周東瑤，師文慶＊，黃 江，王楚虹

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江524088）

0 引言

現(xiàn)在智能機器人技術(shù)極速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)之中，尤其是多功能智能車成為了主流趨勢，也是自動控制領(lǐng)域中的一個研究熱點。智能車作為智能車輛的載體，是集傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動控制技術(shù)、車輛工程控制于一體的綜合技術(shù)，是未來的智能汽車發(fā)展模型[1]。無線控制智能車可應(yīng)用于國防、航空航天、工業(yè)以及一些服務(wù)型行業(yè)中，如應(yīng)用于國防中的無人駕駛戰(zhàn)車，應(yīng)用于災(zāi)害處理、工業(yè)上危險地區(qū)的數(shù)據(jù)采樣和故障處理等。同時隨著我國現(xiàn)代人工作、生活節(jié)奏的加快和人口老齡化加劇，人們更加需要智能車的協(xié)助，可以提高勞動生產(chǎn)效率[2]。

2002年，我國科技部正式啟動了“十五”科技攻關(guān)計劃重大項目——智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和示范工程，這其中的一個重要內(nèi)容就是進行車輛安全和輔助駕駛的研究。對機電一體化人才的培養(yǎng)也越來越重視，主要體現(xiàn)在面向大學(xué)生的各種大型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的比賽上，如全國大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競賽等，鑒此，設(shè)計一種基于STM32的WiFi智能小車。

1 系統(tǒng)方案概述

系統(tǒng)是一個基于STM32的，由WIFI無線傳輸模塊、超聲波避障模塊、尋跡模塊、驅(qū)動模塊、溫濕度檢測模塊等組成的。整個系統(tǒng)需要一個相對穩(wěn)定的符合需求的架構(gòu)，STM32核心控制器通過對各個模塊的控制來完成各項功能?？刂破靼l(fā)送開始信號給溫濕度檢測模塊，使其檢測溫濕度，并將數(shù)據(jù)傳回控制器，并將這些數(shù)據(jù)通過WiFi無線傳輸模塊顯示到上位機中；通過控制器對舵機、超聲波避障模塊、尋跡模塊的控制，接收其返回的信息完成避障、尋跡的功能；通過上位機的控制信號對STM32控制器進行操控實現(xiàn)對小車的控制[3]。設(shè)計總框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計總框圖

2 硬件實現(xiàn)

硬件部分由主控芯片、電源、電機驅(qū)動、WiFi模塊、自動尋跡模塊、溫濕度傳感器等部分組成。首先，需要一個芯片來完成小車的控制，小車運動則需要電源以及電機驅(qū)動，本設(shè)計的小車功能中，遙控功能需要用到WiFi模塊；自動尋跡通過五路尋跡模塊來實現(xiàn)；避障功能通過超聲波模塊以及舵機配合來實現(xiàn)；環(huán)境的溫濕度通過溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)。具體各部分敘述如下。

2.1 最小系統(tǒng)模塊

最小系統(tǒng)模塊是采用STM32F407VET6最小系統(tǒng)板，板上有充足的資源供給智能小車使用，最小系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)，經(jīng)測試穩(wěn)定可靠。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

供電穩(wěn)定是小車正常運行的基礎(chǔ)，只有供電穩(wěn)定才能有穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以必須要有個合格的電源模塊，本設(shè)計使用四塊3.7V的鋰電池，經(jīng)過兩個XL4015E1降壓穩(wěn)壓模塊的降壓至不同電壓對不同模塊供電。一個降至12V并保持穩(wěn)定之后為小車電機進行供電，另一個降至5V為最小系統(tǒng)供電。

2.3 驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用的是小車底盤自帶的強磁直條雙軸減速電機，比速可達1∶48，并采用L298N電機驅(qū)動模塊，其內(nèi)部有兩個完整的H橋高電壓和較大電流全橋式的驅(qū)動器，一個全橋就可以保證一個直流電機的正反轉(zhuǎn)，其接收的是標準的TTL邏輯電平信號，可以驅(qū)動46V 2A以下的電機。

2.4 尋跡模塊

本設(shè)計采用了五路黑白線尋跡模塊，即由六對紅外對管構(gòu)成，五對用于尋跡，一對用于避障，每對發(fā)射管會發(fā)出一定頻率的紅外射線，若遇到可反射光的物體，紅外射線就會反射回來被接收管吸收，輸出高電平，當測到黑線時，則無法反射，該對管對應(yīng)的管腳輸出低電平。

2.5 超聲波避障模塊

本設(shè)計選用了HC-SR04超聲波模塊，采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給模塊發(fā)送一個最少10μs的高電平信號，模塊就會自動發(fā)送8個40 kHz的方波并檢測是否有信號返回。若有信號返回，則通過設(shè)定成ECHO的IO口輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。所以，測試距離=（高電平時間*聲速）/2，由于超聲波檢測范圍有限，所以加裝了一個舵機模塊，通過舵機帶動超聲波模塊旋轉(zhuǎn)到不同角度，然后檢測不同角度的前方是否存在障礙物，能使超聲波測量范圍加大，更好地實現(xiàn)避障功能。

此模塊提供2 cm～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度高達3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

2.6 溫濕度檢測模塊

本設(shè)計使用了DHT11溫濕度檢測模塊，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度的復(fù)合傳感器。它采用專用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，以確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。

2.7 WIFI無線通信模塊

本設(shè)計選用了ESP-01SWiFi模塊，該模塊采用的核心處理器ESP8266。雖然尺寸小，但是封裝集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻可支持80 MHz和160 MHz兩種[5]，并集成了 Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA，此模塊支持標準的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，TCP/IP協(xié)議棧，可使用此模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可構(gòu)建獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器[6-7]。

3 軟件實現(xiàn)

本設(shè)計包括多個子模塊，需要設(shè)計子函數(shù)的模塊有：超聲波測距模塊、尋跡模塊、驅(qū)動模塊、傳輸模塊、舵機模塊和溫濕度檢測模塊等。主函數(shù)中通過標志位的數(shù)值進入相對應(yīng)的模式子函數(shù)中，默認為手動遙控模式子函數(shù)，每個模式下，都會判斷是否到達中斷定時時間，進入中斷時運行溫濕度采集函數(shù)，以實時在上位機顯示小車周圍環(huán)境的溫濕度。程序總框圖如下圖2所示。

圖2 主函數(shù)流程框圖

3.1 電機控制程序

本設(shè)計用L298N驅(qū)動芯片來驅(qū)動直流減速電機，其中通過控制四個IO口輸出的值來分別控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)，初始化一個定時器用來輸出不同占空比的PWM波來控制電機轉(zhuǎn)速，就能很好地控制電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。本設(shè)計設(shè)置STM32芯片的PB6、PB7、PB8、PB9 管腳分別為 L298N 芯片的 IN1、IN2、IN3、IN4，當 PB6 和 PB8為 1，PB7和 PB9 為 0時，兩個電機正轉(zhuǎn)；反之為反轉(zhuǎn)。接下來使用定時器4使PB6、PB7、PB8、PB9輸出不同PWM，來控制電機的轉(zhuǎn)速，通過上述步驟，就能控制電機的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向了。用定時器4輸出PWM控制電機程序流程圖如圖3所示。

3.2 尋跡程序

選用的BFD-1000五路黑白線尋跡模每對紅外對管都對應(yīng)著一個GPIO口，用來檢測返回的信號，根據(jù)返回的信號來判斷是否沿著制定好的黑色路線行進，若偏離了，則調(diào)節(jié)PWM波來控制電機左右輪的轉(zhuǎn)速以達到調(diào)節(jié)方向的作用。紅外管初始化和檢測程序如圖4所示。

圖4 尋跡函數(shù)流程框圖

3.3 超聲波避障程序

通過一個舵機和一個超聲波模塊組合起來實現(xiàn)超聲波避障功能，所以需要兩個模塊的配合完成，如果前方有障礙物，舵機將帶動超聲波模塊分別轉(zhuǎn)角到不同方向，然后再次啟動超聲波測距，然后選擇繼續(xù)前進的方向?？刂贫鏅C需要使用定時器輸出PWM波產(chǎn)生不同占空比來控制舵機的轉(zhuǎn)角度數(shù)。

而超聲波模塊工作需要兩個IO口，一個輸出觸發(fā)信號TRIG，另一個輸入回響信號ECHO，此處將PE5、PE6分別設(shè)置為ECHO和TRIG，PE6輸出一個高電平時，超聲波模塊會發(fā)送八個40 kHz的方波，隨后超聲波模塊會馬上檢測系統(tǒng)有沒有返回的信號，若接收到返回的高電平信號，則通過ECHO傳回STM32芯片做處理，即PE5高電平保持的時間就是超聲波信號發(fā)出到返回所用的時間，使用此時間乘以聲速再除以二則為小車與前方障礙物的距離[8-9]。本設(shè)計采用定時器5來計數(shù)。流程框圖如圖5所示。

圖5 距離檢測函數(shù)流程框圖

3.4 溫濕度檢測程序

當STM32芯片向模塊此發(fā)出開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換為高速模式，當開始信號結(jié)束后立馬發(fā)送響應(yīng)信號和數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，隨后轉(zhuǎn)換到低功耗模式，若無開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集，本設(shè)計設(shè)置PE0來發(fā)送以及接受此模塊的信號，通過處理PE0所接受到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫濕度。程序流程框圖如上圖6所示。

圖6 溫濕度檢測函數(shù)流程框圖

3.5 WiFi數(shù)據(jù)傳輸程序

采用的ESP-01s串口WiFi模塊需要將開發(fā)板的串口配置好，然后給WiFi發(fā)送指令以配置WiFi的名稱、密碼、模式等，之后才能正常地使用WiFi模塊，使用串口中斷來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，才不會影響其他模式的運行。流程框圖如圖7所示。

圖7 WiFi數(shù)據(jù)傳輸流程框圖

4 測試實驗

小車默認是手動遙控模式，即可通過上位機對小車發(fā)送指令進行遙控，使小車完成前、進后退等各項動作，可任意切換到自動尋跡模式或者避障模式中，每個模式運行中都可以隨時通過上位機來切換模式；在自動尋跡模式中，小車可以通過紅外對管檢測地面上的黑色線路自行調(diào)整方向以沿著黑線前進；在避障模式中，小車會根據(jù)超聲波模塊和舵機配合檢測前方不同方向是否存在障礙物來選擇最佳的前進方向；在每個模式中都會使用定時中斷來檢測溫濕度，并將WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機顯示。小車成品如圖8所示，上位機顯示如圖9所示。

圖8 小車成品圖

圖9 上位機顯示圖

在手動控制模式下，小車能夠迅速接收到上位機的發(fā)送的前進、后退、旋轉(zhuǎn)、切換模式等指令并準確的完成指令；在空地中設(shè)計出一條有若干障礙物的路線，自動避障模式中，小車能夠迅速檢測到障礙物并調(diào)節(jié)到最合適的方向進行前進；在空地上設(shè)計出一條2 cm寬的黑色路線，在自動尋跡模式下，小車能夠很準確的沿著黑線行進；上位機上也能夠?qū)崟r顯示小車周邊環(huán)境的溫室度數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本設(shè)計是基于STM32F407VET6芯片的一款WiFi智能小車，與其他智能小車相比，其可開發(fā)度很高，可以增加更多的模塊來完成更多的功能，本設(shè)計僅做了幾個功能，本設(shè)計一共有三種模式，默認是手動遙控模式，通過上位機對小車發(fā)送指令進行遙控，可任意切換到自動尋跡模式或者避障模式中，在每個模式中都會定時檢測溫濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機顯示，而且每個模式中都可以隨時通過上位機來切換模式。