基于STM32的智能物料小車設計

IV摘要隨著科技水平技術的發(fā)展，社會的經濟的提高，越來越多工業(yè)業(yè)務需求不斷涌現了出來。與此同時，伴隨各行各業(yè)生產水平的提高，各個國家都在積極的投入智能物料配送小車的研究，通過先進的信息技術、電子技術、電子通訊技術等推動智能物料配送小車技術的進步，盡可能實現的目標是逐步實現機械化、智能化、高度自動化。智能物料小車采用基于STM32系列的芯片作為主控。該系列芯片結合了多個寄存器，具有豐富的中斷邏輯、時鐘配置使能控制等概念，以及多樣的硬件外部接口，如復位電路、RS232、RTC電路、SD卡接口等，同時STM32系列芯片的固件庫有很多實用結構體和指針變量，該系列芯片結構精簡，能夠實現對電機、傳感器以及其他外設的控制。小車的硬件由最小系統、電源電路、電機驅動電路、循跡電路、避障電路和語音播報電路等組成，使用C語言編程，然后結合路線規(guī)劃進行設計驗證。本設計代替工廠設計了一款生產車間專用智能物料和半成品配送小車。本設計采用模塊化的思想進行設計，將每一個模塊的硬件和軟件模塊設計好，然后進行車體的組裝和系統測試，基本實現預期效果。關鍵詞：循跡，STM32，避障AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementofsocialeconomy,moreandmoreindustrialbusinessneedscontinuetoemerge.Atthesametime,withtheimprovementoftheproductionlevelofallwalksoflife,countriesaroundtheworldareactivelyinvestingintheresearchofintelligentdistributionvehicles,throughtheapplicationofadvancedelectronictechnology,informationtechnology,electroniccommunicationtechnology,etc.topromotetheprogressofintelligentdistributionvehicletechnology,asfaraspossibletoachievethegoalofgraduallyrealizingmechanization,intelligence,andhighautomation.TheintelligentmaterialtrolleyadoptsachipbasedontheSTM32seriesasthemaincontrol.Thisseriesofchipscombinesmultipleregisters,withrichinterruptlogic,clockconfigurationenablecontrolandotherconcepts,aswellasavarietyofhardwareexternalinterfaces,suchasresetcircuit,RS232,RTCcircuit,SDcardinterface,etc.,whilethefirmwarelibraryofSTM32serieschipshasmanypracticalstructuresandpointervariables,theseriesofchipshaveastreamlinedstructure,whichcanrealizethecontrolofmotors,sensorsandotherperipherals.Thehardwareofthetrolleyiscomposedofaminimumsystem,apowersupplycircuit,amotordrivecircuit,atrackingcircuit,anobstacleavoidancecircuitandavoicebroadcastcircuit,etc,programmedinClanguage,andthencombinedwithrouteplanningfordesignverification.Thisdesignreplacesthefactorytodesignaspecialintelligentmaterialandsemi-finishedproductdistributiontrolleyfortheproductionworkshop.Thisdesignadoptstheideaofmodularity,thehardwareandsoftwaremodulesofeachmodulearedesigned,andthentheassemblyandsystemtestingofthecarbodyarecarriedouttobasicallyachievetheexpectedresults.Keywords：Followthetrail,STM32,Obstacleavoidance-目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 41.1論文研究背景與意義 41.2論文研究內容與方法 41.3國內外研究現狀 5第2章關鍵技術介紹 62.1關鍵性開發(fā)技術的介紹 62.1.1 STM32單片機 62.1.2電機驅動原理 62.1.3PWM原理 7第3章系統分析 83.1構架概述 83.1.1系統構架 83.1.2模塊需求描述 93.2系統開發(fā)環(huán)境 123.3系統技術安全與經濟可行性分析 123.3.1系統技術可行性 123.3.2系統安全性分析 133.3.3系統經濟可行性 13第4章系統設計 144.1硬件電路設計 144.1.1最小系統電路 144.1.2調試電路 154.1.3電源電路 154.1.4超聲波避障電路 164.1.5語音播報電路 174.1.6驅動電路 174.1.7循跡電路 184.1.8按鍵電路 184.2軟件設計 184.2.1主程序設計 194.2.2避障程序設計 194.2.3循跡程序設計 204.2.4語音播報程序設計 20第5章系統實現 225.1PCB和原理圖的實現 225.2電機驅動實現 235.3超聲波避障實現 245.4語音播報和泊車實現 255.5紅外循跡實現 265.6附加模塊OLED的實現 27第6章系統測試 286.1測試方案 286.1.1驅動測試 286.1.2電源測試 296.1.3循跡測試 296.1.4語音播報測試 306.1.5超聲波避障測試 316.1.6OLED測試 326.1.7整機測試 32第7章結論 33參考文獻 34致謝 35第1章緒論1.1論文研究背景與意義自動控制和傳感器的發(fā)展與創(chuàng)新具有重要的意義。在人工智能技術的支持下，它們已經實現了更高效、更精確、更節(jié)能的自動控制和傳感功能，并取得了巨大進步。例如，現在智能小車產品已經成為一種趨勢。同時，自動控制和傳感器在醫(yī)療領域也有廣泛應用。這些發(fā)展和創(chuàng)新使得自動控制和傳感器對現代社會的發(fā)展具有重要作用。在這個背景下，基于STM32的智能小車的研究應運而生。近年來，隨著全國經濟的發(fā)展以及人們生活需求的提高，人工運貨已經不能完全適應工廠車間的工作進度，伴隨市場需求量的劇增，各大工廠車間面臨著巨大的挑戰(zhàn)，他們不僅要保證產品的質量，還得保證生產的速度，因此衍生出了各式各樣的智能物料配送小車，它們也逐漸成為人們關注和研究的熱點之一。傳統工廠車間工作模式在智能物料配送小車的引導之下進入了新的發(fā)展階段。工廠車間科技發(fā)展中的明珠——智能配送小車設備，能夠適用于各種不同的配送任務，并受到各大企業(yè)的青睞。隨著客戶需求的增加，智能物料配送小車的效率不斷提高，未來還將出現更加智能化、更加人性化的配送技術。通過智能物料小車的輔助，大大提高了工廠車間的工作效率，更進一步的帶動了企業(yè)工廠車間的發(fā)展。1.2論文研究內容與方法基于STM32的車間智能配送物料小車方案設計。智能物料配送小車能夠按照指定的循跡[1]路線行駛并承載物料，同時能有效的檢測途中出現的障礙物、以及當物料小車到達指定位置時進行智能語音播報并且停車等功能。車間智能物料配送小車的硬件模塊由單片機、電源電路、電機驅動、紅外循跡、避障、語音播報等模塊組成[2]。本設計的軟件設計遵循軟件開發(fā)流程使用C語言實現。智能物料配送小車擬解決的關鍵問題。STM32系列主控芯片能夠控制多個電機、和不同功能模塊的實現。小車能夠按照指定路線循跡、行駛過程中能夠檢測障礙物等。小車到達指定地點進行語音播報。智能物料配送小車軟件代碼設計。根據小車需要實現的功能模塊，制作對應的流程圖，然后根據流程圖編寫程序。智能物料配送小車的實現與測試。將每個硬件模塊進行電路連接，完成小車每個功能模塊的調試，最后固定好智能物料小車的車體，并設計智能物料小車的路線，讓物料小車可以在粘有黑色引導線的白色跑道上進行調試。1.3國內外研究現狀在國外研究領域中，智能移動小車已經成為熱門研究課題之一。通過應用先進的傳感器技術和機器學習算法，智能移動小車能夠感知并適應外部環(huán)境，以達到自主控制和導航的目的。目前，國外研究機構已經取得了一些重要成果，如自主導航、目標識別、避障等方面。同時，智能移動小車的應用領域也越來越廣泛，包括物流運輸、環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)生產等。未來，智能移動小車的研究和應用將不斷拓展，在科技創(chuàng)新和智能制造等領域中發(fā)揮重要作用。在國內，有關智能移動車的研究已逐步趨于成熟，但是由于起步晚，我們的研究還沒有取得突破性的進展，國內最早研究智能汽車相關方面的是清華大學，他們在傳感技術、自動避障、超聲波測距等技術上開展了相關研究，在理論研究和實際應用中取得了矚目的成果。第2章關鍵技術介紹2.1關鍵性開發(fā)技術的介紹STM32單片機STM32F103C8T6是一款微控制器，這種微型電子芯片可被廣泛應用于許多不同的電子設備中。它的主要特點是高性能和低功耗，這意味著它可以在節(jié)約能源的同時執(zhí)行各種復雜的操作。該芯片還可以提供各種有用的功能和接口，根據需求進行定制。它的存儲器容量為128KB，足以存儲許多數據，而主頻能夠達到72MHz，使得其響應能力更加敏捷迅速可以同時支持多個任務，實現多核心運算。它還擁有多種接口，如SPI、USART、I2C等，方便與其他外設進行通信。STM32F103C8T6還內置了模擬數字轉換器，可實現模擬信號的轉換和控制。此外，它還擁有可擴展的GPIO口，可實現多種外設的接入，如LED燈、傳感器、驅動等。該微控制器支持Keil和IAR兩種開發(fā)平臺，開發(fā)人員可根據需求進行選擇。此外，它還支持在線編程和調試，方便開發(fā)和測試?？傊?，STM32F103C8T6集成功能十分強大、是一種使用普遍的微控制器，在各種領域的電子設計和控制中都有被應用。它具有高性能、低功耗、豐富的接口和功能，是電子行業(yè)中不可或缺的重要組成部分。圖2.1STM32F103C8T6微控制器2.1.2電機驅動原理在設計智能小車的電機驅動[3]中，需要考慮諸多因素，包括電機類型、所需驅動功率、控制方式和控制精度等。一般情況下，直流電機是作為智能小車驅動的首選之一，因為它們具有結構精簡、響應速度快、體積小、可逆和可調速等特點，并且容易與電機控制器搭配使用。為了實現智能小車的驅動控制，通常需要采用現代的電機驅動技術。其中，基于功率半導體器件的電機驅動技術是最常用的。此外，對于智能小車電機驅動的開發(fā)還需要注意電機驅動器的抗干擾性強、噪聲小、控制精度高等特點?？傊?，智能小車的電機驅動是智能小車系統中非常重要的組成部分，它需要充分考慮到小車控制需求、電機類型和驅動功率、現代的驅動技術以及其他方面的因素，才能實現高效準確的驅動和控制。2.1.3PWM原理PWM（脈沖寬度調制）是基于數字信號的控制具有精準度高和可編程性強等優(yōu)點。在PWM技術中，信號的波形由一個固定頻率的載波和波形頻率小于載波頻率的調制信號組成。通過調制信號的脈寬來控制載波的占空比，進而控制電路的輸出電壓、電流等參數。這一技術在控制直流電機、交流電機、LED等電路上有著廣泛的應用。通過調整PWM信號的占空比，可以實現電機或LED燈的精確控制，從而達到更加穩(wěn)定且精確的輸出效果。此外，該技術還能提高電路效率，減少功耗，應用前景廣闊。因此，對這樣的電子原理的掌握是學習大學電子學及控制理論的必備基礎，對未來工作和學術研究都有著重要的幫助和應用價值。第3章系統分析3.1構架概述本設計代替工廠“蜘蛛人”，設計了一款生產車間專用智能物料和半成品配送小車，通過智能物料配送小車來避免在生產流水線時由于工序間調配的配送不及時導致工序間銜接不當，出現時間等待的浪費，同時可以以此來減少人工工作強度，解放人的雙手，以達到提高企業(yè)生產效率的目的。功能模塊如下。1)主控模塊：STM32F103系列的芯片，具有大內存和高運行速度，該系列芯片結構精簡，操作簡單，能夠實現對電機的控制。2)驅動模塊：STM32實現對電機的控制，是通過改變脈沖寬度調制，實現電機轉動的速度，進而控制小車的運動速度，同時可根據改變引腳的高低電平來控制小車的轉向。3)紅外循跡模塊：促使車間智能物料配送小車按照車間的物料配送路線前進。4)避障模塊：智能物料配送小車在行駛的過程中及時檢測障礙物，防止碰到周圍障礙，導致貨物掉落。5)語言播報模塊：智能物料小車在到達目的位置時，發(fā)出語音鳴叫，提醒工人及時將貨物取下，以此來提高工作效率。3.1.1系統構架本設計主要有六個部分組成，分別是STM32系列單片機模塊控制外設、紅外循跡模塊負責車體在地面沿著路線行走、超聲波避障模塊負責檢測路線中出現的障礙物、語音播報模塊負責貨物送到的語音提示、電源模塊負責給其他外設模塊提供所需的工作電壓、驅動模塊負責車體的前進、后退等行為，結構如下圖3.1所示。圖3.1系統結構圖3.1.2模塊需求描述（1）紅外循跡模塊TCRT5000是一種傳感器，用于檢測物體是否在其探測范圍內。TCRT5000是一種非常常用的紅外線傳感器，用于檢測紅外線的反射信號。其工作原理是利用發(fā)射紅外線的LED和接收紅外線的光電二極管（光敏電阻）構成一個紅外光測距模組，將所反射回來的紅外光信號通過比較光敏電阻的電阻值來判斷被測物體的距離。物體靠近時，光敏電阻的電阻值會發(fā)生相應的變化，從而輸出相應的距離信號，即當紅外線被反射回來且強度足夠大時，指示二極管被點亮，紅外接收管打開，模塊的輸出端為低電平。反之，當反射回來的光強度不夠大時，指示二極管熄滅，紅外接收管關閉，模塊的輸出端為高電平。由于TCRT5000靈敏度高、成本低，精度較高、體積小，因此在智能小車、紅外線遙控等應用場景中十分常見。如圖3.2所示。圖3.2TCRT5000（2）超聲波避障模塊HC-SR04是一種超聲波傳感器，它可以通過發(fā)射超聲波脈沖來檢測物體的距離。當傳感器發(fā)出一個超聲波脈沖，脈沖經過空氣向前傳播，直到遇到一個障礙物。一旦脈沖與障礙物相遇，一部分聲波就會返回傳感器。這樣的反射聲波會被傳感器接收到，然后被處理器計算出來反射回來的時間。因為聲波的傳播速度在空氣中是已知的，所以根據反射時間，我們可以很容易地計算出物體和傳感器之間的距離。這種傳感器可以通過多次發(fā)射和接收超聲波脈沖，得出更準確的距離估計值。同時，HC-SR04工作頻率高，能夠在比較長的距離范圍內工作。在實際應用中，這樣的傳感器通常用于障礙物檢測、門禁系統、智能小車、以及機器人導航等領域。它們的精度可達數毫米，因此非常適用于需要精確定位的應用場景。總之，HC-SR04的工作原理簡單直觀，且應用廣泛，為智能制造和物聯網應用提供了可靠的測距解決方案。如圖3.3所示。圖3.3HC-SR04（3）電源模塊由于干電池的電池容量可以更換且方便，所需的成本不高，與此同時，干電池還可以進行再次利用，很大程度上提高了系統模塊的性能需求，因此本設計選擇采用干電池供電，接入干電池電源再通過降壓芯片轉換為系統和外設需要的5V電壓，此外，由于其他的模塊所需的工作電壓不同，如最小系統需要的工作電壓是3.3V，所以，本設計采用以LDO線性穩(wěn)壓芯片AMS1117構成的穩(wěn)壓電路，工作原理為將5.5V的電壓轉換為3.3V給最小系統和其他外設使用，以此確保系統工作的穩(wěn)定性。（4）電機驅動模塊方案選型：常用的驅動模塊有L298N、TB6612、L293D等。L298N是一個電機控制器。其工作原理為當輸入觸點接收到信號時，它會通過內部的晶體管來放大信號，然后控制所連接的電機的行為，L298N最多可以控制兩個電機，支持2A電流的輸出，所以非常適合控制直流電機和步進電機。該控制器還包括一個保護功能，當溫度過高或電流過大時，它可以自動關閉電流輸出以保護電機。TB6612是一種雙路直流電機驅動器，可用于控制小型電機的轉速和轉向。它包含一個H橋驅動器，可以使用戶輕松控制電機的方向，并且還提供了PWM控制電機速度的功能。TB6612支持1.2A的電流，工作電壓為2.7V至5.5V[4]，因此非常適合用于單片機或其他微控制器系統中。TB6612的工作原理是通過外部電壓或單片機的PWM輸出來控制電機。當輸入信號給出時，H橋將使電機停止、向前或向后運動。同時，可以通過改變PWM信號的頻率和占空比來控制電機的轉速。此外，該驅動器還可提供保護功能，包括過熱、欠壓和短路保護等。這些保護功能大大增加了電機運行的穩(wěn)定性和可靠性。L293D是一種常見的雙H橋電機驅動芯片，可以實現不同種類電機方向和速度的控制。該芯片具有多種功能，包括方向控制、速度控制和保護功能等，下面分別介紹：方向控制：L293D可以通過輸入控制信號，將輸出通道上的電壓轉換為正向或反向，從而控制電機正反轉。通過輸入邏輯電平的控制，可以達到十分高效的方向控制效果。速度控制：L293D可以根據PWM輸入的信號從而控制輸出通道的占空比，從而實現調節(jié)電機轉速的效果。這樣，電機可以在不同的載荷下運行，保證了電機的穩(wěn)定性和性能。保護功能：L293D還具有多種保護功能，如反電動勢保護、過載保護等。在電機運行時，如出現反電動勢或過載等情況，L293D可以自動將輸出通道斷開，從而保護芯片和電機的安全。總之，L293D通過控制電壓、電流和PWM信號等手段，可以實現電機的方向和速度控制，并具有多種保護功能，廣泛應用于機器人、小型車輛、工業(yè)自動化等領域。綜上三種方案對比來說，L298N的發(fā)熱嚴重，外接元件比較多，體積較大，使用相對復雜，增大了物料小車的載重，從而降低小車的運動質量，而L293D的驅動能力比較有限，所以本設計采用TB6612作為智能物料小車的電機驅動芯片。（5）主控模塊方案選型：常見的主控模塊STM32系列單片機和51。STM32系列的芯片具備卓越的工作能力。具有多種特點，如高速、低功耗、多功能和高擴展性等。它們適用于各種應用領域，如智能制造、工業(yè)控制、醫(yī)療設備和汽車電子等，能夠滿足各種應用的需求。該系列的芯片功能強大，能夠最高運行到168MHz的主頻，并且內置了1MB嵌入式閃存，支持各種通信接口、外部存儲器和中斷。此外，開發(fā)者可以使用多種開發(fā)軟件和調試工具，以提高開發(fā)效率。除此之外，它們配備了多種安全機制、安全傳輸接口和外圍存儲器保護機制等。總之，STM32系列的芯片是一種非常強大的微控制器，具有靈活性、可擴展性和可靠性，廣泛應用于各種應用領域。51系列芯片是一種集成精簡、上手簡單的單片機，最開始由Intel公司推出，并在中國得到廣泛應用。這種芯片具有良好的基礎性能，易于學習和應用，成本低廉。因此，它被廣泛應用于各種場合，例如電子制作、自動化控制、智能家居和嵌入式系統等領域。這種芯片基于8051的體系結構，集成了微處理器、內存、時鐘控制器和各種外設等元件。具有頻率高、存儲容量大、輸入輸出靈活等特點。經過不斷的升級和改進，51系列芯片現在已經具有可靠性和穩(wěn)定性，并且支持多種通信和擴展接口。雖然其他芯片現在具有更高的性能和更多的特性，但這種芯片已經成為一種非常成熟的技術，并且仍在各個領域得到廣泛應用。綜上兩種單片機方案，相較于51系列單片機，STM32系列芯片使用的寄存器更多，具有更強大的配置功能，且具備豐富的外設功能。STM32芯片在時鐘配置、中斷邏輯以及使能控制等方面均具備卓越的優(yōu)勢，相比之下51單片機則存在一些功能不足的問題。此外，STM32還具備一些51單片機所沒有的功能，如USB、FSMC等，能夠更好地滿足電子設備的需求，外圍接口豐富，同時，STM32固件庫有很多實用結構體和指針變量，而且STM32比51處理速度快，外設功能豐富強大。綜上所述，將STM32系列芯片作為主控芯片能夠為本項目帶來更強大的性能和更豐富的功能。（6）語音播報模塊JQ8400語音播報模塊的工作原理本質上是將預先錄制的語音信息存儲在模塊內部的閃存中，并通過外部的控制信號觸發(fā)相應的語音播放。通常情況下，JQ8400語音播報模塊的引腳包括供電引腳、數據接收引腳、控制脈沖引腳、輸出口引腳等。其中，數據接收引腳用于接收外部傳輸的語音信息，供電引腳則用于為模塊提供電源?？刂泼}沖引腳和輸出口引腳則用于觸發(fā)語音播放功能并輸出相應的語音信號。它的工作原理基本上都是通過控制信號來觸發(fā)閃存中儲存的語音信息，從而控制語音播放。3.2系統開發(fā)環(huán)境開發(fā)環(huán)境：Windows11專業(yè)版開發(fā)語言：C語言軟件開發(fā)工具：KeiluVision5/AltiumDesigner硬件開發(fā)：STM323.3系統技術安全與經濟可行性分析3.3.1系統技術可行性本項目前期可通過知網平臺，萬方數據知識服務平臺查閱相關的參考文獻，針對性的解析本設計所實現的每一個模塊原理。主控采用STM32F103系列的芯片，具有大內存和較高的運行速度，該系列芯片結構精簡，能夠實現對電機、傳感器以及其他外設的控制。開發(fā)環(huán)境使用Keil，開發(fā)語言使用C語言，硬件原理圖和PCB設計采用AltiumDesigner電子產品開發(fā)系統。使用TB6612芯片控制智能配送小車的轉向及轉速，采用TCRT5000紅外傳感器進行路線循跡。通過前期的調查和分析，網上有很多論文和期刊可供參考，包括每個模塊的傳感器都有詳細的軟硬件分析，其中硬件部分有許多相似的優(yōu)秀案例，如驅動、循跡和避障的原理圖及PCB等，軟件部分在網上的資源教程眾多，總的來說，本次設計具有可行性。3.3.2系統安全性分析基于STM32的車間智能物料配送小車具有多個傳感器和執(zhí)行器設備，可以實現復雜的任務和功能。在進行系統安全性分析時，需要考慮系統運行環(huán)境和焊接各個電路系統的安全性、以及上電調試的安全性等，需要針對系統的整體設計和需求進行全面的安全需求分析。并且需要了解系統功能和其安全性需求，比如小車避障機制、數據傳輸及存儲過程、傳感器通訊等，為后續(xù)安全架構設計提供依據，以確保系統的安全運行。3.3.3系統經濟可行性本設計所涉及的相關經濟支出包括前期的各個硬件模塊打板，以及每個模塊所需的器件購買和各類焊接工具，這些可以利用現有的設備，不用進行另外的設備投資。第4章系統設計4.1硬件電路設計本設計的硬件開發(fā)采用AltiumDesigner19，AltiumDesigner19是一款強大的電路板設計軟件，其提供多種原理圖設計的支持，并且提供了PCB轉換的功能，能夠將原理圖轉換為PCB圖形。此外，在設計過程中，AltiumDesigner19還提供了3D視圖預覽的功能，幫助設計師加深對電路板設計的理解和模擬。AltiumDesigner19還具有強大的設計工具和管理功能，如批量修改、封裝管理等，極大地提高了設計效率和生產率?？傊珹ltiumDesigner19是現代電路板設計師不可或缺的實用軟件。4.1.1最小系統電路最小系統是本設計工作的基本要求核心。它主要包含電源、時鐘、復位[5]和控制芯片。電源：用于供給整個系統的工作,需要的供電電壓為3.3V。晶振：晶振在單片機系統中扮演著至關重要的角色。本系統設計采用含有外部8MHz高速晶振和內部32.768KHz晶振的晶體振蕩器電路，分別為系統提供時鐘信號和RTC時鐘信號。外部高速晶振能夠提供高頻穩(wěn)定的時鐘信號，確保系統正常運行，而內部32.768KHz晶振則更為精準地提供時鐘信號定時，以滿足實時時鐘RTC的需求。在設計晶振電路時，我們需要精細選擇外部晶振的頻率和內部晶振的時鐘周期，并對其外圍電路進行精心設計和控制，以確保整個電路的穩(wěn)定性和可靠性。復位：為保證單片機正常啟動，本系統采用了低電平復位的方式，包括上電復位和按鍵復位。其中NRST是芯片(STM32)自帶的復位引腳，一般用于上電復位與按鈕復位當按鍵按下NRST引腳直接低電平復位，單片機上電后，由于電容兩端電壓不能突變特性，上電后一瞬間，NRST端電位近似為GND，即低電平，單片機復位。經過幾個ms后，電容充電完畢，電容兩端電壓近似為VCC，電阻兩端電壓近似0V，相當于導線，從而NRST端電位近似于VCC，單片機開始正常工作。整個復位過程需要通過精準的電路設計和控制來實現，以確保復位過程的穩(wěn)定性和可靠性。最小系統中還包含了濾波電路，它的目的是去除電路中的雜波和噪音，以確保電線中傳輸的信號變得更加穩(wěn)定。這可以有效避免因雜波和噪音而導致的電路故障和輸出信號的失真問題。通過這種方法，濾波電路可以顯著提高C8T6電路的性能和穩(wěn)定性，從而使得設備運行得更加穩(wěn)定可靠，同時也可以有效延長電路部件的壽命。這些部分構成了完整的最小系統，確保了單片機具備正常工作所需的基本功能。如圖4.1所示。圖4.1最小系統4.1.2調試電路在本設計中，需要將編寫的代碼燒錄到核心板，才能讓硬件和軟件結合起來完成每個模塊的功能調試。本設計提供了TTL和ST-Link兩種程序下載方式，本設計新增TTL，所需接口。USB-TTL下載代碼的工作原理是將編寫好的程序代碼通過計算機與USB-TTL串口轉換器相連，通過串口通信協議將代碼發(fā)送到目標設備中，進而完成程序的燒寫。通過使用USB-TTL串口轉換器進行代碼的燒寫，可以大大提高效率和準確性，是常用的下載方式之一。如圖4.2所示。圖4.2調試電路4.1.3電源電路穩(wěn)壓電路的作用是為了確保輸出電壓的穩(wěn)定性。因為交流電網的供電電壓不穩(wěn)定，整流濾波電路輸出的直流電壓就會有所不同。由于本設計使用的外設都需要提供5V電壓，所以本設計需要采用5V的穩(wěn)壓電路。其工作原理為，端口接入電源，按下開關以后，輸入的電壓通過AMS1117降壓芯片轉換為本設計外設需要的5V電壓。如圖4.3所示。圖4.35V穩(wěn)壓電路3V3穩(wěn)壓電路是根據AMS1117系列中的3V3穩(wěn)壓芯片構成的穩(wěn)壓電路，主要作用是給單片機和傳感器供電。其工作原理為：接入5V電壓，然后通過線性電源轉換芯片AMS1117將5V電壓轉換為3.3V電壓，為最小系統供電。AMS1117是一種穩(wěn)壓電路芯片，它的作用是調整電壓并保持穩(wěn)定。它的穩(wěn)壓調整管是由一種叫PNP的管和另一種叫NPN的管組成的。其中PNP管用于控制電路的電流，而NPN管則用于調整電路的電壓。這種芯片能夠提供穩(wěn)定的電源，因為它的漏失電流非常低。輸出端的濾波電容是為了防止震蕩和穩(wěn)壓性能下降。如圖4.4所示。圖4.43V3穩(wěn)壓電路4.1.4超聲波避障電路第一步是將超聲波模塊的1號和4號引腳分別連接到電源的GND和VCC，2號和3號引腳連接到控制器。接下來，控制端和接收端都需要與單片機相連。當端口發(fā)出高電平超過10微秒時，接收口就會等待高電平的輸出。一旦接收到輸出，就可以開始開啟定時器進行計時。端口變成低電平時，可以通過讀取定時器的值來獲取測距時間，從而算出距離。通過不斷重復此步驟，就可以實現移動測量并獲取一系列的距離值。如圖4.5所示。HC-SRO4特點：(1)典型工作用電壓：5v

(2)超小靜態(tài)工作電流：小于2mA

(3)感應角度：不大于十五度

(4)探測距離：2cm~400cm

(5)高精度可達0.3cm圖4.5超聲波避障電路接口4.1.5語音播報電路JQ8400語音播報模塊的重要引腳和原理如下：DC-5V和GND引腳為電源正負極，給模塊供電；RX和TX引腳為串行通信傳輸數據，可與單片機等其他設備進行通信；SPK+和SPK-引腳為揚聲器正負極，連接揚聲器實現語音播報。其中ONELINE為一線串口引腳，只需與MCU連接一根線，也可實現語音播報。如圖4.6所示。圖4.6語音播報電路接口4.1.6驅動電路本設計采用TB6612作為驅動芯片，TB6612包含16引腳，其中VM引腳為電機的供電引腳，VCC引腳為芯片邏輯電平輸入端，AO1\A02\BO1\BO2引腳為控制電機的輸出端口，AIN1\AIN2\BIN1\BIN2引腳為控制電機轉向的輸入端口，PWMA\PWMB引腳接入MCU的PWM口，用于調速，STBY引腳用于芯片工作或待機狀態(tài)的控制，四個端子MOT1\MOT2\MOT3\MOT4為電機接入端口。如圖4.7所示。圖4.7電機驅動電路接口4.1.7循跡電路本設計的循跡模塊采用TCRT5000，本設計采用兩個紅外模塊，來實現循跡，該模塊包含三個引腳，分別為5V、GND和信號輸出引腳，如圖4.8所示。圖4.8循跡電路接口4.1.8按鍵電路本項目一共設計了三個按鍵，其中RESET引腳為最小系統的復位引腳。如圖4.9所示。圖4.9按鍵電路4.2軟件設計KeiluVision5是一款為ARM芯片架構設計的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），用于編譯、調試和燒錄程序。它提供了一個可視化的界面，包含了多種功能模塊，如程序編輯器、編譯器、調試器、仿真器等，可以實現代碼開發(fā)、調試、仿真和下載的全流程。其中，該編輯器可實現代碼高亮、代碼提示等功能，編譯器可以將C語言等高級語言轉換為機器語言，調試器可以對程序進行優(yōu)化和調試，仿真器可以模擬程序運行環(huán)境。此外，KeiluVision5還支持多種外圍設備及嵌入式系統的編程與調試，如串口通訊、中斷處理、PWM控制等，支持多種芯片型號，可滿足不同開發(fā)需求，因此本設計的軟件開發(fā)采用KeiluVision5。4.2.1主程序設計基于STM32的車間智能物料配送小車的主流程。當小車通電后，程序會首先進行系統初始化操作，其中包括對定時器、中斷、端口等重要部件的初始化配置操作，使這些部分能夠正常工作。小車初始化完成后，進行循跡、避障、語音播報、泊車等。如圖4.10所示。圖4.10主流程圖4.2.2避障程序設計智能物料配送小車避障流程。執(zhí)行避障程序，首先進行初始化，然后進行超聲波測距檢測，當檢測到障礙物，智能物料配送小車就停下，當障礙物移走，驅動電機智能物料配送小車繼續(xù)行駛。如圖4.11所示。圖4.11避障流程圖4.2.3循跡程序設計智能物料配送小車循跡流程。執(zhí)行循跡程序，首先進行系統初始化，小車直行循跡時，當小車發(fā)生偏移，傳感器檢測到黑線，紅外接收端輸出不同的電平，通過差速的方式來控制小車轉向。如圖4.12所示。圖4.12循跡流程圖4.2.4語音播報程序設計本設計進行了三次語音播報，分別為第一次遇到障礙物、第二次到達終點、再次回到起點進行語音播報，如圖4.13所示。圖4.13語音播報流程圖第5章系統實現5.1PCB和原理圖的實現畫PCB的流程涉及到很多環(huán)節(jié)，其中PCB布局和走線是具有決定性作用的步驟，需要特別注意以下事項。首先，需要在PCB布局中合理安排元器件的位置，以實現盡可能小的PCB面積。同時，還需要保證元器件之間的信號互不干擾、電氣性能穩(wěn)定。對于高速/高頻電路，布局的固有規(guī)律也需要特別考慮，其次，走線時需要注意引腳分配的連接長度，應該盡量縮短。此外，信號線、電源線和地線應該分別為電路的主要部分。在布線時需要注意阻抗的控制。最后，在制圖輸出之前，需要對PCB布局和走線進行全面的檢查，以確保沒有錯誤和矛盾之處。檢查包括兩個方面，一是檢查所有元器件是否被正確、完整地布局，二是調整走線、優(yōu)化布局，并注意保持軌道的清晰、合理和簡潔，不重疊、不交叉。由于本設計是分模塊做的，只需要在安裝上注意整車的規(guī)范性。如圖5.1與5.2所示。圖5.1PCB布局圖5.2PCBA圖AD設計原理圖的基本步驟包括創(chuàng)建新工程、選擇器件、建立電路原理圖、連線、電源設計、網絡分析等。在選擇器件時，我們需要對所需器件的類型、特性、規(guī)格等信息進行全面的了解。然后，我們需要將器件添加到設計原理圖中，并對其進行合適的排列和布局。緊接著，建立電路原理圖是設計過程中不可或缺的步驟，要遵循正確的設計與畫圖規(guī)范。在圖中，我們還需要對各個器件之間的連接進行正確的設計與規(guī)劃。這個過程涉及到拖動器件、選擇畫線類型、分配引腳等。隨后，我們要進行連線操作。在連線時，需要注意器件之間的連線不產生短路或漏電，同時還要選擇合適的線寬和顏色。在完成連線之后，我們需要進行電源設計。電源設計是為了保障整個電路系統的穩(wěn)定性與可靠性。常見的電源設計包括電容、電感、穩(wěn)壓二極管等元件的選型和連接。最后，進行網絡分析，查看電路的性能指標。通過網絡分析，我們可以清楚地了解電路的頻率響應、功率消耗等方面的特性，從而判斷電路的穩(wěn)定性和適用性。5.2電機驅動實現驅動是本設計最基本也是最重要的環(huán)節(jié)，小車的運動完全依賴于電機驅動，因此在實現電機驅動上，本設計著重了解驅動芯片每個引腳的功能，以及如何與主控相連接，引腳如何分配，到最后的軟件如何調試。TB6612是一款常用的直流電機驅動芯片，其原理為使輸入的電信號實現電機的正轉/反轉、轉速控制等功能。其中TB6612的引腳主要分為兩組：控制輸入和驅動輸出?？刂戚斎氚ˋIN1\AIN2\BIN1\BIN2，而驅動輸出則包括輸出端（AO1\AO2\BO1\BO2）和電源端（VCC\GND），設計代碼如下。voidCar_Go(void)\\小車前進函數{TIM_SetCompare1(TIM3,SPEED_DUTY);TIM_SetCompare2(TIM3,0);TIM_SetCompare3(TIM3,SPEED_DUTY);TIM_SetCompare4(TIM3,0)}voidCar_Back(void){TIM_SetCompare1(TIM3,0);TIM_SetCompare2(TIM3,SPEED_DUTY);TIM_SetCompare3(TIM3,0); TIM_SetCompare4(TIM3,SPEED_D UTY); }voidCar_Stop(void){TIM_SetCompare1(TIM3,0); TIM_SetCompare2(TIM3,0);TIM_SetCompare3(TIM3,0);TIM_SetCompare4(TIM3,0);}voidCar_right_round(void){TIM_SetCompare1(TIM3,SPEED_DUTY);TIM_SetCompare2(TIM3,0);TIM_SetCompare3(TIM3,0);TIM_SetCompare4(TIM3,SPEED_DUTY);}5.3超聲波避障實現因為作為智能物料配送小車，在物料配送途中，為防止小車遇到障礙物，導致物料掉落，所以需要采用避障功能，使得小車可以智能的避開障礙物，順利的將物料送達目的地。本設計采用超聲波，使得小車在行駛過程中避開障礙物。HC-SRO4共有四個引腳，VCC引腳：用于傳感器的電源供應，支持5V到20V的不同電壓范圍。一般采用直流電源供電，傳感器內部通過穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定為5V。Trig引腳：用于觸發(fā)發(fā)射器發(fā)送超聲波信號。當Trig引腳被拉低時，發(fā)射器開始發(fā)射超聲波信號，并計時器開始計時。發(fā)射器的工作時間一般為10微秒。Echo引腳：用于接收超聲波信號。當超聲波信號被接收時，Echo引腳的電平將從低變?yōu)楦?，同時傳感器內部計時器停止計時。利用Trig和Echo之間的時間差進行計算，可以得到被測物體與傳感器之間的距離。傳感器的GND引腳連接至地線，將HC-SRO4的四個引腳與主控相連，設計代碼如下。intSR04_Distance(void){SR04=1; delay_us(13); SR04=0; if(TIM2CH2_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕獲到了一次上升沿 { time=TIM2CH2_CAPTURE_STA&0X3F;time*=65536;//溢出時間總和time+=TIM2CH2_CAPTURE_VAL;//得到總的高電平時間 Distance=time*0.033/2; TIM2CH2_CAPTURE_STA=0;//開啟下一次捕獲 }returnDistance;}voidUltraSoundInit(void) { GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); //使能PA端口時鐘 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9; //PB9端口配置,推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; //推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度為50MHz GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); //推挽輸出，IO口速度為50MHz GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9); TIM2_Cap_Init(0XFFFF,72-1); //以1Mhz的頻率計數} 5.4語音播報和泊車實現本設計中，由于小車到達目的后，及時停下并且有相應的語音提示，確保貨物被及時取下，因為本設計采用JQ8400作為語音播報模塊，使得小車將貨物送到指定的位置停下之后，通過該模塊實現一個語音提示的效果，JQ8400的工作原理基于錄音、存儲和播放三個部分。它包括了一個錄音芯片、一個控制電路、一組音頻放大電路及一個揚聲器。JQ8400需要在外面存儲一個預先錄好的音頻文件，用戶可以將它連接到某個播放設備上，通過控制端輸出高低電平，來觸發(fā)它播放對應的音頻文件。本設計采用了一個紅外傳感器與之結合，當紅外傳感器檢測到前方在一定高度，需要小車停下時，此時JQ8400就會及時的進行一個語音提示，設計代碼如下。voidSendData(u8addr){u8i;sda=1;/*開始拉搞*/delay_us(1000);sda=0;/*開始引導碼*/delay_us(3200);/*此處延時最少要大于2ms，此參數延時為3.2ms*/for(i=0;i<8;i++)/*總共8位數據*/{sda=1;if(addr&0x01)/*3:1表示數據位1,每個位用兩個脈沖表示*/{delay_us(600);sda=0;delay_us(200);}else/*1：3表示數據位0,每個位用兩個脈沖表示*/{delay_us(200);sda=0;delay_us(600);}addr>>=1;}sda=1;}5.5紅外循跡實現本設計是基于車間物料小車的配送，所以在物料配送時，就需要給小車設置一個指定的路線[10]，使得小車可以安裝指定的路線行駛，所以本設計采用了TCRT5000紅外循跡模塊，使用黑線給物料小車模擬一個行駛路線，TCRT5000紅外模塊置于小車的前端，TCRT5000[11]一共有三個引腳分別是VCC引腳用于連接電源正極、GND引腳連接電源負極、OUT引腳作為光敏信號輸出引腳，輸出抗干擾能力強的比較電平，一般為低電平（0V）或高電平（VCC），通過該模塊對地面的黑線的檢測[6]，輸出高低電平，驅使小車按照指定的路線行駛，設計關鍵代碼如下。elseif(SEARCH_L_IO==WHITE_AREA&&SEARCH_R_IO==WHITE_AREA)//兩邊白線，小車前進{Car_Go();SR04_flag=0;}elseif(SEARCH_L_IO==BLACK_AREA&&SEARCH_R_IO==WHITE_AREA)//左邊黑線，說明小車偏右，需要調用左轉函數{Car_left_round(); SR04_flag=0; delay_ms(10);}elseif(SEARCH_R_IO==BLACK_AREA&&SEARCH_L_IO==WHITE_AREA)//右黑線，說明小車偏左，需要調用右轉函數Car_right_round();SR04_flag=0;delay_ms(10); }elseif(SEARCH_R_IO==BLACK_AREA&&SEARCH_L_IO==BLACK_AREA)//兩邊黑線，小車停，語音播報5.6附加模塊OLED的實現本設計采用7針OLED模塊，可顯示小車名、車間和工序以及超聲波測距信息。該模塊采用SPI方式進行通信，首先初始化OLED模塊，進行寫函數的編寫，以及字模的生成與添加，最后通過voidOLED_ShowChinese(u8x,u8y,u8num,u8size1)函數，將內容顯示在OLED屏上，設計關鍵代碼如下。voidOLED_WR_Byte(u8dat,u8cmd){ u8i; if(cmd)OLED_DC_Set();elseOLED_DC_Clr();OLED_CS_Clr();for(i=0;i<8;i++){OLED_SCLK_Clr();if(dat&0x80)OLED_SDIN_Set();elseOLED_SDIN_Clr();OLED_SCLK_Set();dat<<=1;} OLED_CS_Set();OLED_DC_Set(); }a=SR04_Distance();OLED_ShowNum(72,18,a,2,16);OLED_ShowChinese(0,0,0,16);OLED_ShowChinese(18,0,1,16);OLED_ShowChinese(36,0,2,16);OLED_ShowChinese(54,0,3,16);OLED_ShowChinese(72,0,4,16);OLED_ShowChinese(90,0,5,16);OLED_ShowChinese(0,18,6,16);OLED_ShowChinese(18,18,7,16);OLED_ShowChinese(36,18,8,16);OLED_ShowChinese(54,18,9,16);第6章系統測試系統測試環(huán)節(jié)是指對整個系統進行功能和性能測試，同時也是整個開發(fā)流程中最主要的一個環(huán)節(jié)。本設計為基于STM32的車間智能物料配送小車，如圖6.1所示，通過各個模塊的系統測試，使得小車可以穩(wěn)定的行駛，利用這些測試手段，同時可以確保智能物料配送小車的系統質量和穩(wěn)定性。整機如圖6.1所示。圖6.1小車整體結果展示6.1測試方案本設計的測試方案主要圍繞驅動測試、電源測試、循跡測試、避障測試[7]、語音播報測試等。結合軟硬件的開發(fā)流程，首先對硬件進行線路連接測試，然后將軟件和硬件結合調試，逐一的對每一個模塊進行測試。6.1.1驅動測試本設計的車體主要采用智能小車底盤和四個直流減速電機和四個輪胎組成，自主拼裝構成。驅動測試主要檢測上電以后，電機是否能驅動滾輪，完成前進、后退、左轉、右轉、停止，如圖6.2所示，小車可按照路線前進、左轉、停止等，符合預期效果。圖6.2驅動測試6.1.2電源測試本設計采用兩節(jié)3.7V的鋰電池為系統供電[8]，經過降壓芯片AMS1117轉換為5V和3.3V為每個功能模塊供電，上電和斷電觀察，最小系統的指示燈和電源指示燈是否正常亮滅，從而判斷供電模塊是否正常，如圖6.3所示，指示燈正常亮滅，電源模塊測試符合預期效果。圖6.3電源測試6.1.3循跡測試TCRT5000紅外循跡傳感器主要檢測小車能否按照預先設定的黑色路線行駛[9]，當右邊的TCRT5000傳感器遇到黑線時，由于黑線不會反射紅線，此時傳感器輸出高電平，發(fā)光二極管處于熄滅狀態(tài)，反之，左邊的傳感器接收管接收到紅外線飽和，輸出低電平，發(fā)光二極管亮，如圖6.4所示，循跡符合預期效果。圖6.4循跡6.1.4語音播報測試在本設計中