// PWM初始化函数（示例）  

void PWM_Init(void)  

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;



// 使能TIM3和GPIOA时钟  

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);



// 配置PWM输出引脚  

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; // PA6为TIM3_CH1，PA7为TIM3_CH2  

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



// 配置TIM3  

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // ARR值  

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 预分频值，使定时器频率为1MHz  

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);



// 配置PWM模式  

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比  

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;



// 配置TIM3 CH1  

TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);



// 配置TIM3 CH2  

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比（与CH1相同）  

TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);



// 使能TIM3  

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

}



// TIM3中断处理函数（用于调整PWM占空比，示例）  

void TIM3_IRQHandler(void)  

{

// 检查TIM3更新事件中断标志位  

if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)

{

// 清除TIM3更新事件中断标志位  

TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);



// 在这里可以添加代码来动态调整PWM占空比，例如根据传感器数据  

// ...  

}

}



// 注意：上述TIM3中断处理函数仅为示例，实际使用时可能不需要或需要修改  

// 根据具体应用场景，可能需要在主循环或其他中断处理函数中调整PWM占空比

五、调试与优化

1. 调试步骤

• 硬件连接检查：确保所有硬件模块正确连接，无短路或断路。

• 电源检查：使用万用表测量各模块电压，确保电压稳定且符合规格。

• 串口通信测试：使用串口调试助手测试蓝牙模块与STM32之间的通信，确保指令能够正确发送和接收。

• 电机控制测试：通过代码控制电机运行，测试前进、后退、左右转等功能是否正常。

• 传感器测试：读取传感器数据，确保数据准确可靠，并根据数据调整小车行驶路线。

2. 优化建议

• 代码优化：优化代码结构，提高代码可读性和可维护性。

• 功耗优化：在不需要时关闭不必要的外设和模块，降低功耗。

• 性能优化：根据实际需求调整PWM频率和占空比，优化电机控制效果。

• 稳定性优化：增加故障检测和容错机制，提高系统稳定性。

六、总结

本文详细介绍了一种基于STM32F103C8T6单片机的蓝牙智能小车设计方案，包括硬件组装、软件设计、串口通信实现及调试过程。通过蓝牙模块实现远程控制，使小车具备前进、后退、左右转等功能。该方案具有成本低廉、易于实现、功能丰富等优点，适用于教育、科研和娱乐等多个领域。未来可以进一步增加传感器数量和种类，提高小车的智能化程度。