逐夢壹號STC32四驅智能小車設計方案

項目簡介

今天的開源推薦是——【嵌入式】逐夢壹號-基于STC32的智能小車設計。

本文會結合：電路學習、PCB 設計、焊接與單片機開發(fā)進行教學，并以視頻和文檔的形式講述如何制作出一輛帥氣的智能小車，做到零基礎學習!

01 功能介紹

一輛優(yōu)秀的四驅小車，它的功能必須是強大的，逐夢壹號具備以下八項核心功能，且每一項功能都對應了單片機知識點：

車頭放置兩個 LED，模擬汽車燈光系統(tǒng)，學習單片機的輸出功能;

使用獨立按鍵，模擬汽車一鍵啟動功能，學習單片機的輸入檢測;

無源蜂鳴器音樂產(chǎn)生，讓行駛途中不再枯燥，學習定時器功能配置;

路上沒電怎么辦，使用電池電壓檢測功能，學習 ADC 電壓采集功能;

四路電機獨立控制，實現(xiàn)小車行走，學習電機驅動及 PWM 輸出功能;

前方有障礙物，超聲波避障讓小車行駛更安全，學習傳感器的使用;

紅外光電對管，實現(xiàn)小車無人駕駛循跡功能，學習傳感器的使用;

使用藍牙模塊，通過手機 APP 控制小車行駛，掌握串口協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸;

總體設計方案

逐夢壹號以 STC32 核心板為主控，兩節(jié) 3.7V14500 鋰電池供電，經(jīng)過 7805穩(wěn)壓芯片輸出 5V 電壓給單片機與其它模塊進行供電。

一個獨立按鍵用于模擬一鍵啟動，模式切換等功能;

兩個車燈模擬汽車行駛過程中的單閃，雙閃以及近光燈和遠光燈的功能;

無源蜂鳴器用于產(chǎn)生音樂及警報功能;

ADC 電阻分壓網(wǎng)絡給單片機采集電池電壓，電量過低時警報;

藍牙模塊用于與手機連接進行無線控制;

使用 393 比較器電路與紅外光電傳感器檢測地面黑線，實現(xiàn)循跡功能;

超聲波模塊讀取與前方障礙物距離，避免撞車，實現(xiàn)四驅車的避障。

逐夢壹號功能布局圖如下所示：

圖 2-1 逐夢壹號功能布局圖

原理圖設計

相信聰明的你已經(jīng)對逐夢壹號的功能有了一個大致的了解，那么這些功能是如何實現(xiàn)的，它們的電路應該如何進行設計呢?

接下來我們一起一層層剖開電路設計的面紗，了解那些不為人知的故事，好像有點神秘，但其實掌握好方法后電路其實也就那么回事。

01 核心板電路

逐夢壹號上的主控是一塊可拔插的 STC32 核心板，使用核心板的好處是可以自由設計更換主控，而且焊接起來更加方便。

在學習過程中完成逐夢壹號四驅車的設計后還可以用核心板去設計其它的擴展項目，另外核心板尺寸小巧可以直接插到面包板或者洞洞板，實現(xiàn)快遞搭建電路模塊進行驗證。

圖 3-1 STC32 核心板電路原理圖

圖 3-2 STC32 核心板功能布局圖

核心板上板載 CH340N 串口芯片，配合程序下載按鈕，可以直接進行程序燒錄以及串口調試。

24C02 Flash 存儲芯片用于程序空間的擴展，適應更加復雜的項目開發(fā)

使用 431 基準源給芯片提供穩(wěn)定的基準電壓。

作為最小系統(tǒng)必備的獨立按鍵和 LED 燈也是必不可少的

單獨對核心板進行學習，也能夠掌握 STC32 的基本開發(fā)能力，接下來要做的就是通過一些擴展項目加強個人能力和培養(yǎng)與項目開發(fā)的能力。

02 電源輸入電路

在設計電源電路時需要重點考慮四驅小車整體的工作電壓：

比如 STC32 核心板的工作電壓是 5V，電機參考電壓是 6V，那么電源輸入電壓就不能低于 6V。常見的供電設備就是外接電池。

一般的干電池是 1.5V，那至少需要 4 節(jié)電池， 而干電池又不能循環(huán)充電，容易造成資源浪費。故而選擇支持充電的鋰電池。

鋰電池的種類很多，在具體選型的時候主要根據(jù)體積以及容量來選型。綜合考慮小車整體大小，最終選用了 14500 兩節(jié)鋰電池供電，工作電壓為 3.7*2=7.4V。

設計電路如圖 3-3 所示：

圖 3-3 電源輸入電路

圖中P1 為雙節(jié) 14500 的電池座，裝上電池后，經(jīng)過 D1 防反接的二極管，開關 SW1 打開，電源通過 7805 線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到 5V 輸出。

C1 和C2 為電源濾波電容;LED1 為電源指示燈;R5 為限流電阻，這里取 10K，讓LED 發(fā)光不會太亮，同時也是為了減少項目中所用元件種類;U1 為 7805 穩(wěn)壓器的散熱片，避免工作過久芯片發(fā)熱嚴重，給它降降溫。

03 LED 驅動電路

沒有車燈的小車是沒有靈魂的，那還必須選擇高亮的 LED 用來模擬汽車的左右車燈。

LED 燈的陰極接電源地 GND，這里限流電阻取值就稍微小一些，讓LED 電流更大，燈更亮;LED 燈的程序控制也比較容易，R7 電阻左端連接一個LED-R 的網(wǎng)絡標簽與單片機引腳連接，當引腳輸出高電平時，二極管導通，LED 點亮;利用定時器及延時以及 IO 口輸出配置，就可以實現(xiàn)車燈閃爍以及高亮和弱亮的呈現(xiàn)效果了。

圖 3-4 LED 燈驅動電路

04 按鍵輸入電路

為了模擬一鍵啟動以及模式切換功能，在智能小車上使用一個獨立按鍵進行控制，可以實現(xiàn)長按以及短按的功能。

該按鍵引腳與單片機的中斷引腳相連，也可以進行中斷實驗演示。

檢測原理為：單片機的引腳與按鍵連接，當按鍵按下時， 按鍵導通接到 GND 電平，即單片機引腳檢測到低電平后告訴單片機我已經(jīng)檢測到按鍵按下的信號了，你可以去執(zhí)行 XXX 操作。這就是單片機外部信號檢測的基本原理。

圖 3-5 獨立按鍵電路

05 蜂鳴器驅動電路

為了當智能小車能發(fā)出聲音，你可能會想加上一個喇叭，但是同樣還需要一個聲音信號的產(chǎn)生，如此設計的話整體電路會變得比較復雜。

在眾多電子元器件中，有那么一種神奇的元件，它可以發(fā)出各種音調的聲音，它就是無源蜂鳴器。相對于無源蜂鳴器，它還有個親兄弟叫有源蜂鳴器。

值得注意的是這里的“源”指的是振蕩源而不是電源。

有源蜂鳴器只要通上電就可以發(fā)出響聲，無需外圍電路設計，缺點是只能固定發(fā)出某個頻率的音調， 不能更改。

而無源蜂鳴器不能直接通電使用，還需要外部輸入一個振蕩信號，缺點是外圍電路設計相對復雜些，但能夠自由控制蜂鳴器輸出的聲音，我們就可以使用無源蜂鳴器這一特性生成一些美妙的音樂了。

圖 3-6 無源蜂鳴器驅動電路

由于單片機的 IO 口驅動電流太小，不能直接驅動無源蜂鳴器，所以需要專門設計一個驅動電路，如圖 3-6 所示。

S8050 三極管起開關作用，當輸入信號為高電平時，三極管導通，蜂鳴器發(fā)聲。二極管 D2 為續(xù)流作用，保護蜂鳴器不會損壞。

06 ADC 檢測電路

ADC，即模擬信號轉數(shù)字信號的轉換器。

電壓信號是一個模擬值，一直不斷的變化狀態(tài)的，使用單片機的 ADC 功能，可以將變化的電壓狀態(tài)轉換成我們所需要的電壓參數(shù)。

我們所用的鋰電池電壓為 3.7V 不代表電池滿電電壓是 3.7V， 而是 4.2V，當電池電壓為 3.7V 時電量僅剩 20%，此時應注意充電。

有了 ADC 電壓檢測功能就可以很方便的時刻監(jiān)控電池的容量，再結合無源蜂鳴器做一個電量過低的警報，提醒我們該去充電了。

逐夢壹號使用兩節(jié)鋰電池供電，即 4.2*2=8.4V，這個電壓是不能直接接到單片機的 IO 口的，容易損壞單片機。通用的處理方式是使用電阻進行分壓或者說使用運放電路將電壓降低到單片機容忍的電壓以內。

這里我們使用了三顆 10K 的電阻進行分壓，取 1/3 電壓點接到單片機的 ADC 引腳。

圖 3-7 ADC 電阻分壓電路

07 電機驅動電路

電機驅動是小車的基礎所在。單片機直接輸出的電流太小，不足以帶動小車行走。

電機電路采用了 RZ7899 電機專用驅動芯片，該芯片外圍電路簡單，非常適合智能小車等小型電機驅動應用。它由邏輯輸入端口 BI 和 FI 控制電機前進、后退以及制動，配合單片機 PWM 輸出可以控制電機轉速。

在焊接時注意在電機上并聯(lián)一個 104 的瓷片電容起著防干擾的作用。電機則使用的 N20 電機，小巧精致，電機焊接時使用排針直接與電機控制引腳連接，十分方便，小車的安裝后續(xù)可觀看組裝視頻。

圖 3-8 電機驅動電路

08 超聲波避障電路

為了避免逐夢壹號在行駛過程中出現(xiàn)撞車事故，使用了一個超聲波模塊放置在小車車頭。超聲波模塊的型號為 HC-SR04，使用四個引腳與單片機連接，分別是 GND、VCC、Trig 以及 Echo 引腳，除去電源引腳，只需要兩根信號線就可以檢測超聲波，也能檢測前方障礙物的距離，檢測原理方法將在軟件部分講解。

圖 3-9 HC-SR04 超聲波模塊

圖 3-10 超聲波模塊接口電路

09 紅外循跡電路

紅外循跡電路是以 ITR9909 傳感器為核心，使用 XD393 比較器進行檢測輸入狀態(tài)，配合精度調整的電位器，測量距離在 1mm~15mm 范圍內可調節(jié)。

小車循跡一般是在白色地板上沿著一根黑線行走，利用紅外光在不同顏色的反射情況進行識別：

紅外光一直對外發(fā)射，車底如果是白色地板，光線會被折射回去，此時接收管接收到信號，經(jīng)過比較器輸出低電平，LED 指示燈亮，單片機檢測到低電平;

如果車行駛在黑線周邊，紅外光被黑色吸收，接收管接收不到發(fā)射的信號，此時比較器電路輸出為高電平，LED 指示燈熄滅，單片機檢測到高電平。

循跡其實也就是一個尋找黑線以及沿著黑線行走的過程。

圖 3-11 紅外光電循跡電路(右側兩路)

10 藍牙接口電路

既然是要做一輛智能小車，那么無線控制少不了。

常用的智能小車控制方案有：紅外、藍牙、WIFI、2/4G 等方案。逐夢壹號所選用的是藍牙控制，這種方式電路簡單，手機就是遙控器，另外還可以學習藍牙 APP 的設計。

智能小車上使用 HC05 藍牙主從模塊，一共有 6 個引腳。

EN 引腳用于控制藍牙模塊進入 AT 指令，設置為高電平時，可以設置藍牙模塊的狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸;

VCC 引腳和 GND 引腳為電源輸入引腳，輸入電壓范圍為 3.6-6V;

TXD 和 RXD 是用于與單片機連接的串口引腳，其中 RXD 接單片機的 TXD，TXD 接單片機的 RXD 引腳，此處需留意不能接反;

最后一個引腳為 STATE 引腳，功能是顯示藍牙配對的狀態(tài)。當藍牙連接上手機時，該引腳輸出高電平。

圖 3-12 HC-05 藍牙主從模塊

圖 3-13 藍牙模塊接口電路

11 電路原理圖及器件列表

將以上電路進行整合，我們就得到了下圖的整體電路設計圖。

圖 3-14 逐夢壹號電路原理圖

在嘉立創(chuàng)EDA 繪制逐夢壹號原理圖時，可按照下表中的器件名稱、封裝及立創(chuàng)商城編號進行搜索設計，也可以自由選型，設計過程中如有疑惑可查看逐夢壹號原理圖設計視頻，以下物料清單僅供設計參考：

PCB 設計

完成電路原理圖的設計之后那么下一步就來到了 PCB 設計環(huán)節(jié)。

01 小車外形設計

一輛帥氣的四驅小車，那么必須擁有一個精致的車型。

說到四驅小車，那就不得不說四驅車的典型代表-田宮四驅車。我們可以在網(wǎng)絡上找到各式各樣田宮四驅車的車型， 選擇一款喜歡的車型進行參照設計，如果你恰好會 3D 建模，還可以給自己的小車設計一個漂亮的外殼出來，打造屬于自己獨一無二的智能小車。

圖 4-1 田宮雙星四驅車T2 底盤

圖 4-2《四驅兄弟》勝利沖鋒四驅車

智能小車的外形可以在專業(yè)的CAD 軟件里面設計后將DXF 軟件導入到嘉立創(chuàng)EDA 專業(yè)版里面作為板框層—即 PCB 的外形，也可以直接在軟件里面根據(jù)自己的想法進行設計創(chuàng)造。

逐夢壹號的車型設計時參照了技小新四驅智能小車，結合電路結構特性設計而成，完美地將所有元器件合理地擺放在車體上，即使不加外殼也顯得十分好看。

具體設計方法請查看視頻教程。

圖 4-3 技小新四驅小車底盤圖

圖 4-4 逐夢壹號外形示意圖

02 PCB 布局

在進行 PCB 設計一定需要注意的是布局的合理性，在有限的板子空間內放置電池、電機、核心板以及各種電路模塊。

布局合理性指的是輸入輸出接口能操作方便，各電路模塊擺放在同一區(qū)域且擺放整理。

在對智能小車進行布局時只需要根據(jù)小車的功能區(qū)域進行擺放：四個電機分布在兩側，超聲波模塊放前面，光電循跡傳感器靠近車頭，電池盒和核心板位置放中間位置，電源及開關放車尾便于操作。

這樣一頓操作下來其實小車整體布局已經(jīng)出來了，左右兩翼可以根據(jù)電路情況擺放藍牙模塊以及蜂鳴器電路。

總結下來就是先放核心器件，再擺放其它次要器件，器件布局時按各個電路模塊放置， 考慮電氣特性，擺放整齊合理。詳細布局流程與方法請觀看視頻：

圖 4-5 逐夢壹號布局參考圖1

圖 4-6 逐夢壹號布局參考圖 2

03 PCB 走線

一個好的布局相當于完成了 PCB 設計的一大半工作。

在 PCB 走線時需將電源線適當加粗，網(wǎng)絡線粗細程度為：GND 線>電源線>信號線。

在逐夢壹號智能小車設計中，主電源輸入線寬為 45mil，VCC 及+5V 網(wǎng)絡線寬為 30mil，常規(guī)信號線為 15mil，電機驅動處使用 80mil 粗導線連接，提高導線過流與散熱能力。

圖 4-7 電源線與信號線線寬比較

圖 4-8 電機驅動芯片連接圖

走線避免走直角，使用 45°角折線或者圓弧走線，走線以橫平豎直為主，需要拐彎時拐角要小，保持走線的美觀性。

圖 4-9 圓弧拐角走線(正確)

圖 4-10 135°拐角走線(正確)

圖 4-11 直角拐角走線(錯誤)

圖 4-12 拐角折線過長(錯誤)

04 整理與優(yōu)化

PCB 走線完成后接下來進行下一步，整理與優(yōu)化。

這一個步驟需要像菜市場挑菜一樣，細細檢查，把一些可能存在的問題依次排除，最后在加上絲印標記以及 logo 就可以完成整個 PCB 的設計了，可根據(jù)以下步驟逐一優(yōu)化 PCB：

第一步：檢查 DRC，根據(jù)提示解決 DRC 錯誤

DRC(設計規(guī)則檢查)的檢查在 PCB 設計里面尤為重要，為了避免走線遺漏以及走線太近等問題的出現(xiàn)，在完成 PCB 設計后需進行 DRC 檢查。

點擊嘉立創(chuàng) EDA 頂部工具欄的“設計”-“DRC 檢查”，也可以使用快捷鍵“S”打開底部面板，選擇 DRC，點擊“檢查 DRC”，檢查出問題后點擊問題的對象即可在PCB 中定位到錯誤的地方，根據(jù)報錯解釋進行修改即可。

圖 4-13 的錯誤提醒就是忘記連接 GND 導線了，當然這個問題可以用敷銅功能快速解決。

圖 4-13 DRC 檢查窗口

第二步：放大 PCB，逐步檢查走線連接情況

這一步其實就是用鼠標滾輪放大 PCB，從電源輸入部分再到單片控制電路逐一排查，對整體走線進行優(yōu)化。

需要檢查的地方有：導線超過焊盤冒尖、導線折角過長、差分等長走線未對齊、焊盤出線方向不對、導線太細、導線間距太窄、電源走線不合理等基礎問題。

檢查完畢后還需要對整體 PCB 進行添加淚滴操作， 以加固焊盤與導線的連接，避免焊接過程中過熱導致導線銅皮脫落。

第三步：添加絲印及 logo 標識

走線優(yōu)化完成便我們的 PCB 設計已經(jīng)接近尾聲了，為了讓這份辛苦有一個好的收尾，絲印標記以及 logo 添加也是必不可少的。

逐夢壹號智能小車上需要外接一個藍牙模塊以及超聲波模塊，設計時需要留意是否有明顯標記引腳功能，防止模塊插反報廢。

接口位置標記后接下來需要對所有的元器件位號進行整理，位號擺放位置需一致。空間允許的情況下還可以把元件的參數(shù)也顯示出來，在焊接時就顯得十分方便了。

最后再合適的位置加上自己喜歡的圖案以及 logo，完成 PCB 的設計。