基于STM32的智能物料运输小车的设计与实现.pdf

基于 STM32 的智能物料运输小车的设计与实现李芸，李慧慧，申晓月，彭佳卉（太原工业学院，山西太原030008）摘要：本设计以 STM32F103C8T6 芯片为控制核心，硬件模块分为主控模块、电机驱动模块、机械模块、遥控模块和蓝牙模块，软件模块分为智能车控制程序和遥控端程序。用户通过遥控器蓝牙 HC-06 串口通信端发送信号，接收端的蓝牙模块上处理接收到的信号，控制智能车电机和 4 个舵机的速度及方向，进而通过智能车上的机械臂、机械爪实现对物料的抓取、运输。关键词：智能车；机械臂；抓取；运输中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2095-0748（2023）08-0106-030引言随着智能化技术的不断发展，自动化技术愈发成熟，广泛应用到工业或者生产领域，如工厂、地下矿井、自动化仓库的物料抓取、物品搬运等，智能物料运输车有很大的优越性，减少了人力资源的浪费，提高了工作效率。本文设计的智能物料运输小车，采用STM 32 单片机作为主控器，L298N 作为直流异步电机驱动，用机械臂实现物料抓取，通过蓝牙通信，智能遥控实现物料运输车前进、后退、左转、右转、上台操作。1总体设计本设计采用 STM32F103C8T6 芯片作为微控制器，将机械臂安装在智能车上，控制机械臂的开合来抓取物料，机械手可以完成全方面抓取作业。通信系统采用蓝牙模块，智能车行进采用 L298N 电机驱动模块，通过遥控模块进行控制，可以前进、后退、左转、右转、上台。2智能物料运输小车硬件电路设计智能物料运输小车硬件部分主要包括微控制器模块、电机驱动模块、机械模块、遥控模块、蓝牙通信模块等。本设计采用 STM32F103C8T6 芯片作为系统主控模块，一款基于 ARM Cortex-M 内核 STM32 系列的32 位的微控制器，具有体积小、功耗低、成本低、性能高的特点1。程序存储器容量是 64 kB，拥有 32 个通用 I/O 口，工作电压 23.6 V2。它的主频为 72 M，可快速完成对蓝牙模块接收数据的处理。遥控器发出相应指令，通过蓝牙通信模块传输到主控芯片，然后主控芯片对接收指令进行处理，并通过 I/O 控制端口发出指令，使其执行相应操作。主控模块引脚连接原理如图 1 所示。在 L298N 步进电机驱动模块中，L298N 来控制电机的正反转，利用 L298N 实现电机驱动及其正反转。单片机 PA15、PB3、PB4、PB5、PA2、PA3、PA4、PA5 接口分别与 L298N 的输入引脚连接，四个直流电机与驱动芯片的 8 个 OUT 输出口相连，从而驱动直流电机转动。本设计中智能物料运输小车的机械臂是基于STM32 控制的一个 SG90 舵机和两个 MG995 舵机，其中 SG90 舵机控制机械爪的张开与闭合，另外两个MG995 舵机控制机械臂的运行。机械模块依靠舵机通过增加扭矩来使得机械臂杆进行翻转，带动整体机械臂协调运动，以实现机械臂杆在空间内进行配合或单独运作，进而操纵机械爪对物块进行精确抓取，机械臂如图 2 所示。SG90 舵机的工作扭矩为：1.6 kg/cm，使用电压为5 V，采用 LM2596S DC-DC 直流可调降压稳压模块，电压输入为直流 340 V，输出为直流 1.535 V，电压收稿日期：2023-01-18作者简介：李芸（1987），女，山西长治人，硕士研究生，助教，研究方向为嵌入式系统、智能配电等；李慧慧（2001），男，山西大同人，本科在读，研究方向为单片机应用；申晓月（1987），女，河南安阳人，硕士研究生，助教，研究方向为物联网；彭佳卉（1986），女，山西朔州人，硕士研究生，助教，研究方向为微弱信号检测与处理。总第 230 期2023 年第 8 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and InformationizationTotal 230No.8，2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.08.035图 1主控模块引脚连接原理C7GNDGNDC8C9C1022pF15pF15pF22pFX15 M1 MR11GNDR130R3V332.765 kY13V3R90RU3VRATPC13PC14PC15NRSTVDDAPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB10PB11GNDGNDR1410 k3V3123456789101112131415161718192021222324VRATPC13-ANT1_TAMPPC14-OSC32_INPC15-OSC32_OUTXTAL-INXTAL-OUTNRSTVSSAVDDAPA0-WKUPPA1PA2/USART2_TXPA3/USART2_RXPA4/SP11_NSSPA5/SP11_SCKPA6/SP11_MISOPA7/SP11_MOSIPB0/ADC_IN8PB1/ADC_IN9PB2/BOOT1PB10/12C2_SCL/USART3_TXPB11/12C2_SDA/USART3_RXVSS_1VDD_1VDD_3VSS_3PB9/TIM4_CH4PB8/TIM4_CH3BOOT0P87/12C1_SDA/TIM4_CH2PB6/12CI_SCL/TIM4_CH1PB5/12C1_SMBAIPB4/JIRSTPB3/JTDOPA15/JIDIPA14/JICK-SWCLKVDD_2VSS_2PA13/JIMS-SWDATPA12/USBDPPA11/USBDMPA10/USART1_RXPA9/USART1_TXPA8/USART1_CLKPB15/SP12_MOS1PBI4/SP12_MISOPBI3/SP12_SCKPB12/SP12_NSS484746454440424140393837363534333231302928272625PB9PB8BOOT0PB7PB6PB5TRST/PB4TDO/PB3TDI/AP15TCLKGNDTMSPA12PA11PA10PA9PA8PB15PB14PB13PB123V3USB_DPUSB_DMUART1_RXUART1_TXSTM32F103C8T63V3GNDGNDR1010 k技术创新2023 年第 8 期图 2机械臂连续可调，高效率最大输出电流为 3 A，足够供给整个机械结构稳定正常运行3。本设计遥控模块采用智能游戏手柄样式进行机械设计与装配，外形简单美观，易于操作者手持控制，其主体包括：按键、LM2596S DC-DC 直流可调降压稳压模块、电源部分采用 18650 三节锂电池串联组成的12 V 电源以及船型开关。由 LM2596S DC-DC 直流可调降压稳压模块将电压调至 5 V 给按键供电，以实现按键在 STM32 控制下经蓝牙控制模块输出信号来控制智能车的动作。本设计采用 HC-06 蓝牙模块进行通信，HC-06是主从一体化的蓝牙串口模块，主从可指令切换，指令少，功能稳定，且使用简单，建立连接后方可接收数据信号4。3智能物料运输小车软件设计在定义好 I/O 口后，通过串口通信来发送相应指令到小车蓝牙接收端，控制小车的机械臂、机械爪、控制爪、上台结构、前进、后退、左转、右转，机械臂串口通信按键控制部分程序如下所示：if(key4=0)/机械臂delay_ms(10);if(key4=0)USART_SendData(USART1,e);while(key4=0);USART_SendData(USART1,E);if(key5=0)/机械臂delay_ms(10);if(key5=0)USART_SendData(USART1,f);while(key5=0);USART_SendData(USART1,F);在接收到发送端传输的指令后，进行判断，如果与发送指令相符，接收端将执行相应动作。部分接收端程序如下：if(Res=j)/motorcar_go_forward();elseif(Res=k)car_go_backward();else if(Res=l)car_go_left();通过定义 I/O 口使小车的两个驱动有特定的时钟 TIM4 控制功能，再定义电机的 I/O 口，使其能在高低电平转换下实现前进、后退、左转、右转，通过调节PWM 占空比来调节小车的行进速度（占空比越大越快，但不能超过设定值）。例如要让小车右转需要让左侧电机正转，右侧电机反转实现。电机驱动模块驱动小车前进部分控制程序如下：void car_go_forward()IN1=1;IN2=0;/左前TIM_SetCompare1(TIM4,700);IN3=1;IN4=0;/左后TIM_SetCompare2(TIM4,700);IN5=1;IN6=0;/右前TIM_SetCompare3(TIM4,700);IN7=1;IN8=0;/右后TIM_SetCompare4(TIM4,700);在对小车上的四个舵机进行相应的 I/O 口定义后，时钟 TIM3 为其使能口，通过 PWM 占空比的输出信号来确定舵机的旋转角度，开机时给定舵机一个初始位置，并对接收到的信号进行判断，当相应按键按下，例如在控制机械臂的按键按下判断是否为“e”，若为 e 则占空比增加，若为 f 则占空比减小，进而实现机械臂的转动，因此 4 个舵机可单独运行。部分程序李芸，等：基于 STM32 的智能物料运输小车的设计与实现107窑窑现代工业经济和信息化第 13 卷如下：if(Res=e)/机械臂jxb1=jxb1+40;if(jxb11945)jxb1=1945;TIM_SetCompare3(TIM3,jxb1);delay_ms(90);if(Res=f)/机械臂jxb1=jxb1-30;if(jxb11760)jxb1=1760;TIM_SetCompare3(TIM3,jxb1);delay_ms(90);4测试结果在硬件控制方面，游戏手柄样式的遥控器在结构上具备了灵巧舒适易于操作的特点，其内部装设的12 个按键的电路系统相互独立，遥控器如图 3 所示，保证了实际操作时每个按键的作用，LM2596S 稳压保障了整个电路系统稳定输出 5V 直流电压，从而确保了操作的流畅度5。在软件设计上，遥控器发送端将按键连接的单片机引脚口进行特殊设置，在按键未按下时设置为高电平，当按键按下时为低电平，以此保证信号发送的稳定性。部分程序如下：GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_4);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_10);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_11);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_15);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_8);接收端为智能物料运输小车，在经过严格考量后确定了电路板以及机械臂等组件的位置，保证接收和执行的精确性。经测试其搬运物料的效率稳定，智能物料运输小车如图 4 所示。5结论本设计完成了一种基于 STM32F103C8T6 芯片的智能物料抓取、运输小车，采用蓝牙和串口通信方式，利用蓝牙操控机械臂、机械爪和控制爪，使用 L298N驱动芯片作为动力系统。该智能小车克服了机械臂的不可动的弊端，实用性强，实现了物料抓取、运输等功能6。通过实验测试证明，该智能小车运行平稳、机械臂工作精度高，具有现实意义。参考文献1都畋文，赫健，任广大.基于 STM32 的抓取机器人的模块化设计J.信息与电脑，2018（7）：62-64.2马岩，王伟军，张辉，等.基于飞思卡尔智能车控制系统的设计J.汽车工业研究，2021（1）：38-41.3刘静云，张敬.自动搬运智能小车智能控制系统研究J.中国新技术新产品，2011（10）：18.4向楠，邹华东.基于 STC89C52RC 单片机智能搬运电动小车设计J.湖南工程学院学报，2014（3）：19-21.5周文军，吴有名.基于 AGV 和工业机器人的智能搬运小车的研究J.装备制造技术，2016（11）：96-98.6刘丽，肖霄.智能光电搬运小车的设计J.通讯世界，2016（18）：278-279.（编辑：王钢）图 3遥控器图 4智能物料运输小车（下转第 111 页）108窑窑2023 年第 8 期竞争力，走向更加智能化、高效化的未来。参考文献1曹永琴.基于工业互联网融合模式的制造业深度融合研究J.上海经济，2022（2）：12-26.2周驰.大数据在工业制造业的应用与研究J.数字通信世界，2019（8）：224.3张燕聪.工业制造业中大数据的应用J.通讯世界，2018（3）：338-339.（编辑：王钢）Application of Big Data in Industrial ManufacturingJiang Bin（Digital Transformation Promotion Centre of Shanxi Province,Taiyuan Shanxi 030001,China）Abstract:In the process of industrial manufacturing,the effective integration of the application of big data technology can promote thetransformation and development of industrial manufacturing to intelligent,improve Chinas industrial production level.The application of bigdata in the industrial manufacturing industry and its related analyses and discussions,in order to be able to give full play to the importantvalue of big data in industrial production,laying an important foundation for the further development of industrial manufacturing to provideeffective protection.Key words:big data;industrial manufacturing;application（上接第 88 页）Design and Implementation of Intelligent Material Transport Car based on STM32Li Yun,Li Huihui,Shen Xiaoyue,Peng Jiahui（Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi 030008,China）Abstract:This design takes STM32F103C8T6 chip as the control core.The hardware module is divided into main control module,motordriver module,mechanical module,remote control module and Bluetooth module.The software module is divided into intelligent car controlprogram and remote control program.The user sends signals through the remote control Bluetooth HC-06 communication terminal,and theBluetooth module on the receiving end processes the received signals to control the speed and direction of the motor and four steering gearof the intelligent car,and then realizes the grabbing and transportation of materials through the mechanical arm and mechanical claw of theintelligent car.Key words:intelligent car;mechanical arm;grab;transport（上接第 108 页）7结论本文设计了一款 32 位高性能 ARM Cortex-M3处理器为核心的水下智能搜救装置，该装置以水下搜救为主，机械臂打捞配合，包括了影像设备、避碰声纳设备、多传感器技术、电机伺服系统以及完好的水下射频通讯技术，该装置可以在不同深浅、不同浑浊程度的河流水域开展快速有效的搜救工作，有效减少溺水事故的发生。并且该装置会向着体积更小、兼容性更强、智能化程度更高的方向发展。参考文献1赟高菲，孙清闻，葛长，等.水下探测搜救机器人设计与实现J.单片机与嵌入式系统应用，2020（4）：75-78.2蒋新松，封锡盛，王棣棠.水下机器人M.沈阳：辽宁科学技术出版社，2000.3马杰，余逸飞，朱小东，等.面向水下目标搜寻与探摸的多装备协同作业系统J.中国航海，2023，46（1）：136-142.4肖长诗，高欣国，文元桥，等.水上搜救机器人航迹跟踪控制器设计J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2020，44（3）：429-434.5秦亚男.搜救型水下机器人平稳航行及定点作业控制研究D.杭州：浙江大学，2018.6DucHN.智能搜救机器人技术研究D.南京：南京理工大学，2018.（编辑：郭萍茹）Design of Intelligent Underwater Search and Rescue Robot Based on ARMZhao Ying,Wang Yujie,Meng Xiang,Xue Yutong（Electrical&Information Engineering College,Beihua University,Jilin Jinlin 132021,China）Abstract:An intelligent underwater search and rescue robot is designed in this paper to solve the problem that traditional search andrescue devices can not effectively search and rescue drowning accidents.The underwater robot uses 32-bit high-performance ARMCortex-M3 processor STM32F103ZET6 as the main control chip,combines imaging equipment,underwater radio frequency communicationtechnology,collision avoidance sonar system and robot arm to carry out underwater rescue and salvage work,which is mainly used in riversearch and rescue operations.It can replace the artificial search and rescue in the river waters for a long time.The robot has longendurance,low safety cost and broad development and application prospects.Key words:ARM;intelligent;mechanical arm;search for and rescue赵莹，等：基于 ARM 的智能水下搜救机器人的设计111窑窑