智能小车系统概述
智能小车作为嵌入式技术与人工智能结合的典型应用，集成了传感器数据采集、路径规划、运动控制等功能，广泛应用于教育、工业自动化及消费电子领域，本文将完整分享智能小车的全部原理图设计思路及核心程序实现，涵盖硬件选型、电路连接、软件算法等关键环节，帮助读者从零构建一套功能完备的智能小车系统。
硬件原理图设计与解析
核心控制器模块
智能小车的主控单元选用STM32F103C8T6微控制器，该芯片基于ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，拥有64KB Flash、20KB RAM，以及丰富的外设接口（如UART、I2C、SPI、ADC等），足以满足小车的实时控制需求，原理图中，控制器最小系统包括：外部8MHz晶振电路（提供精准时钟）、复位电路（按键复位+上电复位）、SWD调试接口（程序下载与调试），以及电源滤波网络（10μF电解电容+0.1μF陶瓷电容）确保供电稳定性。
电机驱动模块
小车采用双轮差速驱动结构，电机驱动选用L298N模块，该模块可驱动两路直流电机，支持单极性或双极性驱动模式，最大驱动电流2A/路，原理图中，L298N的输入接口IN1-IN4连接STM32的GPIO口（如PA0-PA3），通过PWM信号控制电机转速；使能端ENA、ENB分别连接TIM1和TIM2的PWM输出通道，实现无级调速；电源端接12V/2A锂电池，通过7805线性稳压芯片为STM5V供电，同时续流二极管（1N4007）保护模块免受电机反向电动势冲击。
传感器模块
（1）循迹传感器：采用TCRT5000红外对管模块，包含发射管与光敏接收管，通过反射红外线检测黑线，原理图中，模块输出端接STM32的ADC引脚（如PA4-PA7），通过电压比较（阈值设定为2.5V）实现数字信号输出，便于STM32识别循迹路径。
（2）避障传感器：选用HC-SR04超声波模块，测距范围2cm-4m，原理图中，Trig触发端接STM32的GPIO口（如PB0），Echo回响端接外部中断引脚（如PB1），通过定时器捕获回响时间计算距离（距离=声速×时间/2，声速取340m/s）。
（3）姿态传感器：可选MPU6050六轴传感器（3轴加速度计+3轴陀螺仪），通过I2C接口（SDA接PB6，SCL接PB7）与STM32通信，实现小车姿态解算（如角度、角速度），用于平衡控制或方向修正。
电源管理模块
智能小车采用12V锂电池供电，通过LM2596开关降压模块转换为5V为传感器和逻辑电路供电，再通过AMS1117-3.3V LDO芯片为MPU6050等3.3V设备供电，原理图中，电源输入端加装反接保护二极管（1N5819），输出端并联1000μF电容滤波，确保电压纹波小于50mV，避免电压波动影响系统稳定性。
软件程序设计与实现
开发环境与程序架构
软件开发基于Keil MDK 5.29，使用STM32CubeMX生成初始化代码，程序采用模块化设计，包含主程序、传感器驱动、电机控制、路径规划等模块，主程序流程：系统初始化→传感器数据采集→决策算法→电机控制→循环执行。
核心程序代码解析
（1）电机PWM控制：
void Motor_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 71;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 999;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 499; // 50%占空比
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}
（2）循迹传感器数据处理：
uint8_t Track_Sensor_Read(void) {
uint8_t sensor_value = 0;
for(int i=0; i<4; i++) {
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4<<i) == GPIO_PIN_RESET) {
sensor_value |= (1<<i); // 检测到黑线置1
}
}
return sensor_value;
}
（3）超声波避障算法：
float Ultrasonic_Read(void) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(10);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0);
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET);
float distance = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3) * 0.017; // 时间(us)*0.017=距离(cm)
return distance;
}
（4）PID循迹算法：
float PID_Calculate(float error) {
static float integral = 0, last_error = 0;
integral += error;
float derivative = error - last_error;
float output = KP*error + KI*integral + KD*derivative;
last_error = error;
return output;
}
KP、KI、KD为比例、积分、微分系数，需通过实验调试优化。
通信与调试功能
程序预留USART1通信接口（PA9-TX, PA10-RX），波特率设为115200，用于打印传感器数据及调试信息；同时支持蓝牙模块（HC-05）无线通信，可通过手机APP远程控制小车或实时查看状态。
系统调试与优化
硬件调试阶段，需重点检查电源电压（确保5V/3.3V稳定）、传感器信号（如TCRT5000输出电压是否随反射面变化）、电机驱动逻辑（正反转是否正常）；软件调试通过串口打印关键变量（如传感器值、PID输出），结合逻辑分析仪观察PWM波形，逐步优化算法参数，循迹小车可通过调整PID系数实现平滑过弯，避障小车可通过设定阈值（如距离<20cm触发转向）优化避障策略。
本文分享了智能小车的完整原理图设计及核心程序实现，涵盖了从硬件选型、电路连接到软件算法、系统调试的全流程，通过STM32作为主控，结合L298N电机驱动、TCRT5000循迹、HC-SR04避障等模块，可实现基础的循迹、避障功能；若扩展MPU6050姿态传感器，还可升级为自平衡小车，该方案硬件成本低、可扩展性强，适合嵌入式开发爱好者学习与实践，为进一步研究机器视觉、SLAM等高级技术奠定基础。
