基于STM32的智能物流循跡往返小車設計

申家正

摘 要：本設計以STM32系列單片機STM32F103RC作為核心處理器，輔以循跡模塊，測速模塊，超聲測距模塊，壓力傳感器模塊，通過PID算法構成了完整的智能物流循跡小車，可以實現自動調速循跡功能，停車避障功能，自動往返功能。經過測試，該系統運行可靠，成本低，抗干擾能力強，節省人力成本，可被用于教學，智能玩具，倉儲運輸等場合，具有很好的使用價值。并且本系統保留多個接口，方便后期開發，使系統更加實用。

關鍵詞：STM32；PID；智能小車；物流；循跡

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0027-02

小車作為現代智能小車熱門發展方向之一，是許多新技術的集合，它體現了車輛工程，自動控制，計算機技術和人工智能集為一體的綜合技術。本文提出了一種基于STM32F103芯片為控制核心，以循跡模塊，測速模塊，超聲測距模塊，通過PID算法構成了完整的智能物流循跡小車，可以實現自動調速循跡功能，停車避障功能，自動往返功能。通過模糊PID和芯片自帶PWM脈寬調制技術的結合，大大提高了對車輛位置和速度控制的精度。

1 系統硬件電路設計

1.1 循跡模塊

本系統采用YL-70型紅外探測傳感器模塊實現循跡功能，其具有一對紅外線發射與接收管，發射管發射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器電路處理之后，同時信號輸出接口輸出數字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調節檢測距離，有效距離范圍2～60cm，工作電壓為3.3V-5V。循跡模塊電路圖如圖1。

1.2 超聲測距模塊

本系統采用US-100型超聲波測距模塊，塊可實現 2cm～4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4～5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內帶看門狗，工作穩定可靠，超聲測距模塊電路圖如圖2。

1.3 測速模塊

本系統采用A3144型霍爾傳感器模塊實現測速功能，探測到障礙物為高電平，無障礙物或超出探測范圍輸出低電平，測速模塊電路圖如圖3。

1.4 電機驅動模塊

本系統采用L298N芯片驅動直流減速電機，L298N芯片具有驅動能力強；發熱量低；抗干擾能力強；工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流可達2A；額定功率25W。內含雙H橋的高壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電機和步進電機。其電路圖如圖4。

2 PID算法設計

在實際工業生產中，PID控制（比例、積分、微分控制）的使用最廣泛，是工業控制的重要技術，它具有結構清晰、調整方便、穩定性高和工作可靠等優點。本系統采用閉環PID為基本控制算法，實現智能小車的底盤速度閉環。

PID控制是基于反饋原理的線性控制，它將偏差e（t）的比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）進行線性組合，形成控制量u（t），從而對被控制量進行控制，PID控制原理圖如圖5所示。

可知當已知PID三個系數后，根據每次采樣的數據與設定的目標數據比較，得出偏差值e（n），e（n-1），e（n-2），對三個偏差進行PID增量運算，最終用得出的結果控制電機PWM脈沖占空比來控制直流減速電機轉速。

3 系統程序設計

系統軟件設計采用C語言編程實現，小車進入工作狀態后，開始不斷掃描與探測主控STM32F103單片機的I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執行相應判斷程序，把相應發生信號傳給減速電機從而控制小車的狀態。

4 系統測試

根據本文設計方法制造智能物流循跡小車，實際測試結果表明，該方法設計的小車運行平穩，在長時間的工作中系統穩定，沒有偏離既定軌跡，使用了增量PID算法使得小車加速和減速過程迅速且平穩，勻速過程速度穩定，上下坡速度均衡，在有負載的情況下小車運行一切穩定，小車轉彎穩定，未發生漂移，小車整體性能穩定，實現了設計要求。

5 結語

本文根據設計內容和要求，制定了設計方案，并逐步完成了硬件和軟件部分設計，展示部分硬件電路和系統框圖。整個系統以STM32F103為主控芯片，實現對小車簡單運動的控制，采用數字PID控制算法對直流減速電機轉速進行控制。在項目進行中學習使用Altium Designer設計電路圖，在keil軟件下編寫各程序模塊，包括紅外循跡模塊、超聲測距模塊、霍爾測速模塊，并通過主程序將各模塊融合在一起。整個設計將軟件硬件相結合，實現了小車的既定功能。經過模塊測設和整車測試，該系統運行穩定，成本低，抗干擾性能強，可被廣泛用于教學，智能玩具和搬運貨物等場合，有很好的利用價值。

參考文獻

[1]孫書鷹.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].微計算機應用，2010.3（1）：59-63.endprint