基于RA8单片机的智能小车项目方案

嵌入式专栏 · 发表于 2025-2-12 12:20:00

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作者 | strongerHuang
微信公众号 | 嵌入式专栏

智能小车虽然是大学生参加电子设计竞赛常见的一个项目，但其中包含的技术确非常多，是一个综合性的嵌入式系统项目，也值得大学生，以及已经参加工作的嵌入式开发者学习的一个项目。掌握智能小车的所有技术，以后找工作就会很轻松。
本文基于瑞萨RA8单片机，e2 studio开发环境，给大家讲述一下智能小车项目的方案，并附上主要的源代码。
智能小车功能及设计要点
智能小车是一个综合性的嵌入式系统项目，包含的功能及设计要点比较多。
1. 电机驱动控制功能描述：
控制小车的左右电机，实现前进、后退、左转、右转、停止等基本运动功能。
实现方式：
使用电机驱动模块（如L298N）控制电机的正反转和速度。
通过PWM（脉宽调制）调节电机速度。
使用GPIO控制电机的方向。
关键技术：
PWM信号生成。
GPIO控制。
2. 寻迹功能功能描述：
小车能够自动沿着预设的黑线或白线行驶。
实现方式：
使用红外传感器或灰度传感器检测地面黑线。
根据传感器反馈的数据调整小车的运动方向。
关键技术：
传感器数据采集。
控制算法（如PID控制）实现精准循迹。
3. 避障功能功能描述：
小车能够检测前方障碍物并自动避开。
实现方式：
使用超声波传感器或红外避障模块检测前方障碍物。
根据检测结果调整小车的运动方向。
关键技术：
超声波测距或红外避障。
避障算法（如转向或后退）。
4. 通信功能功能描述：
小车能够与上位机（如PC或手机）进行通信，接收控制指令并发送传感器数据。
实现方式：
使用UART、蓝牙、Wi-Fi等通信模块实现数据传输。
定义通信协议，如发送控制命令（前进、后退等）和接收传感器数据。
关键技术：
串口通信（UART）。
无线通信（蓝牙、Wi-Fi）。
通信协议设计。
5. 遥控功能功能描述：
用户可以通过遥控器或手机APP远程控制小车的运动。
实现方式：
使用红外遥控器、蓝牙或Wi-Fi模块接收控制指令。
解析指令并控制小车的运动。
关键技术：
红外信号解码。
蓝牙/Wi-Fi通信。
6. 环境监测功能描述：
小车能够实时监测环境参数（如温度、湿度、光照强度等）。
实现方式：
使用温湿度传感器、光照传感器等采集环境数据。
通过通信模块将数据发送到上位机或显示在LCD屏幕上。
关键技术：
传感器数据采集。
数据通信与显示。
7. 路径规划与导航功能描述：
小车能够根据预设的路径或地图自主导航。
实现方式：
使用地图数据或路径规划算法（如A*算法）。
结合传感器数据实现自主导航。
关键技术：
路径规划算法。
传感器融合（如红外、超声波、摄像头）。
8. 显示与交互功能描述：
小车能够通过LCD屏幕显示状态信息（如速度、方向、传感器数据等）。
用户可以通过按键或触摸屏与小车的交互。
实现方式：
使用LCD屏幕显示信息。
使用按键或触摸屏输入控制指令。
关键技术：
LCD驱动。
按键或触摸屏输入处理。
9. 电源管理功能描述：
管理小车的电源，确保系统稳定运行。
实现方式：
使用电池供电，设计电源管理电路。
监测电池电量，低电量时提醒用户充电。
关键技术：
电源管理电路设计。
电池电量监测。
10. 数据存储与日志功能描述：
小车能够记录运行日志或传感器数据，便于后续分析。
实现方式：
使用EEPROM或SD卡存储数据。
定义数据格式，如时间戳、传感器数据等。
关键技术：
数据存储（EEPROM、SD卡）。
数据格式设计。
11. 扩展功能功能描述：
根据需求扩展更多功能，如摄像头图像识别、语音控制等。
实现方式：
使用摄像头模块实现图像识别。
使用语音识别模块实现语音控制。
关键技术：
图像处理与识别。
语音识别与处理。
12. 系统集成与调试功能描述：
将所有功能模块集成到一个完整的系统中，并进行调试和优化。
实现方式：
编写主程序，协调各个模块的工作。
使用调试工具（如逻辑分析仪、串口调试助手）进行调试。
关键技术：
多任务调度。
系统调试与优化。
13. 用户界面设计功能描述：
设计友好的用户界面，方便用户控制小车和查看状态。
实现方式：
使用LCD屏幕或手机APP显示用户界面。
提供按键、触摸屏或语音控制等交互方式。
关键技术：
用户界面设计。
交互逻辑实现。
14. 安全与故障处理功能描述：
确保小车在运行过程中安全可靠，能够处理突发故障。
实现方式：
设计故障检测机制（如电机堵转检测）。
实现安全保护措施（如紧急停止）。
关键技术：
故障检测与处理。
安全保护机制。
15. 性能优化功能描述：
优化小车的性能，如提高响应速度、降低功耗等。
实现方式：
优化控制算法。
降低系统功耗（如使用低功耗模式）。
关键技术：
算法优化。
低功耗设计。

智能小车功能实现
这里主要实现以下几个功能。
自主避障:超声波传感器实时检测前方障碍物距离当距离小于设定阈值时，小车停止前进并转向转向后继续前进，直到避开障碍物巡线行驶:红外传感器检测地面黑线根据传感器信号调整小车方向，使其沿黑线行驶遥控控制:手机APP通过蓝牙发送指令小车接收指令后执行相应的动作，例如前进、后退、左转、右转等[/ol]
硬件
主控芯片: 瑞萨RA8D1单片机电机驱动: L298N电机驱动模块传感器:超声波传感器 (HC-SR04) 用于避障红外传感器 (TCRT5000) 用于巡线蓝牙模块 (HC-05) 用于遥控电源: 7.4V锂电池其他: 车轮、底盘、舵机等[/ol]软件

开发环境: e2 studio编程语言: C语言功能模块:电机控制: 通过PWM信号控制电机转速和方向超声波测距: 利用定时器测量超声波往返时间，计算距离红外巡线: 读取红外传感器信号，判断小车位置蓝牙通信: 接收手机APP发送的指令，控制小车运动数据处理: 对传感器数据进行处理，实现避障、巡线等算法[/ol]
主要源代码
1、电机驱动控制代码

#include "r_smc_entry.h"#include "r_gpio_rx_if.h"#include "r_pwm_rx_if.h"
#define MOTOR_LEFT_FORWARD (BSP_IO_PORT_01_PIN_00)  // 左电机前进#define MOTOR_LEFT_BACKWARD (BSP_IO_PORT_01_PIN_01)  // 左电机后退#define MOTOR_RIGHT_FORWARD (BSP_IO_PORT_01_PIN_02)  // 右电机前进#define MOTOR_RIGHT_BACKWARD  (BSP_IO_PORT_01_PIN_03)  // 右电机后退#define PWM_CHANNEL_LEFT    (0)  // 左电机PWM通道#define PWM_CHANNEL_RIGHT    (1)  // 右电机PWM通道
// 初始化电机驱动void motor_init(void){ R_GPIO_PinCfg(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT); R_GPIO_PinCfg(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT); R_GPIO_PinCfg(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT); R_GPIO_PinCfg(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_CFG_OUTPUT | GPIO_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT);
R_PWM_Open(PWM_CHANNEL_LEFT, 1000);  // 初始化左电机PWM，频率1kHz R_PWM_Open(PWM_CHANNEL_RIGHT, 1000); // 初始化右电机PWM，频率1kHz}
// 设置电机速度void motor_set_speed(uint8_t channel, uint16_t speed){ R_PWM_Write(channel, speed);  // 设置PWM占空比}
// 控制小车运动void car_move_forward(void){ R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);}
void car_move_backward(void){ R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);}
void car_turn_left(void){ R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);}
void car_turn_right(void){ R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_HIGH); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_HIGH);}
void car_stop(void){ R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_LEFT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_FORWARD, GPIO_LEVEL_LOW); R_GPIO_PinWrite(MOTOR_RIGHT_BACKWARD, GPIO_LEVEL_LOW);}
2、寻迹功能

#define IR_SENSOR_LEFT (BSP_IO_PORT_02_PIN_00)  // 左侧红外传感器#define IR_SENSOR_RIGHT (BSP_IO_PORT_02_PIN_01)  // 右侧红外传感器
// 读取红外传感器状态uint8_t read_ir_sensor(void){ uint8_t left = R_GPIO_PinRead(IR_SENSOR_LEFT); uint8_t right = R_GPIO_PinRead(IR_SENSOR_RIGHT); return (left 1) | right;  // 返回传感器状态}
// 自动寻迹void car_line_following(void){ uint8_t sensor_state = read_ir_sensor(); switch (sensor_state) {       case 0b01:  // 左侧检测到黑线          car_turn_left();          break;       case 0b10:  // 右侧检测到黑线          car_turn_right();          break;       case 0b11:  // 两侧都检测到黑线          car_move_forward();          break;       default: // 未检测到黑线          car_stop();          break; }}
3、超声波与距离

// 超声波初始化void ultrasonic_init(void){ // 配置Trig引脚为输出模式，Echo引脚为输入模式 R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl, TRIG_PIN, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_OUTPUT); R_IOPORT_PinCfg(&g_ioport_ctrl, ECHO_PIN, IOPORT_CFG_PORT_DIRECTION_INPUT);}
// 获取距离uint32_t get_distance(void){ uint32_t duration = 0;
// 发送10us的高电平脉冲 R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, TRIG_PIN, IOPORT_LEVEL_HIGH); R_BSP_SoftwareDelay(10, BSP_DELAY_UNITS_MICROSECONDS); R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, TRIG_PIN, IOPORT_LEVEL_LOW);
// 等待Echo引脚变高 while (R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, ECHO_PIN) == IOPORT_LEVEL_LOW);
// 开始计时 R_GPT_Start(&g_timer0_ctrl);
// 等待Echo引脚变低 while (R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, ECHO_PIN) == IOPORT_LEVEL_HIGH);
// 停止计时并获取时间 R_GPT_Stop(&g_timer0_ctrl); duration = R_GPT_CounterGet(&g_timer0_ctrl);
// 计算距离 return duration * 0.034 / 2;}
5、通信功能

#define UART_CHANNEL (2)  // 使用UART2
volatile bool g_uart_rx_complete = false;char g_uart_rx_buffer[64] = {0};uint16_t g_uart_rx_index = 0;
// UART回调函数void uart_callback(uart_callback_args_t *p_args){ if (p_args->event == UART_EVENT_RX_CHAR) {       if (p_args->data != '\r' && p_args->data != '
')       {          g_uart_rx_buffer[g_uart_rx_index++] = p_args->data;       }       else if (p_args->data == '
')       {          g_uart_rx_buffer[g_uart_rx_index] = '\0';          g_uart_rx_complete = true;          g_uart_rx_index = 0;       } }}
// 初始化UARTvoid uart_init(void){ uart_instance_ctrl_t uart_ctrl; const uart_cfg_t uart_cfg = {       .channel          = UART_CHANNEL,       .data_bits          = UART_DATA_BITS_8,       .parity             = UART_PARITY_OFF,       .stop_bits          = UART_STOP_BITS_1,       .p_callback       = uart_callback,       .p_context          = NULL,       .p_extend          = NULL,       .baud_rate          = 9600,       .rx_buffer_size    = 64,       .tx_buffer_size    = 64, }; R_UART_Open(&uart_ctrl, &uart_cfg);}
// 发送数据到上位机void uart_send_data(char *data){ R_UART_Write(UART_CHANNEL, (uint8_t *)data, strlen(data));}
6、主函数

void hal_entry(void){ // 初始化 motor_init(); ultrasonic_init();
while (1) { // 获取距离 distance = get_distance();
// 避障逻辑 if (distance 20) { stop(); turn_left(); } else { move_forward(); } }}以上只是智能小车设计的主要内容，提供一个指导方向，更多具体细节，需要大家自己在真正做项目时优化改进。------------ END -----------

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