基于STM32的智能物流循跡往返小車設(shè)計

申家正

摘 要：本設(shè)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(gòu)成了完整的智能物流循跡小車，可以實現(xiàn)自動調(diào)速循跡功能，停車避障功能，自動往返功能。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)運行可靠，成本低，抗干擾能力強，節(jié)省人力成本，可被用于教學(xué)，智能玩具，倉儲運輸?shù)葓龊?，具有很好的使用價值。并且本系統(tǒng)保留多個接口，方便后期開發(fā)，使系統(tǒng)更加實用。

關(guān)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(xiàn)代智能小車熱門發(fā)展方向之一，是許多新技術(shù)的集合，它體現(xiàn)了車輛工程，自動控制，計算機技術(shù)和人工智能集為一體的綜合技術(shù)。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(gòu)成了完整的智能物流循跡小車，可以實現(xiàn)自動調(diào)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(diào)制技術(shù)的結(jié)合，大大提高了對車輛位置和速度控制的精度。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1 循跡模塊

本系統(tǒng)采用YL-70型紅外探測傳感器模塊實現(xiàn)循跡功能，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)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(jīng)過比較器電路處理之后，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)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(tǒng)采用US-100型超聲波測距模塊，塊可實現(xiàn) 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(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠，超聲測距模塊電路圖如圖2。

1.3 測速模塊

本系統(tǒng)采用A3144型霍爾傳感器模塊實現(xiàn)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(qū)動模塊

本系統(tǒng)采用L298N芯片驅(qū)動直流減速電機，L298N芯片具有驅(qū)動能力強；發(fā)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(xù)工作電流可達2A；額定功率25W。內(nèi)含雙H橋的高壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電機和步進電機。其電路圖如圖4。

2 PID算法設(shè)計

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，PID控制（比例、積分、微分控制）的使用最廣泛，是工業(yè)控制的重要技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)整方便、穩(wěn)定性高和工作可靠等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用閉環(huán)PID為基本控制算法，實現(xiàn)智能小車的底盤速度閉環(huán)。

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(dāng)已知PID三個系數(shù)后，根據(jù)每次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定的目標數(shù)據(jù)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(jié)果控制電機PWM脈沖占空比來控制直流減速電機轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言編程實現(xiàn)，小車進入工作狀態(tài)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(zhí)行相應(yīng)判斷程序，把相應(yīng)發(fā)生信號傳給減速電機從而控制小車的狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)本文設(shè)計方法制造智能物流循跡小車，實際測試結(jié)果表明，該方法設(shè)計的小車運行平穩(wěn)，在長時間的工作中系統(tǒng)穩(wěn)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(wěn)，勻速過程速度穩(wěn)定，上下坡速度均衡，在有負載的情況下小車運行一切穩(wěn)定，小車轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定，未發(fā)生漂移，小車整體性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和要求，制定了設(shè)計方案，并逐步完成了硬件和軟件部分設(shè)計，展示部分硬件電路和系統(tǒng)框圖。整個系統(tǒng)以STM32F103為主控芯片，實現(xiàn)對小車簡單運動的控制，采用數(shù)字PID控制算法對直流減速電機轉(zhuǎn)速進行控制。在項目進行中學(xué)習(xí)使用Altium Designer設(shè)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?qū)⒏髂K融合在一起。整個設(shè)計將軟件硬件相結(jié)合，實現(xiàn)了小車的既定功能。經(jīng)過模塊測設(shè)和整車測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，成本低，抗干擾性能強，可被廣泛用于教學(xué)，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(fā)與應(yīng)用[J].微計算機應(yīng)用，2010.3（1）：59-63.endprint