銀川能源學(xué)院 成慧芳

在工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)測主要依賴于人工巡檢，隨著技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了固定探頭傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，人工巡檢工作量大，巡檢時(shí)間長，且容易出現(xiàn)遺漏，而固定探頭傳感器只能對固定位置一定范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，不夠靈活。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32的智能巡檢小車，可搭載不同傳感器實(shí)現(xiàn)小車的自主避障、自主循跡及室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等功能，能有效降低工廠人工巡檢時(shí)錯(cuò)檢或漏檢而造成安全事故的概率。該智能小車同時(shí)可通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給工作人員，可用于無人值守的工作環(huán)境，方便工作人員對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文提出設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32的智能巡檢小車，搭載超聲波傳感器、溫濕度傳感器、氣體檢測傳感器等模塊，實(shí)現(xiàn)對工廠生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測，并通過WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，以有效地排除生產(chǎn)環(huán)境中的不安全因素，保障工業(yè)企業(yè)的人員生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。該小車的主要硬件配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由STM32單片機(jī)、紅外循跡傳感器、超聲波測距傳感器、舵機(jī)、溫濕度傳感器、氣體傳感器、直流電機(jī)等組成。

圖1 智能小車整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

該小車的硬件電路接線如圖2所示，四個(gè)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動模塊帶動小車行進(jìn)，舵機(jī)帶動超聲波傳感器進(jìn)行測距以實(shí)現(xiàn)避障行進(jìn)，紅外循跡傳感器實(shí)現(xiàn)小車的循跡移動，溫濕度傳感器、氣體檢測傳感器等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示屏上。

圖2 硬件電路接線圖

2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

由于單片機(jī)輸出信號功率較弱，本文選用的直流電機(jī)反向電動勢較大，直接接到單片機(jī)輸出引腳上可能會對單片機(jī)造成燒毀，所以需要選用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動模塊。根據(jù)本文小車需實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、倒退及轉(zhuǎn)彎功能的需求，本文采用了雙H橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板，此模塊供電電壓可達(dá)2～10V，可同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)四線兩相式步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及調(diào)速的功能，同時(shí)具有熱保護(hù)功能。本文采用脈寬調(diào)制（PWM）方法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而達(dá)到控制小車加減速的目的。如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

2.2 超聲波測距

本文采用超聲波測距傳感器實(shí)現(xiàn)對障礙物距離的檢測，主要是基于超聲波具有頻率高、波長短、方向性好且能定向傳播的特點(diǎn)。采用超聲波傳感器進(jìn)行距離測量的主要原理是傳感器發(fā)射一個(gè)方向超聲波后，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后會立刻返回，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度340m/s及傳播時(shí)間t即可計(jì)算出小車與障礙物之間的距離s=340t/2。本文選用HC-SR40超聲波傳感器，分別有VCC、GND、Trig、Echo四個(gè)引腳，單片機(jī)通過給Trig所接端口一個(gè)高電平脈沖，超聲波發(fā)射模塊SR40開始發(fā)射超聲波，當(dāng)收到反射波時(shí)，Echo輸出有效信號，單片機(jī)檢測到該信號后，測量從Trig觸發(fā)開始到接收到Echo的時(shí)間差即可計(jì)算出小車與障礙物之間的距離。該傳感器還配備一個(gè)舵機(jī)用于帶動傳感器的左右轉(zhuǎn)動，用于多角度測距避障，同樣采用PWM脈寬調(diào)制來控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

2.3 紅外循跡傳感器

紅外循跡傳感器工作原理與測距傳感器基本相同，都利用了光的反射性質(zhì)。該傳感器由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成，黑色循跡軌道對紅外光具有吸收作用，所以當(dāng)發(fā)射管發(fā)射一個(gè)紅外信號后，單片機(jī)根據(jù)是否接收到反射的紅外信號來確定黑色循跡線位置及小車的行走路線。如圖4所示。

圖4 紅外傳感器原理圖

2.4 氣體檢測傳感器

本文采用MQ-2氣體檢測傳感器，該傳感器主要用于烷類氣體和煙霧的探測。本文采用該傳感器主要用于生產(chǎn)環(huán)境中甲烷氣體濃度的檢測。該傳感器利用二氧化錫加熱后與甲烷氣體接觸會使材料表面導(dǎo)電率變化的特性，空氣中甲烷氣體濃度越高，其導(dǎo)電率越大，輸出電阻就越低，輸出的模擬信號就越大。通過ADC采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號即可得到煙霧濃度的數(shù)值。

2.5 數(shù)據(jù)的顯示與傳輸

傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后可顯示在OLED顯示屏上，還可通過WiFi模塊傳輸至手機(jī)端APP，以方便工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)的采集。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序初始化后，可通過模式選擇使小車進(jìn)入不同的行進(jìn)模式，避障模式中小車通過超聲波測距傳感器檢測障礙物進(jìn)行避障移動，循跡模式下小車可根據(jù)環(huán)境中已鋪設(shè)好的黑色循跡線行進(jìn)，兩種模式下小車其他傳感器均可進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和顯示，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的巡檢。如圖5所示。

圖5 硬件主程序流程圖

總結(jié)：經(jīng)實(shí)地測試，該小車能夠在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)避障巡檢及循跡巡檢，各傳感器模塊能夠正常采集各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)并顯示在OLED顯示屏上，WiFi模塊能夠連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。相較于固定探頭傳感器監(jiān)測，智能巡檢小車更便于對生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，靈活性更高，巡檢覆蓋面更大，能夠在減少人力投入的情況下配合原有固定探頭傳感器監(jiān)測系統(tǒng)更好地進(jìn)行生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測從而保障企業(yè)的生產(chǎn)安全。