用STM32F103C8T6和TB6612驱动模块，从零搭建一辆能自动避障的小车（附完整代码）
用STM32F103C8T6和TB6612驱动模块从零搭建自动避障小车
第一次接触嵌入式开发时，最令人兴奋的莫过于让冰冷的硬件"活"起来。本文将带你用最常见的STM32蓝色小板（F103C8T6）和TB6612电机驱动模块，从焊接电路到编写代码，完整实现一个能自主避开障碍物的智能小车。不同于市面上复杂的多功能方案，我们聚焦最核心的避障功能，确保每个步骤都能被初学者理解并复现。
1. 硬件准备与电路连接
1.1 核心元件清单
确保备齐以下基础组件（总成本控制在200元内）：
- 主控：STM32F103C8T6最小系统板（带USB转串口）
- 电机驱动：TB6612FNG模块（比L298N更高效）
- 测距传感器：HC-SR04超声波模块
- 动力系统：TT马达+车轮套件（配3.7V锂电池）
- 结构件：亚克力小车底盘、万向轮
- 连接件：杜邦线（建议用20cm公对公+公对母组合）
提示：TB6612的VM引脚需接5V电源，但逻辑控制端(VCC)接3.3V即可，避免与STM32电平不匹配。
1.2 关键电路连接图示
用表格梳理必须的接线关系：
| STM32引脚 | 连接目标 | 功能说明 |
|---|---|---|
| PA6 | TB6612 PWMA | 左侧电机PWM信号 |
| PA7 | TB6612 PWMB | 右侧电机PWM信号 |
| PB0 | TB6612 AIN1 | 左侧电机方向控制1 |
| PB1 | TB6612 AIN2 | 左侧电机方向控制2 |
| PB10 | TB6612 BIN1 | 右侧电机方向控制1 |
| PB11 | TB6612 BIN2 | 右侧电机方向控制2 |
| PC8 | HC-SR04 Trig | 超声波触发信号 |
| PC9 | HC-SR04 Echo | 超声波回波信号 |
// 示例：GPIO初始化代码片段 void GPIO_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // 配置PB0/PB1为推挽输出（电机方向控制） GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); }2. 电机驱动与PWM配置
2.1 TB6612双路控制原理
TB6612相比传统L298N有三个显著优势：
- 效率提升：MOSFET驱动架构使功耗降低70%
- 体积缩小：模块面积仅硬币大小
- 保护完善：内置过热关断和低压检测
电机转向真值表：
| AIN1 | AIN2 | 电机动作 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 刹车 |
| 0 | 1 | 正转 |
| 1 | 0 | 反转 |
| 1 | 1 | 停止 |
2.2 STM32的PWM生成实战
使用TIM3的通道1/2生成两路PWM：
void PWM_Init(uint16_t arr, uint16_t psc) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 时基配置：72MHz/(719+1)/(999+1) = 100Hz TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = psc; TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = arr; TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStruct); // PWM模式配置 TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比0% TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct); // 通道1(PA6) TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStruct); // 通道2(PA7) TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE); }注意：实际调试时先用
TIM_SetCompare1(TIM3, 500)设置50%占空比，观察电机是否匀速转动。
3. 超声波测距模块驱动
3.1 HC-SR04时序解析
完整测距流程分为三步：
- 触发：给Trig引脚10μs以上高电平
- 回波检测：Echo引脚高电平持续时间即声波往返时间
- 距离计算：
距离(cm) = 高电平时间(μs)/58
float Get_Distance(void) { GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_8); delay_us(15); GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_8); while(!GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_9)); // 等待Echo变高 uint32_t start = micros(); while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_9)); // 等待Echo变低 uint32_t duration = micros() - start; return (float)duration / 58.0f; }3.2 滤波算法优化
原始数据易受干扰，建议采用移动平均滤波：
#define SAMPLE_SIZE 5 float distance_buffer[SAMPLE_SIZE]; float Filtered_Distance(void) { // 滑动窗口更新数据 for(int i=SAMPLE_SIZE-1; i>0; i--) { distance_buffer[i] = distance_buffer[i-1]; } distance_buffer[0] = Get_Distance(); // 计算平均值 float sum = 0; for(int i=0; i<SAMPLE_SIZE; i++) { sum += distance_buffer[i]; } return sum / SAMPLE_SIZE; }4. 避障算法设计与实现
4.1 三阶段避障策略
根据距离采取不同动作：
| 距离范围(cm) | 执行动作 | PWM占空比 |
|---|---|---|
| >30 | 全速前进 | 80% |
| 15-30 | 减速前进 | 50% |
| <15 | 后退→右转90°→继续检测 | 30% |
4.2 状态机实现代码
typedef enum { STATE_FORWARD, STATE_BACKWARD, STATE_TURN_RIGHT, STATE_CHECK } ObstacleState; void Avoidance_Logic(void) { static ObstacleState state = STATE_FORWARD; float dist = Filtered_Distance(); switch(state) { case STATE_FORWARD: if(dist < 15) { state = STATE_BACKWARD; Set_Motor(-30, -30); // 后退 delay_ms(500); } else if(dist < 30) { Set_Motor(50, 50); // 慢速前进 } else { Set_Motor(80, 80); // 全速前进 } break; case STATE_BACKWARD: state = STATE_TURN_RIGHT; Set_Motor(30, -30); // 原地右转 delay_ms(300); // 调整延时可改变转向角度 break; case STATE_TURN_RIGHT: state = STATE_CHECK; Set_Motor(0, 0); // 停止 delay_ms(200); break; case STATE_CHECK: if(Filtered_Distance() > 25) { state = STATE_FORWARD; } else { state = STATE_TURN_RIGHT; } break; } }4.3 性能优化技巧
- 中断优化：将超声波Echo检测改为外部中断+定时器捕获
- 能耗控制：无障碍时进入低速模式，检测到障碍再全速运行
- 异常处理：增加超时判断，防止Echo信号卡死
// 改进的Echo检测（使用输入捕获） void TIM4_IRQHandler(void) { if(TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_CC1) != RESET) { if(echo_state == 0) { // 上升沿 capture_start = TIM_GetCapture1(TIM4); echo_state = 1; } else { // 下降沿 capture_end = TIM_GetCapture1(TIM4); echo_state = 0; new_data_ready = 1; } TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_CC1); } }5. 系统整合与调试
5.1 主循环设计要点
int main(void) { SystemInit(); GPIO_Config(); PWM_Init(999, 719); // 100Hz PWM Ultrasonic_Init(); while(1) { Avoidance_Logic(); delay_ms(100); // 控制检测频率 } }5.2 常见问题排查
电机不转：
- 检查TB6612的VM电压是否≥5V
- 测量STM32输出引脚是否有信号
- 确认STBY引脚已接高电平
距离测量不准：
- 确保超声波模块与障碍物表面平行
- 避免测量柔软材质（如窗帘）
- 检查电源纹波（建议并联100μF电容）
小车跑偏：
- 对两个电机分别校准PWM占空比
- 检查车轮是否安装牢固
- 在光滑地面测试（减少摩擦力差异）