STM32的智能巡檢小車設計

銀川能源學院 成慧芳

在工業生產中，傳統的生產環境安全監測主要依賴于人工巡檢，隨著技術的發展又出現了固定探頭傳感器網絡監測，人工巡檢工作量大，巡檢時間長，且容易出現遺漏，而固定探頭傳感器只能對固定位置一定范圍內的環境進行監測，不夠靈活。因此，本文設計了一個基于STM32的智能巡檢小車，可搭載不同傳感器實現小車的自主避障、自主循跡及室內環境監測等功能，能有效降低工廠人工巡檢時錯檢或漏檢而造成安全事故的概率。該智能小車同時可通過WiFi模塊將數據實時傳送給工作人員，可用于無人值守的工作環境，方便工作人員對現場環境進行監控。

1 總體設計方案

本文提出設計一個基于STM32的智能巡檢小車，搭載超聲波傳感器、溫濕度傳感器、氣體檢測傳感器等模塊，實現對工廠生產環境的監測，并通過WiFi模塊實現數據的實時傳輸，以有效地排除生產環境中的不安全因素，保障工業企業的人員生命安全和財產安全。該小車的主要硬件配置結構如圖1所示，主要由STM32單片機、紅外循跡傳感器、超聲波測距傳感器、舵機、溫濕度傳感器、氣體傳感器、直流電機等組成。

圖1 智能小車整體結構圖

2 硬件設計

該小車的硬件電路接線如圖2所示，四個電機及電機驅動模塊帶動小車行進，舵機帶動超聲波傳感器進行測距以實現避障行進，紅外循跡傳感器實現小車的循跡移動，溫濕度傳感器、氣體檢測傳感器等實現現場環境數據的采集，并將數據顯示在OLED顯示屏上。

圖2 硬件電路接線圖

2.1 電機驅動模塊

由于單片機輸出信號功率較弱，本文選用的直流電機反向電動勢較大，直接接到單片機輸出引腳上可能會對單片機造成燒毀，所以需要選用一個電機驅動模塊。根據本文小車需實現前進、倒退及轉彎功能的需求，本文采用了雙H橋步進電機驅動板，此模塊供電電壓可達2～10V，可同時驅動兩個直流電機或一個四線兩相式步進電機，可實現正轉、反轉及調速的功能，同時具有熱保護功能。本文采用脈寬調制（PWM）方法實現對電機轉速的控制，從而達到控制小車加減速的目的。如圖3所示。

圖3 電機驅動模塊電路圖

2.2 超聲波測距

本文采用超聲波測距傳感器實現對障礙物距離的檢測，主要是基于超聲波具有頻率高、波長短、方向性好且能定向傳播的特點。采用超聲波傳感器進行距離測量的主要原理是傳感器發射一個方向超聲波后，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后會立刻返回，根據超聲波在空氣中的傳播速度340m/s及傳播時間t即可計算出小車與障礙物之間的距離s=340t/2。本文選用HC-SR40超聲波傳感器，分別有VCC、GND、Trig、Echo四個引腳，單片機通過給Trig所接端口一個高電平脈沖，超聲波發射模塊SR40開始發射超聲波，當收到反射波時，Echo輸出有效信號，單片機檢測到該信號后，測量從Trig觸發開始到接收到Echo的時間差即可計算出小車與障礙物之間的距離。該傳感器還配備一個舵機用于帶動傳感器的左右轉動，用于多角度測距避障，同樣采用PWM脈寬調制來控制舵機的旋轉角度。

2.3 紅外循跡傳感器

紅外循跡傳感器工作原理與測距傳感器基本相同，都利用了光的反射性質。該傳感器由一個紅外發射管和一個紅外接收管組成，黑色循跡軌道對紅外光具有吸收作用，所以當發射管發射一個紅外信號后，單片機根據是否接收到反射的紅外信號來確定黑色循跡線位置及小車的行走路線。如圖4所示。

圖4 紅外傳感器原理圖

2.4 氣體檢測傳感器

本文采用MQ-2氣體檢測傳感器，該傳感器主要用于烷類氣體和煙霧的探測。本文采用該傳感器主要用于生產環境中甲烷氣體濃度的檢測。該傳感器利用二氧化錫加熱后與甲烷氣體接觸會使材料表面導電率變化的特性，空氣中甲烷氣體濃度越高，其導電率越大，輸出電阻就越低，輸出的模擬信號就越大。通過ADC采集電路將模擬信號轉化為數字信號即可得到煙霧濃度的數值。

2.5 數據的顯示與傳輸

傳感器采集的數據經單片機處理后可顯示在OLED顯示屏上，還可通過WiFi模塊傳輸至手機端APP，以方便工作人員遠程監控及數據的采集。

3 軟件設計

程序初始化后，可通過模式選擇使小車進入不同的行進模式，避障模式中小車通過超聲波測距傳感器檢測障礙物進行避障移動，循跡模式下小車可根據環境中已鋪設好的黑色循跡線行進，兩種模式下小車其他傳感器均可進行環境數據的采集和顯示，從而實現現場環境的巡檢。如圖5所示。

圖5 硬件主程序流程圖

總結：經實地測試，該小車能夠在工業環境中實現避障巡檢及循跡巡檢，各傳感器模塊能夠正常采集各項環境數據并顯示在OLED顯示屏上，WiFi模塊能夠連接網絡實現數據的傳送。相較于固定探頭傳感器監測，智能巡檢小車更便于對生產環境的實時監測，靈活性更高，巡檢覆蓋面更大，能夠在減少人力投入的情況下配合原有固定探頭傳感器監測系統更好地進行生產環境的監測從而保障企業的生產安全。