劉 霞，白 剛

(1.西安文理學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，西安 710065;2.中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司，西安 710000)

0 引言

近年來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及我國(guó)城市化改革的深入推進(jìn)，使人民群眾對(duì)于購(gòu)買汽車有著強(qiáng)烈需求。隨著汽車進(jìn)入千家萬戶，目前全國(guó)駕齡不滿1年的實(shí)習(xí)駕駛?cè)藢⒔? 000萬人，占機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)丝偭康?1.3%，部分實(shí)習(xí)駕駛者由于汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度把握不好而造成的車庫(kù)移位、刮擦、追尾等不同程度的事故[1-3]。我國(guó)汽車保有量的提升，其規(guī)模已大大超過了道路等重要交通設(shè)施的修建，交通流量的增加正處于一個(gè)較高的水平，每年都會(huì)有6萬多名人死于嚴(yán)重的交通事故[4-6]。在這些事故中，由于汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度把握不好而發(fā)生撞車的有很多。因此需要設(shè)計(jì)開發(fā)一套能夠有效的采集汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度的系統(tǒng)，在初學(xué)駕駛階段熟悉熟練汽車轉(zhuǎn)向輪角度把控必要且迫切。

現(xiàn)階段，單片機(jī)在交通工具上的應(yīng)用研究發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，曾堯[7]使用STM32控制系統(tǒng)，提供一種中線差值采樣的尋跡方法，選用MG995電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使智能小車轉(zhuǎn)向更加靈敏。趙林超[8]實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集處理電路集成化，傳感器數(shù)據(jù)可直接在STM32中進(jìn)行RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，在滿足測(cè)量精度和測(cè)量速度的同時(shí)，大大縮小了測(cè)量系統(tǒng)所占用的空間便于集成裝配在球鉸鏈底座的預(yù)留空間內(nèi)，初步實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)集成化、智能化和便攜化的目標(biāo)，同時(shí)制造成本大幅下降?？讉チ羀9]以STM32單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向單元、制動(dòng)單元和驅(qū)動(dòng)單元。轉(zhuǎn)向單元由轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)角傳感器等組成，轉(zhuǎn)向單元能夠根據(jù)SALM最小系統(tǒng)獲取的環(huán)境信息控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期位置的轉(zhuǎn)向。鐘智杰等[10]提出了基于STM32為主控制器的速度轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制方案，還設(shè)計(jì)了基于該結(jié)構(gòu)的超聲波探頭分布與檢測(cè)策略，在實(shí)際應(yīng)用中,具有較快響應(yīng)速度,機(jī)構(gòu)靈活，適用范圍廣泛。韓云鵬[11]根據(jù)靶車需求，確定STM32單片機(jī)作為主控制器,并完成各類電機(jī)與供電電源的選型。根據(jù)設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立全地形移動(dòng)靶車四輪驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。張盼盼[12]設(shè)計(jì)開發(fā)了基于STM32處理器的智能駕駛輔助系統(tǒng)回路仿真與控制器，車道保持和主動(dòng)變道控制器在保證車輛縱、橫向穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上能夠很好的完成車道保持和主動(dòng)變道的功能。對(duì)車道保持和主動(dòng)變道進(jìn)行單片機(jī)控制的模型小車實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制算法的可靠性。

本文針對(duì)基于STM32單片機(jī)的汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角顯示系統(tǒng)進(jìn)行研究。首先分析目前產(chǎn)品功能的合理性，這些方案是否可以借鑒。整理出系統(tǒng)的架構(gòu)圖并明確了系統(tǒng)的功能。功能的出現(xiàn)會(huì)帶動(dòng)方案，明確了功能就可以針對(duì)性的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。下一個(gè)階段是重要的硬件電路設(shè)計(jì)，需要研究各個(gè)方案，輸出對(duì)應(yīng)功能的電路圖，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的合理性、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件。這一部分就需要將系統(tǒng)的硬件全部設(shè)計(jì)完成。硬件設(shè)計(jì)中的每一個(gè)器件的設(shè)計(jì)原因需要明確。在軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，配合硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能即可，編寫出程序代碼，統(tǒng)計(jì)將所有的功能按照功能邏輯設(shè)計(jì)，按照邏輯流程圖完善系統(tǒng)運(yùn)行功能。最后進(jìn)行仿真測(cè)試并決定系統(tǒng)功能是否符合要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。期望全套設(shè)備開發(fā)為初學(xué)者和教練員教學(xué)帶來便利，也為駕駛學(xué)校教練車裝備智能化提供借鑒。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 整體方案布局

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，基于STM32單片機(jī)的汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角顯示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能有汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)、按鍵控制、數(shù)據(jù)顯示、WiFi通信、報(bào)警提示。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向輪檢測(cè)角度范圍為30～40°，測(cè)量精度為1°，系統(tǒng)采集汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，若汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)不在設(shè)置閾值范圍內(nèi)，則通過聲音報(bào)警提示?？梢允褂冒存I調(diào)整汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角閾值，通過WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控[13-14]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主控制器

主控制器決定選擇STM32。該芯片內(nèi)置ARM型Cortex?-M3。內(nèi)核使用的是32位數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)。芯片的最高速度為72 MHz。芯片搭配了512 K的存儲(chǔ)空間保證程序的存儲(chǔ)。同樣帶有上電和掉電復(fù)位功能。為了保證系統(tǒng)的功耗，芯片內(nèi)部有3種模式：休眠、停止、待機(jī)模式。帶有多種調(diào)試方案，分別是SWD和JTAG接口。為了方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動(dòng)和復(fù)制，設(shè)計(jì)了DMA方案，可以在不需要內(nèi)核控制的情況下，自助地進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝轉(zhuǎn)移。

1.3 轉(zhuǎn)角檢測(cè)

汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)的采集功能由轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊完成。這款傳感器的成本很低，而且設(shè)計(jì)精巧。在傳感器的表面設(shè)計(jì)了鍍鎳處理。為了讓傳感器可以獲取更可靠的土壤濕度數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器的測(cè)量面積進(jìn)行了加寬設(shè)計(jì)。鍍鎳處理方案也可以提高傳感器的使用時(shí)壽命，傳感器不會(huì)產(chǎn)生生銹的現(xiàn)象。若汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角發(fā)聲變化，傳感器就可以輸出對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角越大，傳感器輸出的電信號(hào)伏值越大，因此只要獲取到電壓數(shù)據(jù)就可以判斷汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的大小。

1.4 WiFi通信

ESP8266是專用的WiFi通信技術(shù)方案，模塊集成了WiFi所有的功能，常用的TCP/IP協(xié)議也在其中。模塊和主控可以通過串口進(jìn)行通信，模塊集成了串口數(shù)據(jù)交互方案，就是方便和主控進(jìn)行連接，這樣能夠適用于市面上所有的主控設(shè)備。WiFi通信作為一種常用的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案，在很多的產(chǎn)品上得到了廣泛的使用。最終確定選擇ESP8266模塊完成WiFi通信功能。模塊內(nèi)部主要的是器件是WiFi芯片，搭配芯片需要的外圍器件支撐芯片的運(yùn)行，集成在同一塊PCB上封裝為模塊，模塊引出通信接口。模塊最大的優(yōu)勢(shì)之一是一項(xiàng)透?jìng)髂Ｊ?，模塊在這個(gè)模式下能夠非?？旖莸谋粏纹瑱C(jī)進(jìn)行控制[15]。單片機(jī)在操作模塊時(shí)只需要通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)就能夠?qū)崿F(xiàn)WiFi通信雙向數(shù)據(jù)傳輸，也就是說單片機(jī)不需要了解WiFi的具體傳輸細(xì)節(jié)，這些由模塊完成。

1.5 顯示

汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)顯示選擇LCD1602。系統(tǒng)需要一個(gè)顯示功能作為信息輸出。應(yīng)用LCD1602實(shí)現(xiàn)信息顯示。這款液晶的成本低，顯示效果好。可以支持多種字符的顯示，包括字母、數(shù)字等其他符號(hào)。這種顯示器不需要實(shí)時(shí)占用主控資源，只要控制顯示內(nèi)容后，就可以長(zhǎng)期保留顯示信息。主控和顯示器的連接關(guān)系簡(jiǎn)單，從設(shè)計(jì)難度上來講也符合設(shè)計(jì)要求。整個(gè)屏幕可以容納32個(gè)顯示符號(hào)，能夠滿足系統(tǒng)的顯示要求。顯示器中集成了很多庫(kù)以及驅(qū)動(dòng)器，在控制的時(shí)候只需要依據(jù)顯示器要求的時(shí)序輸入數(shù)據(jù)即可完成顯示信息的功能。顯示器內(nèi)部的核心是HD44780芯片，這款芯片具有封裝了針對(duì)液晶控制的多種技術(shù)，所以在應(yīng)用主控對(duì)液晶操作上會(huì)方便很多。同時(shí)搭配了HD44100作為對(duì)液晶的驅(qū)動(dòng)控制方案，這些都是集成在液晶顯示器模塊中，不需要額外的進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)更多的場(chǎng)合，液晶顯示器還集成了燈光效果，能夠有背光功能，可以在夜間讓顯示內(nèi)容更加的醒目。

1.6 報(bào)警

汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值時(shí)進(jìn)行聲音提示，以便用戶了解汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的具體情況。系統(tǒng)要求在異常情況下進(jìn)行聲音預(yù)警提示，使用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)此功能。蜂鳴器在很多產(chǎn)品中都能夠看到。蜂鳴器能夠發(fā)出蜂鳴聲，聲音可以達(dá)到提示的效果，控制上手簡(jiǎn)單。蜂鳴器的控制需要有硬件驅(qū)動(dòng)的支持，否則只靠主控的接口是無法對(duì)蜂鳴器進(jìn)行控制的。蜂鳴器的選擇需要注意類型，如果是無源蜂鳴器在控制信號(hào)上有一定的要求，信號(hào)必須有一定的波動(dòng)頻率。如果是有源蜂鳴器只需要簡(jiǎn)單的電平變換就能實(shí)現(xiàn)蜂鳴器響與不響的控制。因此最終確定選擇有源蜂鳴器作為報(bào)警功能的方案。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

主控制器電路如圖2所示，作為高性能的STM32F103C8T6，在高速運(yùn)行條件下功耗為36 mA。接口的轉(zhuǎn)換速度為10 MHz。兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊速度快到1 μs。串口通信的速度可以達(dá)到每秒18兆位。芯片的供電電壓在2.0～3.6 V范圍內(nèi)，雖然供電沒有達(dá)到5 V，但是IO接口都可以兼容5 V，所以也擴(kuò)大了芯片的使用范圍。復(fù)位電路集成在芯片內(nèi)部，因此不需要單獨(dú)在外置復(fù)位電路，減少了硬件設(shè)計(jì)的成本和工作量。芯片能在超低溫和超高溫環(huán)境下運(yùn)行，溫度范圍在-40～+85℃。芯片的IO接口有多種配置模式，非常便于連接不同的外設(shè)，包括上拉、下拉、模擬、開漏等模式[16]。STM32F103C8T6中的C代表芯片一共48個(gè)接口，這48個(gè)接口每個(gè)口都具備多種功能，可以通過程序配置使用其中一項(xiàng)功能。其中103表示這款芯片是增強(qiáng)型器件，8表示用戶可以設(shè)計(jì)的代碼量達(dá)到64 K。芯片在SWD模式下，使用的接口為PA13、PA14。芯片在JTAG模式下，使用的接口為PA13、PA14、PA15、PB3、PB4。這些接口也可以作為控制外設(shè)的接口，因此實(shí)現(xiàn)了復(fù)用功能。芯片的封裝為L(zhǎng)QFP，手工焊接并不是很方便，因此直接只用最小系統(tǒng)板進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

圖2 主控電路

2.2 轉(zhuǎn)角檢測(cè)電路

轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊傳感器能有效地消除其它信號(hào)的干擾。該傳感器具有很強(qiáng)的可重用性，可長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。該傳感器啟動(dòng)時(shí)間短，感應(yīng)時(shí)間快，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試性能強(qiáng)。傳感器在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，這是正常現(xiàn)象。加熱一段時(shí)間后，它將恢復(fù)正常。輸出為模擬量，需要與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片匹配。ADC0832芯片設(shè)計(jì)了使能選擇接口。位于CS引腳1處，使能有效信號(hào)為低電平，由主控的PB9控制。如果是低電平，則意味著芯片可以操作，模擬數(shù)據(jù)可以通過單片機(jī)接口讀取和控制。芯片的兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道分別位于引腳2的CH0和引腳3的CH0處。電源GND位于4腳。數(shù)據(jù)輸入腳位于5腳的DI。數(shù)據(jù)輸入腳位于6腳的DO，接單片機(jī)的PB7。時(shí)鐘信號(hào)引腳位于7腳，由主控的PB8控制。8腳為電源以及參考電源端，轉(zhuǎn)角檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)角檢測(cè)電路

2.3 WiFi通信電路

WiFi模塊和單片機(jī)的連接需要三條信號(hào)線，也就是完成串口的線速連接，就可以實(shí)現(xiàn)WiFi數(shù)據(jù)通信。WiFi模塊引出8條信號(hào)線。其中4腳是模塊的供電接口。6/7腳是WiFi模塊自帶的控制接口，WiFi模塊本身也可以作為主控實(shí)現(xiàn)一些控制功能。5腳是模塊引出的數(shù)據(jù)接收腳，相對(duì)于單片機(jī)就是串口數(shù)據(jù)發(fā)送腳，和單片機(jī)的TXD連接在一起。1腳是模塊引出的數(shù)據(jù)發(fā)送腳，相對(duì)于單片機(jī)就是串口數(shù)據(jù)接收腳，和單片機(jī)的RXD連接在一起。8腳是模塊的供電GND口。WiFi通信電路如圖4所示。

圖4 WIFI通信電路

2.4 顯示電路

顯示電路如圖5所示，在LCD1602硬件電路中，液晶只需要16個(gè)接口進(jìn)行連接。1腳為電源GND。2腳為電源VCC。3腳接電位器，電位器的作用是調(diào)節(jié)液晶屏的對(duì)比度，使液晶顯示屏顯示的內(nèi)容更清晰。一般選擇103，也就是10 K電位器。4腳為RS，是控制輸入的內(nèi)容是命令還是數(shù)據(jù)。如果控制RS為低電平，則輸入的內(nèi)容為指令。如果控制RS為高電平，則輸入的內(nèi)容為數(shù)據(jù)。5腳為RW，控制單片機(jī)是讀液晶的數(shù)據(jù)，還是向液晶寫數(shù)據(jù)。如果控制RW為低電平，可以對(duì)液晶進(jìn)行寫指令或者寫數(shù)據(jù)。如果控制RW為高電平，主要讀取顯示屏的顯示狀態(tài)。6腳為E，使能控制端。7腳到16腳為8個(gè)數(shù)據(jù)口。液晶的電源要求為5V。顯示屏D0到D7接單片機(jī)的PA口，RS接單片機(jī)的PB0，RW接單片機(jī)的PB1，EN接單片機(jī)的PB10。

圖5 顯示電路

2.5 報(bào)警電路

蜂鳴器的功能主要是實(shí)現(xiàn)聲音的輸出，因此應(yīng)用非常的廣泛。比如玩具、打印機(jī)、家用電器等都使用蜂鳴器。蜂鳴器的控制原理簡(jiǎn)單方便，但是主控也無法直接對(duì)蜂鳴器實(shí)行控制，需要有硬件驅(qū)動(dòng)的支持，主要原因是蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要一定的電流，主控的接口無法滿足輸出電流的大小[17]。在電路中使用三極管完成主控和蜂鳴器之間的對(duì)接。在聲音效果上也需要選擇對(duì)類型的蜂鳴器。有通過電磁發(fā)聲的蜂鳴器，有壓電式發(fā)聲的蜂鳴器。這兩種蜂鳴器發(fā)出的聲音效果不一樣。壓電式的蜂鳴器發(fā)出的聲音洪亮，更適合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此使用的是壓電式的蜂鳴器。報(bào)警電路如圖6所示。

圖6 報(bào)警電路

2.6 按鍵電路

按鍵最常用的是作為系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置功能方案。按鍵也屬于開關(guān)的一種，因此具有兩種狀態(tài)。按鍵在沒有任何操作的情況下是斷開的，沒有信號(hào)輸入。按鍵在有操作的情況下會(huì)閉合，輸入一個(gè)信號(hào)，因此設(shè)計(jì)兩種信號(hào)分別代表按鍵有操作和無操作的狀態(tài)。按鍵選擇常用的輕觸開關(guān)。在有人操作的情況下按鍵能否有效的動(dòng)作和按鍵的結(jié)構(gòu)以及制作材料有關(guān)系[18]。由于是機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所以制作的工藝也會(huì)決定按鍵的使用壽命。為了達(dá)到更好的按鍵效果，制作按鍵選擇的材料必須是電阻率小、耐使用。在進(jìn)行實(shí)物制作時(shí)，按鍵的引腳會(huì)被上錫，引腳在上錫后會(huì)改變引腳的電阻率，因此廠家在制作按鍵時(shí)，加入了鍍銀工序，這樣可以保證引腳電阻率的穩(wěn)定，也會(huì)避免引腳的氧化，加長(zhǎng)了按鍵的使用時(shí)間。使用按鍵S2可以設(shè)置汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)閾值，進(jìn)入閾值設(shè)置界面，主控選擇PA13采集按鍵信號(hào)。使用按鍵S3可以設(shè)置汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)閾值加控制，主控選擇PA14采集按鍵信號(hào)。使用按鍵S4可以設(shè)置汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)閾值減控制，主控選擇PA15采集按鍵信號(hào)。按鍵電路如圖7所示。

圖7 按鍵電路

2.7 電源電路

主控需要提供的電源是3.3 V。但是系統(tǒng)輸入的電源是5 V，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。電源是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分之一，電源如果癱瘓的話，整個(gè)系統(tǒng)沒有一個(gè)功能是可以運(yùn)行的，因此電源的設(shè)計(jì)一定要穩(wěn)定、可靠。電源電路如圖8所示，POWER是電源的接口，可以和所有的能夠輸出5 V的電源適配器連接。輸入電源后經(jīng)過兩個(gè)電容的濾波，幫助電源濾除雜波信號(hào)，兩個(gè)電容參數(shù)一大一小分別對(duì)高頻和低頻雜波進(jìn)行濾除。經(jīng)過U7將5 V電壓穩(wěn)壓到3.3 V，再經(jīng)過一大一小電容參數(shù)，同樣對(duì)高頻和低頻雜波進(jìn)行濾除輸入到系統(tǒng)各部分模塊中。為了指示電源是否正常功能，加入了LED。

圖8 電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)中是將說有功能軟件部分在主函數(shù)中整合。在主函數(shù)運(yùn)行開始需要對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行配置。對(duì)汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)接口、按鍵控制接口、數(shù)據(jù)顯示控制接口、WiFi通信控制接口、報(bào)警提示控制接口進(jìn)行初始化。系統(tǒng)采集汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，如果汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值，則通過聲音報(bào)警提示?？梢允褂冒存I調(diào)整汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角閾值。同時(shí)可以通過WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 轉(zhuǎn)角檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊輸出模擬數(shù)據(jù)。ADC0832是一個(gè)8位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換方案，因此最多可以達(dá)到256級(jí)的數(shù)字量，可以滿足大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用項(xiàng)目中。參考電壓為5V，因此模擬量的輸入范圍為0～5 V。MCU只需要CS、CLK、DO和DI可以完成收藏?cái)?shù)字量。在控制芯片時(shí)，數(shù)據(jù)輸出DO和數(shù)據(jù)輸入DI不同時(shí)使用，即如果有數(shù)據(jù)輸出，就沒有數(shù)據(jù)輸入。因此，DO的數(shù)據(jù)輸出和DI的數(shù)據(jù)輸入重用了一條數(shù)據(jù)線，使單片機(jī)的值需要3個(gè)引腳來操作芯片。當(dāng)需要操作芯片時(shí)，將引腳控制在低電平。芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)將時(shí)鐘信號(hào)輸入芯片時(shí)鐘，然后根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)通過數(shù)據(jù)輸入DI選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)換通道，然后通過數(shù)據(jù)輸出DO接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。接收IN1、IN2信號(hào)，以控制電機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)角檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。

圖10 溫度檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 WiFi通信軟件設(shè)計(jì)

WiFi通信的軟件設(shè)計(jì)需要單片機(jī)來完成，單片機(jī)主要通過串口向WiFi模塊輸入相應(yīng)的AT指令對(duì)模塊進(jìn)行功能控制。要實(shí)現(xiàn)串口需要確定串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，即波特率[19-21]。還需要確定串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中確定以9 600波特率以及8位數(shù)據(jù)位去設(shè)置好串口。在進(jìn)行AT指令使用時(shí)，需要先發(fā)送AT進(jìn)行測(cè)試，如果WiFi模塊反回OK，則表示模塊可以進(jìn)行控制，否則需要繼續(xù)進(jìn)行AT指令測(cè)試。WiFi模塊的串口參數(shù)也是需要設(shè)置的，需要設(shè)置和單片機(jī)一致即可，是否設(shè)置成功可以通過PC端的串口助手進(jìn)行驗(yàn)證。先設(shè)置WiFi模塊進(jìn)入到路由模式，設(shè)置后必須重啟模塊才可以生效設(shè)置。啟動(dòng)WiFi通信后就完成了WiFi模塊的配置，進(jìn)入到連接數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。WiFi通信軟件設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

圖11 WiFi通信軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.4 顯示軟件設(shè)計(jì)

LCD1602是專用的字符顯示液晶屏，能夠顯示的內(nèi)容包括字母、數(shù)字、符號(hào)等字符內(nèi)容?？梢詽M足大部分項(xiàng)目開發(fā)的需求。驅(qū)動(dòng)芯片中有存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器有3種功能，DDRAM用于存儲(chǔ)液晶需要顯示內(nèi)容的數(shù)據(jù)，包括所有能顯示內(nèi)容的數(shù)據(jù)，在控制的時(shí)候調(diào)用對(duì)應(yīng)顯示內(nèi)容的數(shù)據(jù)到液晶屏，完成顯示。液晶屏單個(gè)字符顯示單元是5×7點(diǎn)陣式，需要顯示任何字符，都可以在5×7點(diǎn)陣上顯示出來，每個(gè)字符對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都可以計(jì)算出來。DDRAM一共有80個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，作為液晶屏顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但是在顯示的時(shí)候，液晶屏無法將80個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)全部顯示，這樣就需要應(yīng)用移動(dòng)指令控制顯示數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)將未顯示出來的內(nèi)容進(jìn)行移動(dòng)顯示。因此只需要把顯示的內(nèi)容數(shù)據(jù)寫入到DDRAM，就可以完成顯示。如果要顯示數(shù)字1，直接將1對(duì)應(yīng)的Ascll數(shù)據(jù)0x31輸入到DDRAM中，就可以在液晶屏上顯示出數(shù)字1。顯示軟件設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12 顯示軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.5 報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值時(shí)進(jìn)行聲音提示，以便用戶了解汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的具體情況。如果汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值，則主控控制PB11輸出低電平，控制蜂鳴器報(bào)警。報(bào)警控制軟件設(shè)計(jì)流程如圖13所示。

圖13 報(bào)警控制軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.6 按鍵掃描軟件設(shè)計(jì)

按鍵的人軟件代碼設(shè)計(jì)很重要，如果按鍵判斷錯(cuò)誤，整個(gè)系統(tǒng)的控制就會(huì)產(chǎn)生故障。按鍵動(dòng)作的檢測(cè)主要在軟件代碼設(shè)計(jì)上，首先分析按鍵動(dòng)作機(jī)制，了解按鍵動(dòng)作才可以更好的設(shè)計(jì)軟件代碼。理論上按鍵就是開關(guān)動(dòng)作，但是由于實(shí)際情況是機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，機(jī)械動(dòng)作難免存在摩擦等情況，因?yàn)槿耸职聪掳存I的機(jī)械動(dòng)作存在抖動(dòng)以及摩擦，所以在按按鍵的時(shí)候，真實(shí)情況是抖動(dòng)的，所以導(dǎo)致按鍵開關(guān)是抖動(dòng)開關(guān)，輸出的電信號(hào)也是抖動(dòng)狀態(tài)，即為高低電平抖動(dòng)，等人手按下按鍵穩(wěn)定后，才輸出穩(wěn)定的低電平，這個(gè)抖動(dòng)過程一般是3～5 ms，因此在單片機(jī)掃描按鍵電信號(hào)的時(shí)候，需要在按鍵按下狀態(tài)穩(wěn)定后檢測(cè)電信號(hào)，在軟件代碼掃描中第一次掃描到按鍵有效信號(hào)，此時(shí)并非真正的穩(wěn)定信號(hào)，而是抖動(dòng)開始或者干擾信號(hào)，所以待3～5 ms后繼續(xù)掃描，如果仍然是穩(wěn)定信號(hào)，則表示按鍵按下。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照電路圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)行電源接口電路的焊接試。之后進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)電路的焊接，其他部分需要通過單片機(jī)進(jìn)行控制。用萬用表導(dǎo)通檔位測(cè)量電源是否短路，若正常則測(cè)量電源電壓是否正確。完成實(shí)物的焊接制作后即可進(jìn)行系統(tǒng)軟件功能測(cè)試。

Keil可以完成對(duì)系統(tǒng)軟件功能的設(shè)計(jì)，Keil的使用方法簡(jiǎn)單，創(chuàng)建項(xiàng)目工程后就可以開始進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)了。這也能保證能夠快速的進(jìn)入開發(fā)階段。在編程上使用模塊模式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，有利于在對(duì)代碼做管理，出現(xiàn)問題可以快速定位。此系統(tǒng)的代碼截圖如圖14所示。

圖14 軟件代碼截圖

打開項(xiàng)目工程后，選擇菜單進(jìn)入調(diào)試界面進(jìn)行調(diào)試。選擇“Debug”→“Start/Stop Debug Session”就可以進(jìn)入調(diào)試功能。具體操作方法如圖15所示。

圖15 選擇調(diào)試功能示意圖

進(jìn)入到調(diào)試界面后，可以看到左側(cè)有對(duì)寄存器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的界面，可以在程序運(yùn)行時(shí)觀察寄存器的實(shí)時(shí)變化狀態(tài)。同時(shí)還有代碼斷點(diǎn)的設(shè)置，對(duì)代碼的運(yùn)行進(jìn)行單步點(diǎn)擊運(yùn)行操作，方便觀察各個(gè)參數(shù)的變化。

圖16 進(jìn)入調(diào)試功能界面

之后，可以對(duì)部分變量進(jìn)行監(jiān)控，需要調(diào)節(jié)被監(jiān)控的變量。選擇“View”→“Watch Window”就可以進(jìn)入監(jiān)控設(shè)置界面。調(diào)出Watch界面后，在此界面就可以設(shè)置被監(jiān)控的變量或者參數(shù)。雙擊Name就可以設(shè)置要監(jiān)控的變量，輸入變量名稱就可以監(jiān)控變量的動(dòng)態(tài)變化。完成上述硬件測(cè)試和軟件調(diào)試后，進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。整理了5組測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，通過本文系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和車輪轉(zhuǎn)向定位儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果一致。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表與實(shí)際測(cè)量值比較

5 結(jié)束語(yǔ)

為了方便初學(xué)駕駛?cè)藛T快速準(zhǔn)確的掌握車輛轉(zhuǎn)角角度，也為了教練員有針對(duì)性的教學(xué)。開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于STM32單片機(jī)的汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角顯示儀，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)功能包括汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)、按鍵操作、汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)顯示、語(yǔ)音播報(bào)、報(bào)警提示。系統(tǒng)采集汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，如果汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值，則通過聲音報(bào)警提示，通過語(yǔ)音播報(bào)提醒?？梢允褂冒存I調(diào)整汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角閾值。

系統(tǒng)的功能雖然基本滿足要求，但是通過分析還存在一些不足之處，需要后期不斷的改進(jìn)。比如轉(zhuǎn)向控制的功能比較單一，可以融入一些物聯(lián)網(wǎng)的功能，比如加入遠(yuǎn)程WiFi功能，通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)汽車駕駛的控制。還可以加入人臉識(shí)別，讓系統(tǒng)的功能更加的多樣，也更加的智能和方便。