基于摄像头循迹的电子设计竞赛论文

摘要

本系统以设计题目的要求为目的，采用STM32F103ZET6单片机为控制核心，另外其他辅助模块包括：电源模块，图像显示模块,蓝牙模块，以及其他功能模块进行辅助，从而来完成智能车的硬件设计。我们采用了模糊PID控制算法来实现对智能车的控制，并进行了一定的实验。通过利用ov7725摄像头探测前方的黑线，将采集到的信息传回STM32单片机，对读出的数据进行二值化处理，加上阈值后可以进行循迹使用，通过判断黑线的形状和曲率调整电机转速，进而改变方向，使小车沿黑线行驶，达到循迹功能并可以自动记录时间，使用LCD显示屏显示黑线轨迹。使用超声波测距离避障，并在LCD上显示，整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。

采用的技术主要有：

（1）小车摄像头处理及自动循迹；

（2）稳压电路的有效应用；

（3）单片机的使用；

（4）障碍物距离算法，串口通信协议；

关键字：STM32F103ZET6单片机；直流驱动小车；摄像头；LCD显示；避障；蓝牙控制；比例积分微分。

目录

第1章系统方案 1

1.1 实现方法 1

1.2 方案论证 1

1.2.1主控芯片的选择........................................................................................1

1.2.2电机及驱动................................................................................................1

1.2.3寻迹传感器模块........................................................................................2

1.3 系统设计 2

1.4 结构框图 3

第2章理论分析与计算 8

2.1 测量与控制方法 8

2.2 理论计算 10

第3章电路与程序设计 11

3.1 检测与驱动电路设计 14

3.1.1驱动设计..................................................................................................15

3.1.2检测设计...................................................................................................16

3.2 总体电路图 18

3.3 软件设计与工作流程图 19

第4章结果分析 20

4.1 创新发挥 20

4.2 结果分析 20

第1章系统方案

1.1 实现方法

本系统采用STM32F103ZET6单片机作为主控单元，对整个系统进行控制，并驱动液晶显示器，显示运动系统的信息，利用蓝牙接收数据，实现对小车的控制，实现反馈位置信息，进行循迹调整。

1.2 方案论证

1.2.1主控芯片芯片的选择

方案一：采用传统8位89C51单片机作为控制单元，价格低廉，但处理速度慢，功能单一，RAM、ROM小。本系统需要计算速度，角度等大量的浮点数。需扩展RAM和ROM，而且硬件工作量必然加大。

方案二：采用STM32F103ZET6单片机为控制核心，库函数多，实用简单方便，片内资源丰富，运算速度快，功率低。

鉴于STM32F103ZET6单片机的优越性，故选方案二。

1.2.2电机及其驱动

（1）电机

方案一：采用步进电机，可准确控制转速和旋转的角度，但是体积大，质量大，并且需要另配驱动器，成本较高。在电动车上安装比较复杂。
方案二：采用减速直流电机，体积适中，安装简单，转速慢，车速容易控制，并且转矩和扭矩较大。
综上所述，采用方案二。

（2）驱动

方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，而

且机械结构易磨损，可靠性不高。它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机极不经济。

方案二：采用SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高。

方案三：采用集成的驱动电路芯片L298N。L298N驱动芯片具有体积小，可靠性安全性高，抗干扰能力强等优点，适合控制智能小车的运动。且有较大的电流驱动能力，连接方便简单。

综合以上考虑，我们选择方案三，使用L298N驱动直流电机。

1.2.3寻迹传感器模块
方案一：采用OpenCV和高像素摄像头来完成，功能强大，图传稳定。

方案二：采用openmv摄像头，其中自带内核，处理速度快，功能强大。

方案三：采用ov7725摄像头，价格便宜，每秒60帧的像素处理，容易受到外界光的干扰，但其体积小，安装简单，当其安装位置较低时，可以大大减轻外界光对传感器的干扰，在平缓的路径中，可以完成寻迹功能。其原理图如下：

由于价格和实用性方面的考虑，所以采用方案三。

1.2.4电源模块

在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V，L298N芯片的电源6V和电机的电源7-12V。所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠。

方案一：用9V的锌电源给电机供电，然后使用7805稳压管来把高电压稳成5V分别给单片机和电机驱动芯片供电。这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致电机动力不足。

方案二：采用双电源。为了确保单片机控制部分电机驱动的本分电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，即：用电流电12V供给点单片机和驱动，这样有助于消除电机干扰，提高系统的稳定性。

基于以上分析，我们选择了方案二。

1.3 系统设计

本系统采用STM32F103ZET6单片机为核心,采用两个直流减速电机进行左右轮分别驱动，利用PWM对电机进行调速，控制电动车的速度，实现电动车在跷跷板上的前进、停止和后退，利用红外反射传感器进行寻迹，使电动车沿着引导线行驶。

1.4 结构框图

通过上面的分析，我们设计的系统的总体框图如图一所示

1.5 OV7725特点

高灵敏度、低电压适合嵌入式应用，标准的 SCCB 接口，兼容 IIC 接口，
支持 RawRGB、 RGB(GBR4:2:2， RGB565/RGB555/RGB444)， YUV(4:2:2)和 YCbCr（4:2:2）输出格式，支持 VGA、 QVGA，和从 CIF 到 40*30 的各种尺寸输出支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。支持图像缩放

第二章理论分析与计算

2.1测量与控制方法

根据题目分析，要使摄像头循迹。ov7725摄像头来实现路径识别功能，将摄像头采集过来的视频信号二值化后送入微处理器进行处理，实时采集路况信息方法和实时控制智能小车的速度，最终达到实现整个系统的闭环控制，使小车可以自主的按照路面信息快速行驶。通过STM32F103ZET6单片机输出的PWM波控制。调节电机转速，进行循迹，避障。

2.2理论计算

2.2.1摄像头检测到黑线的中心位置算法

u8 center[4]={120,120,120,120};

u8 i,j,left=0,right=0,left_flag=0,right_flag=0,left2=0,

right2=0,left_flag2=0,right_flag2=0,left3=0,right3=0,left_flag3=0,right_flag3=0;

static u8 number;

for(j=0;j<240;j++)

{f((color1[0][j]==0)&&(color1[0][j+1]==0)&&(color1[0][j+2]==0)&&(color1[0][j+3]==0)&&(color1[0][j+4]==0)&&(color1[0][j+5]==1)&&(color1[0][j+6]==1)&&(color1[0][j+7]==1)&&(color1[0][j+8]==1)&&(color1[0][j+9]==1))//若存在00000111111这样的连续数据，判断为左边线{left_flag=1;left=j+4;break; }

else if((color1[0][j]==1)&&(color1[0][j+1]==1)&&(color1[0][j+2]==1)&&(color1[0][j+3]==1)&&(color1[0][j+4]==1)&&(color1[0][j+5]==0)&&(color1[0][j+6]==0)&&(color1[0][j+7]==0)&&(color1[0][j+8]==0)&&(color1[0][j+9]==0))

{right_flag=1;right=j+5;break; }

if((color2[0][j]==0)&&(color2[0][j+1]==0)&&(color2[0][j+2]==0)&&(color2[0][j+3]==0)&&(color2[0][j+4]==0)&&(color2[0][j+5]==1)&&(color2[0][j+6]==1)&&(color2[0][j+7]==1)&&(color2[0][j+8]==1)&&(color2[0][j+9]==1))//若存在0000011111这样的连续数据，判断为左边线{left_flag2=1;left2=j+4;break; }else if((color2[0][j]==1)&&(color2[0][j+1]==1)&&(color2[0][j+2]==1)&&(color2[0][j+3]==1)&&(color2[0][j+4]==1)&&(color2[0][j+5]==0)&&(color2[0][j+6]==0)&&(color2[0][j+7]==0)&&(color2[0][j+8]==0)&&(color2[0][j+9]==0)){right_flag2=1;right2=j+5;break;}if((color3[0][j]==0)&&(color3[0][j+1]==0)&&(color3[0][j+2]==0)&&(color3[0][j+3]==0)&&(color3[0][j+4]==0)&&(color3[0][j+5]==1)&&(color3[0][j+6]==1)&&(color3[0][j+7]==1)&&(color3[0][j+8]==1)&&(color3[0][j+9]==1)){left_flag3=1;left3=j+4;break;}else if((color3[0][j]==1)&&(color3[0][j+1]==1)&&(color3[0][j+2]==1)&&(color3[0][j+3]==1)&&(color3[0][j+4]==1)&&(color3[0][j+5]==0)&&(color3[0][j+6]==0)&&(color3[0][j+7]==0)&&(color3[0][j+8]==0)&&(color3[0][j+9]==0)){right_flag3=1;right3=j+5;break}

}

zhong1=(left+right)/2;zhong2=(left2+right2)/2;zhong3=(left3+right3)/2;

kuan=((right-left)+(right2-left2))/2;

}

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