基于ARM的電腦鼠控制系統研究

摘要：為了使電腦鼠更加高效完成迷宮搜尋沖刺任務，設計了以STM32F103RCT6增強型處理器為核心的電腦鼠控制系統。通過接收管感應反射光的光強來判斷電腦鼠與墻壁之間的距離，改進傳統數字式紅外傳感器只能判斷有無障礙而無法測距的不足，定時器輸出PWM信號控制空心杯直流電機，軟件部分采用模塊化設計方法。試驗結果驗證該設計方案可行，滿足系統要求。
關鍵詞：電腦鼠；紅外檢測；PWM；空心杯直流電機

電腦鼠(micromouse)是一種由微處理器控制的集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的微型機器人。目前大多數電腦鼠采用Luminarv Micro Stellaris R系列LM3S101、LM3S102、LM3S615或者單片機微控制器，其紅外檢測模塊采用了一體式紅外傳感器，只能判斷有無障礙物，無法進行測距；電機部分采用步進電機，耗電大、速度慢；此外軟件系統多采用傳統中左或中右算法，效率較低。本文設計了基于CorrexM3內核的32位ARM芯片STM32F103RCT6作為運算控制中心，由其產生PWM信號調制紅外發射接收實現測距，配套空心杯直流電機，通過改進智能迷宮算法，使電腦鼠出色高效地完成迷宮搜尋及沖刺任務。

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，發射端發射一定頻率的紅外線，接收端通過六個方向的反射波來判斷是否有障礙物，實時地儲存單元格的資料，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、轉彎、加速等動作，運用智能算法對迷宮的部分單元格或全部單元格進行遍歷，并將迷宮的信息以有效的數據結構存儲，微控制器根據這些記錄信息運用迷宮高效算法找到一條最優化路徑，從而實現從起點到終點的最大化沖刺。

2 硬件電路設計
為完成迷宮探測和沖刺任務，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調各功能模塊正常工作；電機及驅動模塊實時控制電機啟動、制動；紅外檢測模塊負責紅外線探測感知；電源為整個系統供電穩定電壓，陀螺儀及指南針模塊確定電腦鼠方位，根據走過的距離，從而解析出所在坐標。硬件組成如圖1所示。

2．1 電源模塊
電源調節器件通常使用線性穩壓器件(如LM7805)，具有輸出電壓可調、穩壓精度高的優點，但是其線性調整工作方式在工作有較大的“熱損耗”，導致電源利用率不高、滿足不了便攜低功耗需求。開關電源調節器，不同于線性穩壓器件，以完全導通或關斷的方式工作，通過控制開關管的導通與截止時間，有效的減少工作中的“熱損耗”，提高了電源利用率。本設計中電源模塊為系統提供三種不同的電壓，12V電源用于驅動電機，使用開關式電源LM2596將12V直流電壓降到5V給紅外模塊、人機交互模塊供電，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
微處理器是整個控制系統的核心，它完成從紅外檢測模塊獲取路徑信息，采集瞬時速度，進行數據處理，控制算法運算，輸出實時控制量等功能。為了保證系統的實用性和易擴展性，本控制系統采用意法半導體推出的“增強型”系列STFM32F103RCT6，STM32F103xx增強型系列使用高性能的ARM Correx-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN，在存儲容量和運算速度方面滿足要求。
2．3 電機及驅動模塊
為提高系統功率、降低功耗，驅動電路采用基于脈寬調制方式的集成電路芯片L298N。比較常見的是15腳Muliwart封裝的L298N，內部包含四通道邏輯驅動電路，即內含兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，可以驅動和控制兩個直流電機，芯片采用供給電機電源和邏輯電平電源的雙電源供電，可接受標準TTL邏輯電平信號，驅動46V，2A以下的電機，并可驅動電感性負載。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。本設計中采用空心杯直流電機，它具有突出的節能特性、靈敏方便的控制特性和穩定的運行特性，最大效率一般在70％以上，部分產品可達到90％以上；起動、制動迅速，響應極快；其重量、體積相對減少1／3-1／2，通過PWM調節脈沖占空比進行調速。