自動噴霧小車控制系統的設計與實現

王帥　葉芝蓓　陳明健　徐辰曉　李鑫東

摘要：本設計以STM32F103ZET6芯片為核心，搭配L298N芯片、電壓比較器、XKT-201芯片等設計了一款具有噴霧功能的智能小車。其中，使用L298N控制四個直流電機帶動四輪構成電機驅動模塊;以電壓比較器為核心結合紅外發射頭和紅外接收頭組成循跡及避障模塊;采用XKT-201芯片使霧化片振動將液體打散實現噴霧功能;利用三極管、變壓器及音效芯片組成水位警報模塊;使用STM32F103ZET6芯片對循跡避障模塊接收到的數據進行運算進而控制電機驅動模塊，并為各個模塊供電。經過調試此智能噴霧小車基本能實現循跡避障噴霧以及低水位報警功能。

關鍵詞：單片機;循跡避障系統;自動噴霧;水位檢測

1緒論

在病毒傳播過程中，飛沫傳播與接觸傳播是其主要傳播方式，而在這二者中很大一部分感染者又是由于接觸到物體表面上附著的病毒后才感染的，因此針對病毒的這一傳播特性，本設計通過將循跡避障小車與噴霧系統相結合形成自動噴霧小車系統，來代替人工進行小區等公共場所的消毒工作，為公共衛生提供更為安全高效的消殺方法。

本文設計的小車通過STM32單片機作為主控制芯片;由PID算法控制小車行進電機的工作;紅外傳感器的使用實現循跡避障功能;XKT-201芯片對于噴霧模塊的控制;有線水浸探測器和聲光報警器的結合實現對水箱水位的監測以及低水位報警，從而進行安全有效的消毒工作。

2自動噴霧小車控制系統的方案設計

2.1需求分析

2.1.1循跡功能

（1）能夠自動搜索地面上白底黑線進行循跡行駛。

（2）在小車正常運行的時候不能脫離給定的路線。

（3）在小車運行過程中出現軌跡偏移時，能夠自動調整方向繼續行駛。

2.1.2避障功能

當小車監測到周圍30cm內有障礙物時，能夠自動停車并等待障礙物離開。

2.1.3噴霧功能

當小車運行時，噴霧工作，當小車停止時，噴霧停止。

2.1.4水位監測功能

當噴霧水位到達預設的低水位時，發出警報。

2.2總體方案設計

通過主控模塊實現對其他模塊的控制，在驅動模塊初始化后，開啟循跡模塊和噴霧模塊，搜索給定路線進行行駛，實時監測障礙物，如遇障礙物則開啟避障模塊，停止行駛，當障礙物離開則關閉避障模塊，返回循跡模塊。以循跡模塊的行駛信號控制噴霧模塊，實現隨動隨噴，當監測到水位達到預警水位時，關閉噴霧，提示加液。

3系統硬件設計

3.1驅動模塊電路設計

以L298N芯片為電機驅動模塊控制核心，N1～IN4作為輸入端，由STM32F103ZET6芯片控制;ENA和ENB為使能端，分別通過PWN控制兩個直流電機轉速;OUT1～OUT4為輸出端，根據輸入端和使能端的信號控制兩個直流電機的運動狀態，具體情況如表1;將ISENA及ISENB接地實現電流閉環控制;輸出端都接有二極管一釋放電機停止或轉向時產生的反向感生電動勢;OUT1/2與OUT3/4實質上分別控制了左前后與右前后兩個直流電機，所以左前后輪的運動狀態一樣，右前后輪的運動狀態一樣;當左兩輪正轉右兩輪反轉時實現小車右轉彎，當左兩輪反轉右兩輪正轉時實現小車左轉彎，全部正轉實現小車前進，全部反轉實現小車后退。L298N各引腳具體連接方式如圖2所示。

3.2循跡模塊電路設計

采用三路紅外發射接收模塊實現黑線循跡功能，與避障功能的實現類似，調試出合適的避障距離后，由于黑線對紅外線的吸收強，導致發射出的紅外線不能反射后被接收管接收。將三路紅外發射接收模塊置于車底，當紅外線遇到黑線，無反射，輸出一個高電平，指示燈滅;當紅外線遇到光亮的地面時，反射給接收管，經過放大電路后進行電壓比較，輸出一個低電平，指示燈亮。且兩種情況下都通過OUT口將信息傳輸給單片機，單片機經過邏輯運算控制電機驅動模塊，實現循跡功能。

3.3避障模塊電路設計

使用兩路紅外發射接收模塊實現避障功能，紅外發射管發射固定頻率紅外線，若遇到障礙物反射被接收管接收，經過放大電路后通過電壓比較器，輸出一個低電平，使得LED燈導通點亮，并且通過OUT口將低電平信號傳輸給單片機，單片機收到信號后根據編寫的程序給電機驅動模塊發送指令，完成避障。若前方無障礙物則輸出一高電平，LED燈不導通。通過調節兩個電位器的大小改變發射功率，進而改變避障檢測的距離，電路圖如圖3所示。

3.4噴霧模塊電路設計

本模塊設計采用XKT-201芯片，該芯片的工作電壓為5V，本設計中的STM32芯片由兩節3.7V鋰電池供電，經過STM32芯片的7.4V～5V變壓電路轉變為5V電壓輸出口作為XKT-201芯片的電源輸入口，芯片設計工作頻率為108KHz，連接霧化片，使霧化片高頻振動，水滴被震動打散后以霧的形式噴灑出去，其內部電路原理圖如圖4所示。芯片還預留了水位監測控制腳（8腳），可實現枯水斷電，以保護霧化片不會因為缺水而干燒（本設計中未使用該功能）。

4系統軟件設計

4.1主程序設計

系統進行初始化后，等待上位機命令的到來。其中初始化包括對時鐘、串口、延時、中斷等命令的初始化。然后啟動小車的控制程序，當模式切換命令到來時，執行其所對應的控制子程序。

4.2驅動模塊

驅動電機的速度通過PWM波來進行控制，將PWM波經過處理后傳遞給L298N，控制電機的IN1口和IN2口的電平，實現電機的正轉、反轉、停止的功能。

4.3循跡模塊

采用B4、B5、B6這3個引腳分別接到三路紅外模塊的左中右個D0口上，再調用函數讀取引腳電平即完成跑道信息處理，如讀取到某個DO口為低電平，調用對應的函數，通過改變IN1和IN2口的電平，改變輪速，實現小車轉向與速度控制，如stm32讀取到小車使能信號為低電平則停車，否則繼續上述循環。

4.4避障模塊

采用B1、B2這2個引腳分別接到兩個兩路紅外發射接收管的DO口上，再調用函數讀取引腳電平實現障礙物的紅外檢測，如讀取到DO口為低電平，即前方存在障礙物。則調用函數carstop，設置IN1和IN2口為低電平，實現小車停止。每隔10ms進行一次障礙物紅外檢測，更新讀取的電平值。

4.5噴霧監測模塊

水位低于預設水位時，水位監測器的常開觸點輸出端OUT為高電平，此高電平傳輸至聲光報警器的輸入端IN，開啟聲光報警器進行報警，同時將此輸出反相后，傳輸至IN1與IN2端實現小車停止。每隔10nm更新一次水位監測器的常開觸點輸出端OUT電平，實現持續監測。

5系統調試

在實驗過程中，發現循跡與避障兩部分的代碼會產生沖突，出現只循跡不避障或者只避障不循跡的情況，最終采用將循跡作為主循環，避障作為輔助功能設置的方法成功解決了問題。在后續水位監測模塊拓展的實驗中，發現僅僅通過小車的兩節3.7V鋰電池供電沒辦法使所有的功能都正常運行，故通過一塊12V的外加電源成功解決了電源的問題。最后，經過整體的調試完善后，本系統全部的功能基本都已得到實現。

作者簡介：王帥（2000— ），男，漢族，安徽淮南人，本科在讀，研究方向：通信工程;葉芝蓓（2000— ），女，漢族，浙江寧波人，本科在讀，研究方向：微電子科學與工程;陳明健（2000— ），男，漢族，江蘇無錫人，本科在讀，研究方向：通信工程。