基于STM32的智能載重機器人小車的設計

華永翔 宮麗娜 謝柏蓉

摘要：21世紀是一個智能化的時代，各種智能化設備正在逐步替代人為的操作。隨著科學技術的迅速發展，關于智能機器人的研究也就越來越受人關注。系統采用STM32F103C8T6作為系統主控芯片，采用L293D大功率H橋電機驅動芯片完成對機器人小車的兩只電機進行驅動，當檢測到小車與障礙物距離較近時會自動轉動方向行駛避開與障礙物直接碰撞。總的來說，基于STM32的智能載重機器人小車的設計，可以提高自動化水平，減輕人力勞動，提高生產效率，具有非常重要的現實意義和社會價值。

關鍵詞：STM32最小系統；傳感器；智能載重；自動循跡；機器人小車

中圖分類號：TP302? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0110-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著社會經濟和科學技術的發展，為解決城市中剩余的部分特殊人群（低保戶、喪失勞動力、鰥寡孤獨等）缺乏勞動力問題，設計一款智能機器人解放人們的雙手是非常有必要的，同時搭載人工智能和大數據技術，為了方便一些特殊人群，機器人同樣具備人臉識別功能，然后通過大數據來分析是否為服務對象，該幫助人們在有需要的時刻提供一定載重，或能夠將物品送至指定地點，并且自動判斷地形及優化最佳路線，形成智能送快遞等服務，為城市新型智能化公共服務發展起到推進作用，造福于民[1]。

智能載重機器人小車是一種自動導引機器人系統，能夠在無人值守的情況下自動識別路線并選擇正確的路線。該機器人運用了傳感器、開發板、電機驅動及自動控制等技術，使其能夠在不同的環境下行走、搬運物品，極大地提高了生產效率，降低了勞動成本。因此，基于STM32的智能載重機器人小車的設計，旨在提高自動化水平，減輕人力勞動，提高生產效率，具有非常重要的現實意義和社會價值[2]。

1 設計思路

隨著社會的不斷發展，人們的生活變得智能化和科技化，智能家居開始走進人們的生活。而對于智能載重機器人，傳統的載重機器人功能相對簡單，就是將重物送到地方后，然后就停止工作了，并且耗電量很大，而且后續的工作還是需要人來完成，對人的身體健康是一種消耗，同時也大大降低了人們的工作效率。現在市面上的很多智能載重機器人附帶按鍵、顯示屏，但是對于更為關鍵的人臉識別、遠程控制和軟件一體化等問題卻并沒有很好的解決方案。

智能載重機器人小車運行中所用電磁鐵智能載重技術、自動循跡、避障傳感器、電機驅動、STM32最小系統的開發及微電子技術得到了迅速發展，其主要表現在傳統人工搬運貨物被智能載重機器人小車所替代，智能載重控制中所用先進技術為控制的高效運行提供了有利條件，因此，智能載重技術已經成為自動化系統的發展趨勢。本設計利用計算機技術并輔助以其他手段，編寫適合的程序，實現機器人小車的按預定路徑行進、避障、搬運等功能。需要利用控制器的定時器、PWM輸出等功能，對電機進行精確控制，同時對傳感器進行數據采集和處理，實現機器人小車的感知和決策。

本系統是以STM32最小系統為控制器的核心，主要由電源電路、電機調速電路、復位電路、循跡傳感器模塊、紅外避障傳感器模塊、按鍵模塊、電磁鐵控制模塊、左電機和右電機組成。工作時，紅外線傳感器采集物品的輕重、判斷附近是否有物品等信息送到STM32單片機最小系統，STM32最小系統根據這些信息通過控制電路對電磁鐵設備進行開關操作，從而實現搬運貨物控制，以達到智能載重的目的。系統的硬件設計原理圖如圖1所示。

2 主要硬件電路的設計

STM32核心板電路：選擇適合的STM32核心板，根據其規格書和原理圖設計核心板的電路。包括電源電路、晶振電路、復位電路、通信接口電路等。

傳感器接口電路：根據所選傳感器的接口規范，設計傳感器與STM32核心板的接口電路。例如，如果選擇紅外傳感器，需要設計紅外傳感器的信號放大、濾波、解調等電路；如果選擇超聲波傳感器，需要設計超聲波發射和接收電路等。

電機驅動電路：選擇適合的電機和驅動器，根據其規格書和驅動電壓、電流等要求，設計電機驅動電路。考慮電機的轉速控制、轉向控制、電流控制等問題，以及驅動器與STM32核心板的接口設計。

稱重傳感器接口電路：選擇合適的稱重傳感器，根據其規格書和接口要求，設計稱重傳感器接口電路。考慮傳感器的量程、精度、穩定性等因素，以及如何減小系統誤差和提高測量準確性[3]。

通信接口電路：根據系統需求，設計與其他設備或計算機通信的接口電路，如串口通信、藍牙通信、Wi-Fi通信等。

電源電路：設計整個系統的電源電路，考慮電源的穩定性、功耗、噪聲等問題，以及各個模塊所需的電壓和電流要求。系統總體設計結構框架圖如圖2所示。

2.1 STM32最小系統

STM32F103C8T6增強型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC內核，它是一種低功耗、高性能的32位微控制器，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達128KB字節的閃存和20KB字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN[4]。

STM32F103C8T6增強型系列工作于-40℃至+105 ℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。

完整的STM32F103C8T6增強型系列產品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根據不同的封裝形式，器件中的外設配置不盡相同。下面給出了該系列產品中所有外設的基本介紹。

這些豐富的外設配置，使得STM32F103C8T6增強型微控制器適合于多種應用場合：電機驅動和應用控制；醫療和手持設備；PC外設和GPS平臺；工業應用：可編程控制器、變頻器、打印機和掃描儀；警報系統、視頻對講和暖氣通風空調系統。STM32最小系統原理圖如圖3所示。

2.2 電源電路

電源輸入一般通過電源適配器或電池提供，輸入電壓可能為直流電壓或交流電壓。根據實際需求選擇適合的電源輸入方案。電源管理單元一般包括電源轉換電路、穩壓電路等，用于將輸入電壓轉換為系統所需的各種穩定電壓，為芯片和其他外設提供穩定的電源供應。電源保護電路主要包括過電壓保護、過電流保護等，用于保證電源電路的安全穩定運行，防止因異常電壓或電流對電路和芯片造成損害。外設電源根據系統需求，可能需要為其他外設提供電源，如傳感器、電機驅動器等[5]。需要根據外設的供電需求，設計相應的電源電路。本次設計的電源電路如圖4所示。

2.3 電機調速電路

2.3.1 脈寬調制原理

PWM（脈沖寬度調制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，比如：電機調速、溫度控制、壓力控制等。

在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”，如圖5所示。

設電機始終接通電源時，電機轉速最大為[Vmax]，設占空比為[D=t1/T]，則電機的平均速度為[Va = Vmax × D]，其中Va指的是電機的平均速度；[Vmax]是指電機在全通電時的最大速度；[D=t1/T]是指占空比。

由上面的公式可見，當改變占空比[D=t1/T]時，就可以得到不同的電機平均速度[Vd]，從而達到調速的目的。嚴格來說，平均速度[Vd]與占空比[D]并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，可以將其近似地看成是線性關系[6]。

2.3.2 電機調速電路設計

L293D為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產的雙全橋步進電機專用驅動芯片（Dual Full-Bridge Driver） ，內部包含4信道邏輯驅動電路，它是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可同時驅動2個二相或1個四相步進電機，內含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調節輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，但在本驅動電路中用L293D來提供時序信號，節省了單片機IO 端口的使用。L293D內部的原理圖如圖6所示，Pin1 Pin15 與電流偵測用電阻連接來控制負載的電路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個步進電機；input1～input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉；Enable則控制電機停轉。

OUT1與OUT2與小車的一個電機的正負極相連，OUT3與OUT4與小車的另一個電機的正負極相連，單片機通過控制IN1與IN2，IN3與IN4分別控制電機的正反轉。ENA與ENB分別控制兩個電機的使能。L293D控制表如表1所示。

2.3.3 L293DN驅動電路設計

2.4 復位電路

STM32F103C8T6最小系統無論在剛開始接上電源時，還是運行過程中發生故障都需要復位。復位電路用于將單片機內部各電路的狀態恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態開始工作。然而，關于電容大小對復位時間的影響，這取決于具體的應用環境和電路設計。復位電路的電容大小主要決定了復位所需的電壓閾值以及復位的時間。通常情況下，較大的電容可以提供更長的復位時間。

2.5 循跡傳感器模塊

TCRT5000傳感器的紅外發射二極管不斷發射紅外線，當發射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，紅外接收管一直處于關斷狀態，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態；被檢測物體出現在檢測范圍內時，紅外線被反射回來且強度足夠大，紅外接收管飽和，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點亮。

2.6 紅外避障傳感器模塊

該傳感器模塊對環境光線適應能力強，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，綠色指示燈會亮起，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 2～30cm，工作電壓為3.3V～5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調節、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、避障小車、流水線計數及黑白線循跡等眾多場合[7]。

2.7 電磁鐵控制模塊

電磁鐵控制模塊可以通過STM32的GPIO口進行控制，電磁鐵控制模塊需要一個GPIO口來控制繼電器通斷，從而實現電磁鐵的通斷。另外，也可以使用PWM（脈沖寬度調制）控制電磁鐵的通電時間，以控制電磁鐵吸附物體的時間。

具體來說，如果電磁鐵需要通電10秒，然后斷電5秒，可以通過STM32的定時器進行PWM輸出。定時器每計時10秒輸出一個高電平信號，然后通過GPIO口控制繼電器通電，從而實現電磁鐵通電吸附物體。5秒后，定時器再次計時10秒輸出一個高電平信號，然后通過GPIO口控制繼電器斷電，從而實現電磁鐵斷電釋放物體。

另外，如果需要實現電磁鐵的通斷頻率可調，可以使用STM32的PWM通道進行PWM輸出。通過調整定時器的計時周期和占空比，可以實現電磁鐵通斷頻率的調整。

需要注意的是，電磁鐵控制模塊需要考慮到電磁鐵的吸力大小和通電時間，以確保電磁鐵可以正確地吸附和釋放物體。同時，也需要考慮到電磁鐵的發熱問題，如果連續通電時間過長，可能會造成電磁鐵過熱而損壞。因此，需要進行合理的控制和保護。

2.8 按鍵模塊

按鍵電路采用獨立按鍵通過程序進行控制，通過按鍵進行電路的控制檢測是自動控制還是手動控制，然后另有兩個按鍵是控制檢測的開或是關。當用戶按下按鍵后會輸出低電平給STM32最小系統，松開后輸出高電平這樣就知道按鍵是否被按下，通過程序寫入按鍵掃描函數就執行所需要實現的功能。

3 系統軟件設計

3.1 發射系統程序流程圖

發射系統部主要完成鍵盤掃描發送。用戶需要選擇機器人把自己的物品搬到相應的位置，并且發送指令給機器人。發射系統流程圖如圖8所示。

3.2 接收系統程序流程圖

接收系統部主要完成掃描按鍵接收與轉換，控制電機驅動芯片驅動機器人到需要去的地方。接收系統流程圖如圖9所示。

4 系統調試

4.1 硬件調試

在充分了解電路功能的基礎上做好檢驗文件，如原理圖、PCB圖、功能圖等，測試的參數及位置，需要達到的技術要求，了解電路的基本工作原理、主要技術性能指標、各參數的調試方法和步驟等。

儀器的使用：本次使用的儀器包括數字電源、萬用表、示波器等檢測儀器，首先檢查儀器是否能正常工作，并將儀器設置到所需要的范圍內。

調試前檢查：調試前要檢查被調試電路是否按電路設計要求正確安裝連接，有無虛焊、脫焊、漏焊等現象，檢查元器件的好壞及其性能指標，檢查被調試設備的功能選擇開關、量程擋位和其他面板元器件是否安裝在正確的位置。經檢查無誤后方可按調試操作程序進行通電調試[8]。

對被調試電路的準備具體分為以下幾點：

1） 連線是否正確

檢查電路連線是否正確，包括錯線、少線和多線。按照電路圖檢查安裝的線路這種方法的特點是，根據電路圖連線，按一定順序逐一檢查安裝好的線路。由此，可比較容易查出錯線和少線。

2） 元、器件安裝情況

由于元器件比較多，使用萬用表檢查二極管元、器件引腳之間是否有短路，連接處有無接觸不良，二極管、三極管、集成電路和電解電容極性等具有極性的是否連接有誤。

3） 電源供電、信號源連線是否正確，否則一旦上電電位是反的就很容易使芯片燒壞，檢查直流極性是否正確，信號線是否連接正確。在通電前，使用萬用表檢查電源端對地（⊥） 是否存在短路，可以斷開一根電源線。直流穩壓電源通電正常，且其他方面也都沒有問題的話，就可轉入調試。

4.2 軟件調試

軟件調試是通過 keil、連接以及執行用戶程序來找尋程序中存在的語法錯誤和邏輯錯誤 ，然后加以排除糾正的一個過程。程序運行后，編輯查看程序是否存在邏輯錯誤。本系統的軟件程序完全用C語言編寫。調試過程中采用的是自上至下的調試方法 分別調試好每一個模塊，最后再連接成一個完整的系統調試。

具體的調試過程為：先由單片機最小系統向外搭建外圍電路組成的模型電路，將編寫好的程序燒寫進STM32最小系統運行，通過觀察外圍電路和使用萬用表檢測相對應的參數對程序和模型電路進行檢測，對軟件和硬件正確性和實用性進行驗證。智能載重機器人實物如圖10所示。

5 結束語

本設計完成了基于STM32最小系統的智能載重機器人小車的設計，此課設的過程主要包括了硬件電路設計和軟件程序的編寫兩個部分。從確定此次的設計，到查閱資料確定總體方案設計，總體方案論證，硬件電路的設計、硬件電路的優化、軟件的設計、軟件的優化、焊制硬件電路板、檢驗硬件電路、調試軟件程序到最后的軟硬件聯調，其中的每一個過程都是精心設計、仔細完成的。通過本課題的研究，讓智能載重機器人小車的功能與技術得到了驗證。

在設計基于STM32的智能載重機器人小車的過程中，不僅實現了小車的自動控制和路徑規劃，還通過集成多種傳感器和執行器，實現了小車的智能感知和交互。通過這一設計過程，不僅提高了自身的技術水平，也深刻理解了智能載重機器人小車在現代工業自動化和物流運輸領域的重要作用。

總之，基于STM32的智能載重機器人小車的設計過程是一次富有挑戰和創新的實踐。通過這一過程，不僅提高了自身的技術水平，也深刻認識到了智能機器人技術在現代工業自動化和物流運輸領域的重要作用。在未來，我們將繼續努力，不斷提高自身的技術能力和創新能力，為智能機器人技術的發展和應用做出更大的貢獻。

參考文獻：

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[2] 田杰，胡秋霞，楊畢康.基于STM32的物流搬運小車控制系統設計[J].現代電子技術，2023，46（18）：172-176.

[3] 姚慶，穆懷輝，王瑞紅.智能避障小車的設計與開發[J].南方農機，2023，54（18）：161-164.

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[6] 周健，徐志國.基于STM32的智能循跡機器人的設計[J].集成電路應用，2020，37（2）：45-47.

[7] 陳桐煥，賴忠喜，金煒翔.基于STM32的運輸機器人小車設計[J].電子技術與軟件工程，2022（17）：124-127.

[8] 王輝，沈淑濤，鞠昊翀.基于STM32單片機的智能搬運機器人的設計[J].計算機產品與流通，2020（2）：90-91.

【通聯編輯：朱寶貴】