基于STM32F103RCT6的电脑鼠控制系统方案解析

1 电脑鼠工作原理

电脑鼠周围安装六组红外传感器，分别感知左方、左前方、前方、右前方、右方，发射端发射一定频率的红外线，接收端通过六个方向的反射波来判断是否有障碍物，实时地储存单元格的资料，通过六组红外传感器反馈的迷宫信息，控制电脑鼠完成避障、转弯、加速等动作，运用智能算法对迷宫的部分单元格或全部单元格进行遍历，并将迷宫的信息以有效的数据结构存储，微控制器根据这些记录信息运用迷宫高效算法找到一条最优化路径，从而实现从起点到终点的最大化冲刺。

2 硬件电路设计

为完成迷宫探测和冲刺任务，电脑鼠需具备以下各功能模块：ARM微处理器作为控制核心协调各功能模块正常工作;电机及驱动模块实时控制电机启动、制动;红外检测模块负责红外线探测感知;电源为整个系统供电稳定电压，陀螺仪及指南针模块确定电脑鼠方位，根据走过的距离，从而解析出所在坐标。硬件组成如图1所示。

2.1 电源模块

电源调节器件通常使用线性稳压器件(如LM7805)，具有输出电压可调、稳压精度高的优点，但是其线性调整工作方式在工作有较大的“热损耗”，导致电源利用率不高、满足不了便携低功耗需求。开关电源调节器，不同于线性稳压器件，以完全导通或关断的方式工作，通过控制开关管的导通与截止时间，有效的减少工作中的“热损耗”，提高了电源利用率。本设计中电源模块为系统提供三种不同的电压，12V电源用于驱动电机，使用开关式电源LM2596将12V直流电压降到5V给红外模块、人机交互模块供电，再通过AMS1117将5V降到3.3V，供ARM处理器及其他模块使用。

2.2 微处理器模块

微处理器是整个控制系统的核心，它完成从红外检测模块获取路径信息，采集瞬时速度，进行数据处理，控制算法运算，输出实时控制量等功能。为了保证系统的实用性和易扩展性，本控制系统采用意法半导体推出的“增强型”系列STFM32F103RCT6，STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Correx-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN，在存储容量和运算速度方面满足要求。

2.3 电机及驱动模块

为提高系统功率、降低功耗，驱动电路采用基于脉宽调制方式的集成电路芯片L298N。比较常见的是15脚Muliwart封装的L298N，内部包含四通道逻辑驱动电路，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，可以驱动和控制两个直流电机，芯片采用供给电机电源和逻辑电平电源的双电源供电，可接受标准TTL逻辑电平信号，驱动46V，2A以下的电机，并可驱动电感性负载。其中ENA、ENB是控制使能端，IN1、IN 2、IN3、IN4是控制电平输入端，电路如图2所示。本设计中采用空心杯直流电机，它具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，最大效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上;起动、制动迅速，响应极快;其重量、体积相对减少1/3-1/2，通过PWM调节脉冲占空比进行调速。

2.4 红外检测模块

红外检测模块主要负责迷宫环境监测和处理。红外线经调制后由发射管发出，接收管接收迷宫墙壁反射光，根据接收反射信号强弱来判断与隔墙的距离。本系统相对传统红外检测方法做如下特点：

(1)红外传感器由原来的5组增加到6组。除了正前、正左、正右以及正前方两个45度斜角外，正前方增加1组红外传感器，通过正前方两组传感器信息的融合实现路口45度斜走，相对于以往的90度直角调整，节约了时间，提高了效率。

(2)采用基于双T选频网络的放大器设计，红外传感器根据反射信号的强弱实现电脑鼠与障碍物之间的测距。以往使用的是一体化红外接收传感器(如IRM8601S)，其接收头内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路，但由于检测信号输出的是数字信号，只能判断有或无障碍物，不能根据检测信号输出的强度计算距离。本设计中采用基于双T选频网络和TLC084组成的选频放大设计，实现频率不同增益不同，对有用信号进行放大处理，滤除或抑制无用信号。

(3)发射三种频率调制波，减少信号之间的干扰。6组传感器分为三组，正左和正右两组传感器负责检测电脑鼠是否走在中线上，以便及时做出姿势校正;左前方和右前方两组传感器主要检查前方是否有路口;前方两组传感器配合电机，协同工作实现45度转弯。红外光发射频率越高，传播距离相对越远，在