基于STM的智能服務型多功能多足機器人

黃曉運 田學友 楊濤 汪語哲 冉春秋

【摘 要】論文介紹了基于STM32單片機的智能服務型多功能多足機器人的設計和制作。采用STM32作為控制核心，通過對語音模塊、顯示屏模塊、光照度傳感器、煙霧傳感器、紅外遙控模塊以及伺服電機等的控制，設計制作多功能型機器人。通過語音模塊控制機器人的執(zhí)行動作，也可通過觀察顯示屏模塊顯示檢測的變量而命令機器人提供相應的服務。使用太陽能為整個系統(tǒng)供電。為了人類的安全并使設計更加完善，本設計還加入了防盜報警系統(tǒng)。

【Abstract】The paper introduces the design and fabrication of multifunction multi-legged robot of intelligent service based on the STM32 singlechip. Using STM32 as the control core， the multifunction robot is designed and manufactured by controlling the speech module， display module， illuminance sensor， smoke sensor， infrared remote control module and servo motor and so on. The robot can be controlled by the voice module， and the robot can be ordered to provide the corresponding service by observing the variables detected by the display screen module. Using solar energy to supply the whole system. In order to ensure the human security and perfect the design， this design also adds alarm system.

【關鍵詞】STM32單片機；傳感器；多足機器人

【Keywords】STM32 singlechip； sensor； multi-legged robot

【中圖分類號】TP242 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）06-0143-02

1 引言

面對科技迅速發(fā)展的當今社會，所謂的高科技還未真正解決那些弱勢群體的生活問題：空巢老人缺少子女的陪伴，日常生活需要有人照顧；盲人出行時需要靠外界傳遞導航信息等。考慮到這些細節(jié)，我們由此引發(fā)了設計理念：設計一款多功能的服務型多足機器人，在那些弱勢人群需要幫助時及時做出相應的救援措施，以及陪伴他們的日常生活，做他們的貼身小管家。此款機器人利用STM32單片機作為核心控制單元，結合多種傳感器以及舵機實現(xiàn)它的多功能工作狀態(tài)，在輕便小巧的外型下蘊涵多種智能服務模式。服務型機器人可以根據(jù)人類的意愿來執(zhí)行任務

如今空巢老人的生活問題已經(jīng)非常嚴重，無人陪伴使得他們的安全極其令人擔憂。殘障人士的生活不便，也成為人人擔憂的社會問題。此款機器人不但可以成為老人們忠實的伙伴，還可以依照他們的需求，做一些諸如打掃衛(wèi)生、生活小提醒等服務，可以很好地滿足他們生活中的需求；還可以在他們遇到危險時展開緊急救援；本設計安裝了紅外報警系統(tǒng)，保護了個人安全。同時整個系統(tǒng)利用太陽能電池板作為能源提供裝置，不僅可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的持續(xù)運轉，更能起到節(jié)約能源以及綠色環(huán)保的作用。

2 總體設計

2.1系統(tǒng)方案分析

硬件方面采用STM32單片機作為控制器，芯片采用型號為STM32F103ZET6型芯片。通過伺服電機、光照度傳感器、語音模塊、煙霧傳感器等實現(xiàn)對機器人的控制，并且將需要的數(shù)據(jù)在TFT彩屏上顯示。程序設計開發(fā)使用常用的STM32系列開發(fā)軟件Keil5。使用2.8寸TFT彩屏顯示有效數(shù)據(jù)。整個軟件劃分為若干模塊，分別調試，最后集成。綜合考慮此方案可行。

2.2 設計不足及解決方法

傳統(tǒng)的8位51單片機沒有足夠的中斷，處理能力也相對較差，無法驅動多個傳感器。為了達到設計需要，選擇了32位的STM32F103ZET6單片機[1]，但增加了開發(fā)成本。在此次設計制作中完全可以使用成本較低、性能較差的STM32F103C8T6型芯片，更為廉價的也可以。在為機器人提供動力方面，我們綜合多個方面最終決定使用伺服電機，此電機價格昂貴，但我們經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)很適合機器人的結構，并便于拆裝。由于是購買的開發(fā)板，很多外設并沒有實際作用，這在無形中就造成了浪費，不利于推廣生產。在之后的設計制作中應該注意這些問題，并且有效解決。

3 系統(tǒng)功能分析

3.1 主控芯片STM32F103ZET6介紹

開發(fā)板選擇的是STM32F103ZET6作為MCU，該芯片是STM32F1系列里配置最強大的。該芯片的配置也十分強悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅動LCD，可以顯著提高 LCD 的刷屏速度[2]。配置完全符合需求，可以實現(xiàn)多傳感器多中斷的綜合控制。

3.2 太陽能供電系統(tǒng)

使用20W的家用小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，配合12V12AH的蓄電池，在正常情況下完全滿足供電需求。即使是在晚上或是陰雨天沒有光照的情況下，系統(tǒng)也能通過蓄電池供電正常運轉12個小時以上[3]。這也是此設計制作的創(chuàng)新點之一，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了“0”碳排放，非常符合現(xiàn)在的節(jié)能減排需求。

3.3 語音控制模塊

該模塊主要由LD3320語音識別模塊和STM32最小系統(tǒng)構成。LD3320芯片是一款“語音識別”專用芯片，本芯片在設計上注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產品中即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。

3.4 人體紅外報警系統(tǒng)

自制紅外報警系統(tǒng)。使用人體紅外感應傳感器HC-SR501檢測是否有人通過，人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平?？梢愿鶕?jù)需要調整檢測范圍的大小。連接蜂鳴器電路，如果有人從窗戶進入會及時報警；當人們單獨出行，在偏僻黑暗的地方也可以隨時警告周圍是否有可疑人物出現(xiàn)。

3.5 光照度傳感器

使用光照強度傳感器BH1750FVI檢測光照強度，通過觀察返回給顯示屏的數(shù)據(jù)，可以起到對人們的日常生活提供穿衣出行的提醒作用。比如設定當照度值大于10000Lx時，光照過強，則語音模塊便會提示：不宜外出；當照度小于5000Lx時，光照合適，機器人便會提醒人們適當外出活動[4]。因每個人的偏愛不同，通過程序可以修改響應的數(shù)值來達到最適合自己的需求。

3.6 煙霧報警模塊

傳感器連接蜂鳴器和伺服電機，[5]當測量濃度大于設定濃度時，單片機IO口輸出低電平，經(jīng)過電路放大以及經(jīng)過電平轉換使蜂鳴器報警。通過蜂鳴器報警能叫醒深夜沉睡的人們，使他們及時地做出急救措施從而保障了生命安全。

3.7 電機驅動模塊

我們使用16路舵機控制模塊，來驅動16個伺服電機?？赏ㄟ^上位機軟件控制驅動板從而改變舵機的正反轉，也可調節(jié)PWM信號的占空比改變電機的轉速。

3.8 紅外遙控模塊

通過紅外遙控器控制機器人的開關，執(zhí)行指令動作，提高了系統(tǒng)的可操作性，也使得整個設計制作更加人性化。紅外遙控器的感應范圍為10米左右，實現(xiàn)了遠程無線控制。

3.9 TFT彩屏顯示

使用常見的2.8寸有源矩陣類型液晶顯示器TFT-LCD（薄膜場效應晶體管 LCD）作為顯示設備。顯示的物理量為室內氣體濃度、光照強度、太陽能供電系統(tǒng)的電量，給人一種直觀的感覺，盡可能為人們的生活提供照顧。

4 系統(tǒng)程序設計

整個系統(tǒng)可以自動運行也可以通過遙控器手動控制，遙控器控制的優(yōu)先級大于自動控制。具體實現(xiàn)過程在 Keil5軟件中編寫 C語言程序來實現(xiàn)。

多足機器人的設計既要滿足設定的功能（完成人機對話，執(zhí)行指令等）的程序，也要有對各個傳感器采集的外界數(shù)據(jù)進行分析的程序。其中，傳感器數(shù)據(jù)采集程序的主要作用是實時響應來自外界環(huán)境的各種信息，按信息的類別，優(yōu)先級進行處理。由于控制的傳感器較多，還需要相互的配合，在中斷嵌套的情況下程序運行很容易出錯，當系統(tǒng)不正常工作時需要手動復位來重啟整個程序。在程序編寫中遇到了很多的問題，經(jīng)過努力解決了一些，基本的功能已經(jīng)實現(xiàn)，但還是有很多問題沒有解決。

5 結論

智能窗的出現(xiàn)對提升人們的生活品質有著非常重要的意義，傳統(tǒng)的家居正逐步被智能家居所取代。文章提出基于STM32單片機控制及傳感器綜合運用的服務型機器人的設計制作方案， 對智能窗控制系統(tǒng)的工作原理、硬件結構和系統(tǒng)設計等進行了詳細說明。主要特點在于功能實用、操作簡單、易于安裝。針對人們的需要對機器人進行控制。今后可在技術水平、可靠性和成本降低方面進一步改進和完善。

【參考文獻】

【1】《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》編輯部.8位單片機是否將被32位單片機替代[J].單片機與嵌入式應用，2015（1）：1-2.

【2】張洋，嚴漢宇，劉軍.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013（12）：45-56.

【3】程言哲，張文理，佘寶琛，等.太陽能電池板發(fā)電效率的實驗研究[J].自動化技術與應用，2014（02）：10-12.

【4】王東，莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統(tǒng)設計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016（06）：135-142.