基于STM32 的智能物料運輸小車的設計與實現

李 蕓， 李慧慧， 申曉月， 彭佳卉

（太原工業學院， 山西 太原 030008）

0 引言

隨著智能化技術的不斷發展，自動化技術愈發成熟，廣泛應用到工業或者生產領域，如工廠、地下礦井、自動化倉庫的物料抓取、物品搬運等，智能物料運輸車有很大的優越性，減少了人力資源的浪費，提高了工作效率。本文設計的智能物料運輸小車，采用STM 32 單片機作為主控器，L298N 作為直流異步電機驅動，用機械臂實現物料抓取，通過藍牙通信，智能遙控實現物料運輸車前進、后退、左轉、右轉、上臺操作。

1 總體設計

本設計采用STM32F103C8T6 芯片作為微控制器，將機械臂安裝在智能車上，控制機械臂的開合來抓取物料，機械手可以完成全方面抓取作業。通信系統采用藍牙模塊，智能車行進采用L298N 電機驅動模塊，通過遙控模塊進行控制，可以前進、后退、左轉、右轉、上臺。

2 智能物料運輸小車硬件電路設計

智能物料運輸小車硬件部分主要包括微控制器模塊、電機驅動模塊、機械模塊、遙控模塊、藍牙通信模塊等。

2.1 主控模塊硬件設計

本設計采用STM32F103C8T6 芯片作為系統主控模塊，一款基于ARM Cortex-M 內核STM32 系列的32 位的微控制器，具有體積小、功耗低、成本低、性能高的特點[1]。程序存儲器容量是64 kB，擁有32 個通用I/O 口，工作電壓2～3.6 V[2]。它的主頻為72 M，可快速完成對藍牙模塊接收數據的處理。遙控器發出相應指令，通過藍牙通信模塊傳輸到主控芯片，然后主控芯片對接收指令進行處理，并通過I/O 控制端口發出指令，使其執行相應操作。主控模塊引腳連接原理如圖1 所示。

圖1 主控模塊引腳連接原理

2.2 電機驅動硬件設計

在L298N 步進電機驅動模塊中，L298N 來控制電機的正反轉，利用L298N 實現電機驅動及其正反轉。單片機PA15、PB3、PB4、PB5、PA2、PA3、PA4、PA5 接口分別與L298N 的輸入引腳連接，四個直流電機與驅動芯片的8 個OUT 輸出口相連，從而驅動直流電機轉動。

2.3 機械模塊

本設計中智能物料運輸小車的機械臂是基于STM32 控制的一個SG90 舵機和兩個MG995 舵機，其中SG90 舵機控制機械爪的張開與閉合，另外兩個MG995 舵機控制機械臂的運行。機械模塊依靠舵機通過增加扭矩來使得機械臂桿進行翻轉，帶動整體機械臂協調運動，以實現機械臂桿在空間內進行配合或單獨運作，進而操縱機械爪對物塊進行精確抓取，機械臂如圖2 所示。

圖2 機械臂

SG90 舵機的工作扭矩為：1.6 kg/cm，使用電壓為5 V，采用LM2596S DC-DC 直流可調降壓穩壓模塊，電壓輸入為直流3～40 V，輸出為直流1.5～35 V，電壓連續可調，高效率最大輸出電流為3 A，足夠供給整個機械結構穩定正常運行[3]。

2.4 遙控模塊

本設計遙控模塊采用智能游戲手柄樣式進行機械設計與裝配，外形簡單美觀，易于操作者手持控制，其主體包括：按鍵、LM2596S DC-DC 直流可調降壓穩壓模塊、電源部分采用18650 三節鋰電池串聯組成的12 V 電源以及船型開關。由LM2596S DC-DC 直流可調降壓穩壓模塊將電壓調至5 V 給按鍵供電，以實現按鍵在STM32 控制下經藍牙控制模塊輸出信號來控制智能車的動作。

2.5 藍牙通信模塊

本設計采用HC-06 藍牙模塊進行通信，HC-06是主從一體化的藍牙串口模塊，主從可指令切換，指令少，功能穩定，且使用簡單，建立連接后方可接收數據信號[4]。

3 智能物料運輸小車軟件設計

3.1 藍牙發送模塊軟件設計

在定義好I/O 口后，通過串口通信來發送相應指令到小車藍牙接收端，控制小車的機械臂、機械爪、控制爪、上臺結構、前進、后退、左轉、右轉，機械臂串口通信按鍵控制部分程序如下所示：

if(key4==0)//機械臂

{

delay_ms(10);

if(key4==0)

{

USART_SendData(USART1,'e');

while(key4==0);

USART_SendData(USART1,'E');

}

}

if(key5==0)//機械臂

{

delay_ms(10);

if(key5==0)

{

USART_SendData(USART1,'f');

while(key5==0);

USART_SendData(USART1,'F');

}

}

3.2 藍牙接收模塊軟件設計

在接收到發送端傳輸的指令后，進行判斷，如果與發送指令相符，接收端將執行相應動作。部分接收端程序如下：

if(Res=='j') //motor

{

car_go_forward();

}

else if(Res=='k')

{

car_go_backward();

}

else if(Res=='l')

{

car_go_left();

}

3.3 電機驅動模塊軟件設計

通過定義I/O 口使小車的兩個驅動有特定的時鐘TIM4 控制功能，再定義電機的I/O 口，使其能在高低電平轉換下實現前進、后退、左轉、右轉，通過調節PWM占空比來調節小車的行進速度（占空比越大越快，但不能超過設定值）。例如要讓小車右轉需要讓左側電機正轉，右側電機反轉實現。電機驅動模塊驅動小車前進部分控制程序如下：

void car_go_forward()

{

IN1=1;IN2=0;//左前

TIM_SetCompare1(TIM4,700);

IN3=1;IN4=0;//左后

TIM_SetCompare2(TIM4,700);

IN5=1;IN6=0;//右前

TIM_SetCompare3(TIM4,700);

IN7=1;IN8=0;//右后

TIM_SetCompare4(TIM4,700);

}

3.4 機械部分控制模塊

在對小車上的四個舵機進行相應的I/O 口定義后，時鐘TIM3 為其使能口，通過PWM占空比的輸出信號來確定舵機的旋轉角度，開機時給定舵機一個初始位置，并對接收到的信號進行判斷，當相應按鍵按下，例如在控制機械臂的按鍵按下判斷是否為“e”，若為e 則占空比增加，若為f 則占空比減小，進而實現機械臂的轉動，因此4 個舵機可單獨運行。部分程序如下：

if(Res=='e')//機械臂

{

jxb1=jxb1+40;

if(jxb1＞1945)

{jxb1=1945;}

TIM_SetCompare3(TIM3,jxb1);

delay_ms(90);

}

if(Res=='f')//機械臂

{

jxb1=jxb1-30;

if(jxb1＜1760)

{jxb1=1760;}

TIM_SetCompare3(TIM3,jxb1);

delay_ms(90);

}

4 測試結果

在硬件控制方面，游戲手柄樣式的遙控器在結構上具備了靈巧舒適易于操作的特點，其內部裝設的12 個按鍵的電路系統相互獨立，遙控器如圖3 所示，保證了實際操作時每個按鍵的作用，LM2596S 穩壓保障了整個電路系統穩定輸出5V 直流電壓，從而確保了操作的流暢度[5]。

圖3 遙控器

在軟件設計上，遙控器發送端將按鍵連接的單片機引腳口進行特殊設置，在按鍵未按下時設置為高電平，當按鍵按下時為低電平，以此保證信號發送的穩定性。部分程序如下：

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_4);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_10);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_11);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_15);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_8);

接收端為智能物料運輸小車，在經過嚴格考量后確定了電路板以及機械臂等組件的位置，保證接收和執行的精確性。經測試其搬運物料的效率穩定，智能物料運輸小車如圖4 所示。

圖4 智能物料運輸小車

5 結論

本設計完成了一種基于STM32F103C8T6 芯片的智能物料抓取、運輸小車，采用藍牙和串口通信方式，利用藍牙操控機械臂、機械爪和控制爪，使用L298N驅動芯片作為動力系統。該智能小車克服了機械臂的不可動的弊端，實用性強，實現了物料抓取、運輸等功能[6]。通過實驗測試證明，該智能小車運行平穩、機械臂工作精度高，具有現實意義。