卜繁增 馬超 王萌 張東志

摘? ?要：隨著科技的快速發(fā)展，人們能夠更好地預(yù)測到地震的發(fā)生，這可以給人們更多的反應(yīng)時間，大大提高了人們的生存機(jī)會。但是地震后的救援也至關(guān)重要。因此，文章設(shè)計了一款智能搜救探測機(jī)器小車，車上配有一個機(jī)械臂，機(jī)械臂的末端配有紅外傳感器。本次設(shè)計將STM32F103C8T6作為主控制器，采用NRF24L01無線模塊來實(shí)現(xiàn)無線傳輸，顯示模塊用OLED液晶顯示，而車上裝有的機(jī)械臂可以更方便地伸入廢墟，紅外傳感器模塊檢測生命特征以便搜救隊員搜救，具有較高的使用價值。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制;紅外探測技術(shù);BMI160慣性模塊;無線控制

1? ? 系統(tǒng)方案及整體構(gòu)架

本次設(shè)計的主控制器采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6，體感檢測模塊則采用ST公司的BIM160慣性傳感器來實(shí)現(xiàn)功能，電機(jī)驅(qū)動模塊則采用L298N電機(jī)驅(qū)動，無線通信功能的實(shí)現(xiàn)采用了NRF24L01無線模塊，生命探測模塊則采用了BISS0001熱釋電紅外傳感器，液晶顯示模塊為有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）液晶顯示，可顯示當(dāng)前狀態(tài)與剩余電量。而系統(tǒng)軟件方面邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，考慮到了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的每種狀態(tài)，對出現(xiàn)的每一種狀態(tài)都進(jìn)行閉環(huán)處理，大大提高了系統(tǒng)工作的效率與穩(wěn)定性。

2? ? 硬件電路設(shè)計

2.1? 主控制模塊

智能搜救探測小車的核心元件是其主控模塊。主控模塊需要處理機(jī)械臂模塊，生命探測模塊與BMI160慣性傳感器等模塊送來的信息，最重要的是對外界的抗干擾能力要強(qiáng)，因此本次設(shè)計采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器。STM32F103C8T6是32位微控制器，速度為72 MHz，程序存儲器容量為64 kB，工作溫度為-40～85 ℃，足以應(yīng)對抗震救災(zāi)的惡劣環(huán)境。外圍設(shè)備可連接直接內(nèi)存存?。―irect Memory Access，DMA），電機(jī)控制脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）與溫度傳感器等。電源電壓為2.0～3.6 V，功耗低，可以延長搜救小車的工作時間。

2.2? 傳感器處理模塊

博世BMI160慣性測量單元傳感器模塊可以實(shí)現(xiàn)體感遙控的功能。BMI160集成了16位的加速度數(shù)字傳感器與16位的陀螺儀傳感器，可與Android系統(tǒng)進(jìn)行兼容，功耗低，電壓支持范圍大，為1.71～3.6 V，可分配1 024字節(jié)的先入先出（First Input First Output，F(xiàn)IFO）緩沖區(qū)，具有高達(dá)1 MHz的可擴(kuò)展I2C模式。其數(shù)據(jù)同步可以通過控制時間戳的高精度來實(shí)現(xiàn)，也可以等待中斷或通過FIFO的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

2.3? 無線通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信信息芯片，采用FSK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)或是1對6的無線通信。用NRF24L01通信信息芯片來實(shí)現(xiàn)無線通信模塊的發(fā)送與接收指令功能。首先將通過體感檢測采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)命令，從而通過單片機(jī)發(fā)出指令來控制機(jī)械臂相應(yīng)運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)全方位多角度無線通信控制。傳輸過程中對體感指令的發(fā)送與機(jī)械臂控制器發(fā)送回狀態(tài)控制包的時間要求非常嚴(yán)格，必須等待狀態(tài)返回包返回后，主控制器才能給機(jī)械臂發(fā)送下一條指令。

2.4? 顯示模塊

通過對比，最終采用了OLED液晶顯示模塊來顯示當(dāng)前狀態(tài)與機(jī)械臂的剩余電量。OLED-128x64是具有UEXT連接器的低功耗OLED液晶顯示模塊，是低成本，低功耗，高對比度的LED顯示屏。可以通過I2C進(jìn)行控制。所需的電源睡眠模式范圍為1 uA，工作模式為200 uA，顯示ON模式為7 mA。該SSD1306控制器OLED液晶顯示模塊視圖面積為21×11 mm。提供4針頭，可以使用MOD-OLED-128x64與面包板進(jìn)行焊接。

2.5? 機(jī)械臂控制模塊

對小車與機(jī)械臂的信號控制是通過16路PWM驅(qū)動模塊與L298N電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。控制PWM的方式是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在一定周期內(nèi)，通過控制給高電平的時間來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。

2.6? 紅外傳感器控制模塊

BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外傳感器。

BISS0001是CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號與處理，雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和封鎖時間定時器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬，其工作電壓范圍為2～6 V。

3? ? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

首先需要系統(tǒng)的初始化，在系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)會先檢測各個模塊的功能是否正常，如是否可以正常通信，是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)，電源電壓是否正常并將結(jié)果顯示在OLED屏幕上，一切正常之后系統(tǒng)會進(jìn)入工作狀態(tài)，會時刻接收來自各個模塊的通信數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)的處理后會傳輸?shù)浇K端來實(shí)施相應(yīng)的功能，電量會實(shí)時顯示在OLED屏幕上。

4? ? 結(jié)語

本次設(shè)計大體討論了基于STM32F103C8T6的智能搜救紅外小車的設(shè)計論證與實(shí)現(xiàn)。同時大體介紹了硬件電路的組成與軟件系統(tǒng)的工作原理。經(jīng)實(shí)踐操作試驗(yàn)可以得出，該智能搜救紅外小車的機(jī)械臂運(yùn)行較為流暢，紅外探測較為敏感，在實(shí)際生活中具有較高的使用價值。

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