基于STM32的物流搬运小车控制系统设计.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言现阶段物流行业的工作过程中，主要有两种工作方式：一种是传统人力完成货物搬运；另一种货物搬运方式是 AGV 自动搬运小车，这是一种有电磁或光学等自动导引装置，利用电磁轨道，通过计算机控制最终能够按照规定的路径行驶的小型智能运输车14。传统运送方式是人力运输，由于人员和设备的参与，工作场地的混乱，货物出现损毁的可能性较大，既耗费了人力，同时效率也不高。因此，传统方式无法跟上现代化物流的需求。AGV自动搬运小车虽然可以实现无人作业，节约了人工成本，但是此种设备成本较高，因此推广范围并不大。要想高效地完成大量货物的分拣运输工作，智能小车是个不错的选择57。现在物流搬运小车相关的技术发展潜力大，其次物流搬运小车也符合了机器代替传统人力劳动89。刘锏泽等对物流小车进行了设计，包含驱动模块、传感器模块、识别模块等10。吴波涛、于波、邓春兰、朱林海等均对智能小车系统进行了设计1114。这些研究者的小车具有一定使用效果，但在功耗、操作性DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.030引用格式：田杰，胡秋霞，杨毕康.基于STM32的物流搬运小车控制系统设计J.现代电子技术，2023，46（18）：172176.基于STM32的物流搬运小车控制系统设计田 杰，胡秋霞，杨毕康（西安航空学院 计算机学院，陕西 西安 710077）摘 要：针对现有的物流搬运小车设计复杂、耗能量大等问题，文中提出一种基于 STM32的物流搬运小车控制系统。该系统采用STM32单片机作为主要控制模块，主要由红外传感器模块、红外光电循迹模块、蓝牙遥控通信模块、舵机驱动机械臂模块及电机驱动模块等组成，可以实现循迹、蓝牙遥控、搬运、避障等功能。使用TCRT5000实现红外光电循迹传感器模块，LM298芯片驱动小车行驶，HC05和舵机分别实现无线通信蓝牙模块和搬运模块。测试结果表明，智能搬运小车系统设计简单、耗能低、操作方便，在物流搬运行业有良好的应用前景。关键词：物流搬运小车；STM32单片机；蓝牙遥控；自动避障；舵机搬运；红外光电循迹传感器中图分类号：TN21534；TP273 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18017205Design of logistics handling trolley control system based on STM32TIAN Jie,HU Qiuxia,YANG Bikang(School of Computer Science,Xi an University of Aeronautics and Astronautics,Xi an 710077,China)Abstract：In allusion to the problems of complex design and high energy consumption of logistics transport trolley,a logistics transport trolley control system based on STM32 is designed.In this system,STM32 single chip microcomputer is used as the main control module,which is mainly composed of infrared sensor module,infrared photoelectric tracking module,Bluetooth remote control communication module,steering gear driven mechanical arm module and motor drive module.It can achieve tracking,Bluetooth remote control,transportation,obstacle avoidance and other functions.The TCRT5000 is used to realize the infrared photoelectric tracking sensor module,LM298 is used to driven the trolley,and HC05 and the steering gear are used to implement wireless communication Bluetooth module and handling module respectively.The testing results show that the intelligent trolley system with simple design,low energy consumption and convenient operation has a good application prospect in the logistics transportation industry.Keywords：logistics handling trolley;STM32 single chip microcomputer;Bluetooth remote control;ultrasonic obstacle avoidance;steering gear handling;infrared photoelectric tracking sensor收稿日期：20230203 修回日期：20230315基金项目：陕西省自然科学基金面上项目（2023JCYB194）；西安航空学院教改重点项目（21JXGG1011）；西安航空学院示范课建设项目（22KCSZ31）172172第18期方面还需要进一步提高。本文提出一种物流搬运小车控制系统，能够完成循迹、搬运、避障、蓝牙遥控等功能，且具有设计简单、耗能低、操作方便等优点，拥有一定的推广价值。1 系统总体设计设计物流搬运小车的目的是实现准确避障、快速判断循迹、搬运物品等功能。本设计方案以核心处理器为中心，搭建红外循迹、电机驱动、舵机搬运和蓝牙遥控等功能模块，整个系统的功能框架如图1所示。图1 系统设计的整体框架本系统在总体框架上分为自动循迹和无线控制模块两部分。在自动循迹状态时，由循迹传感器和避障传感器完成该状态下小车的行进控制。转换为无线控制状态时，由蓝牙连接手机 APP，在 APP上完成对小车行进方向的控制以及机械臂对物品抓取。2 物流搬运小车控制系统设计2.1 单片机主控电路本 设 计 选 用 STM32F103C8T6 型 号 的 单 片 机。STM32 单片机的片内集成了一个 FLASH 存储，可支持重复擦写，将编译好的程序烧录进去，随后单片机利用寻址、中断、定时器等控制指令实现程序的运行和对后端的控制。单片机的最小系统包含一个能保持稳定供电的电源模块，一个能使开机起振、运行按照固定指令周期的 RTC 晶振电路，以及一个可支持外部按键进行复位初始化控制的复位电路。这三部分共同协助完成单片机系统的开启和稳定运行15。STM32 单片机的供电电压可支持3.35 V，其功耗极低，32位的数据处理模式下运行响应快速。图 2为单片机的最小系统电路原理图。图2 STM32 单片机最小系统电路原理图田 杰，等：基于STM32的物流搬运小车控制系统设计173现代电子技术2023年第46卷2.2 硬件设计2.2.1 红外光电循迹传感器模块电路设计使用 TCRT5000 型号的红外传感器完成自找循迹功能，原理类似红外避障。同样是发送出一个红外光波信号，遇上地板后会返回一个红外信号，由于不同颜色的地板对光的反射角度不同，而黑色则不会对红外光波信号进行反射，因此只要没有接收到红外返回的光波信号则指代当前的地板为黑色，若有返回信号则说明不是预设的黑色路径。红外光电继续向持续高电平信号的红外对管传感器的位置转动，当左右两侧的返回信号一致后，说明当前小车在预设好的跑道上准确行进；遇上下一个转弯时，同样根据红外光电返回值进行判断，最终实现循着既定轨道行驶的功能。红外光电循迹传感器模块电路图如图3所示。图3 红外光电循迹传感器模块电路图图 3中主要管脚 VCC 是电源线；GND 是地线；OUT是开关信号输出。2.2.2 红外避障传感器模块的电路设计系统利用固定在小车头部位置的红外传感器对是否有障碍物进行监测，该模块的主要原理是利用红外线进行收发，根据收发结果得到的电平差异推断出当前是否有障碍物。红外的敏感性极强，可监测到80 cm范围内的障碍物感应。红外的管脚数为 3 个，除了 VCC 电源脚和 GND 地脚外，同样就只需红外信号收发结果的电平信号输出与单片机直连，便可实现红外避障数据的采集。整个连接简单，操作方便，设计时将 1脚 VCC拉到电源供电信号上，3脚 GND 与主板的大地信号互联，电平输出管脚通过连接单片机定义为红外避障传感器的管脚上，即可实现红外传感器模块的设计和电路连接。本文系统的红外避障传感器原理图如图4所示。图4 红外避障模块电路图2.2.3 电机驱动模块电路设计采用 LM298驱动芯片来实现小车行驶驱动。由于单片机的输出电压有限，无法同时带载和控制两个轮胎转动，而LM298 驱动芯片内部集成了放大电路，在有效电源输入条件下能够减轻单片机的负担，快速实现电机的转动。电机驱动模块电路如图 5 所示。STM32 单片机通过左右轮控制信号的 PWM占空比，输出 OUT到电机端进行供电，从而实现对电机转速的调整。图5 电机驱动模块的电路图图 5 中：1（SEN1）为电流反馈脚，不用时接地；2（OUT1）为输出端；3（OUT2）为输出端；4（VSS）为逻辑电源；5（INT1）为输入端；6（ENA）为使能端，低电平禁止输出；7（INT2）为输入端；8（GND）为接地；9（VCC）为电源线；10（INT3）为输入端；11（ENB）为使能端，低电平禁 止 输 入；12（INT4）为 输 入 端；13（OUT3）为 输 出端；14（OUT4）为输出端；15（SEN2）为电流反馈脚，不用时接地。2.2.4 舵机搬运模块的设计舵机是一个自带集成芯片和外部转轴扇叶的完整功能模块，利用内部的 PWM 驱动模块可实现对转轴的转向控制，也能实现正转和复位两个基本操作动作。舵机是一个4pin的器件，在与单片机设计中的连接也很简单。舵机模块电路图如图6所示。将1脚VCC（电源线）拉到电源供电信号上，4 脚 GND（接地）与主板的大地信号互联，信号输出管脚通过连接单片机定义为舵机驱动的管脚上，即可实现舵机模块的设计和电路连接，单片机输出开启电平，舵机驱动实现正转。保持开启电平则舵机保持正转状态，要变更舵机复位同样需要单片机的电平变化后方可变更。2.2.5 无线通信蓝牙模块的设计HC05蓝牙模块是从机模块，所以可以作为从机，可使用手机、计算机等连接它传输数据。单片机通过串174第18期口连接该模块，接收该蓝牙模块数据进行分析，并完成响应。蓝牙通信模块电路如图 7所示。HC05 蓝牙模块有 6个引脚，最简单的使用方式便是只使用 VCC（接电源正极）、GND（地线）、TXD（模块串口发送引脚，可直接连接单片机RXD引脚）、RXD（模块串口接收引脚，可直接接单片机 TXD 引脚）4个脚。这种连法节约引脚，同时因为本设计中使用不到蓝牙其他复杂的功能。需要注意的是，蓝牙模块的数据传输引脚与单片机的RXD、TXD 交叉相连，只有这样才可以正确传输数据。该设计中接收数据的是单片机，发送数据的设备为Android手机，两者通过蓝牙连接成功后，便可发送信号控制单片机，单片机通过串口连接蓝牙模块，接收蓝牙数据并解析信号，完成手机对单片机系统的控制。图6 舵机模块电路图图7 无线通信模块电路图2.3 软件设计由于系统功能较多，本文以主要功能避障控制程序设计、光电循迹程序设计、电机驱动程序设计为例进行阐述。2.3.1 避障控制程序设计首先判断红外避障传感器是否在位，监测在位之后就会驱动一个信号使得红外传感器发送一个超声波信号，随后等待前方障碍物反弹回的红外信号，经过信号的一发一收实现对障碍间距数据的采集，初始数据代入公式计算后可得到详细的间距数值。主控制器解析该数据完成对间距的识别分析，如果当前与障碍间的间距低于最低间距的阈值，前置的红外避障传感器检测到距离过近时，小车停下，完成避障功能；当与障碍间的间距高于最低间距，则小车继续直行，红外避障传感器继续采集数据，单片机进行解析完成下一轮避障。2.3.2 光电循迹程序设计通过左右两方光电检测来实现循迹行驶。首先要配置所要循迹参考的电压信号，子程序被调用后单片机始终接收来自左右两方的光电传感器的检测值，当单片机接收到的光电检测值符合配置的循迹参考值时，则驱动电机直行，小车继续沿着黑线行进。若左或右侧识别到的电压信号与参考值不符合，则模块左或右侧的检测灯发光，驱动电机转动方向为往电压信号相反方向，小车左转或者右转实现循迹的结果。2.3.3 电机驱动程序设计物流搬运小车使用 LM298芯片驱动电机来驱动小车轮子，采用双电机接法，分别为电机 A 和电机 B。首先对模块初始化，将时钟和 I/O初始化；然后打开中断，对端口进行控制，如果不被发出的信号干扰，则它可以对器件进行控制，让其中的某些电路可以在电压低的情况下使用，使得单片机控制电机转向和转速。由两个端口来控制电机的运行状态，引脚A、B可用于输入PWM脉宽调制信号，通过调节PWM占空比对电机进行调速控制，IN1与IN2的逻辑值相同时，电机的状态为制动。输入信号端 IN1接高电平，输入端 IN2接低电平，电机A正转；相反情况则电机A反转。3 测 试本文目标是设计一个可以完成循迹、支持手机遥控的智能小车，在遇到障碍时可自动停止，能够在移动端控制小车的动作，用机械手实现简单搬运的操作效果。本设计选用 Keil5 MDK 作为集成开发平台，集编写、编译、下载于一体，安装好软件平台后，就可以按照功能需求编写模块驱动和功能函数，将各个功能通过main 函数汇总调用，实现所需的功能，编译程序，修改语法和功能错误后，通过下载调试器STLINK将程序下载到单片机 FLASH 内，运行调试测试。下面分三步描述功能测试过程：1）系统上电，默认小车处于红外避障模式，判断小车是否可以完成自动避障。测试过程中，在小车的周围放置障碍物，并且在明亮和黑暗的场景内做了对比测试。结果表明小车无论处于哪种场景都可以完成避障。2）切换为蓝牙遥控模式。连接手机蓝牙 APP 后，按下控制指令，观察小车可否执行无线蓝牙遥控指令。测试过程中，小车可以准确执行移动端的遥控指令，能按照指令行动。图8为手机APP界面设计图，主要包括前进、停止、左转、右转、后退等操作。表 1 是基本功能测试表，包括测试名称、测试步骤、预期结果、实际结果等。3）切换为光电循迹模式。布置好黑色PVC线贴在地板上。测试过程中，小车可以准确按照黑线路径行驶。田 杰，等：基于STM32的物流搬运小车控制系统设计175现代电子技术2023年第46卷图8 手机APP界面表1 基本功能测试表测试名称手机APP连接小车控制小车行进停止小车行进测试步骤开启蓝牙连接小车点击APP控制按钮点击APP停止按钮预期结果能够正常连通小车小车能够按照正确方向行进小车从行进状态转变为停止状态实际结果手机正常连接小车小车按照正确方向行进小车停止行进表2为循迹测试表，包括测试名称、测试步骤、预期结果、实际结果等。表2 循迹测试表测试名称物流小车开启物流小车进行循迹物流小车避障物流小车停止测试步骤接通小车电源手机APP切换为自动循迹小车行进路线前方防止障碍断开小车电源预期结果小车能够正常进行工作小车从遥控状态变为能够在黑线自动循迹状态小车能够在障碍前停止小车能够停止循迹工作实际结果小车正常进行工作小车正常跟随黑线循迹小车正常停止小车正常停止工作将各项功能一一测试后，均能通过，基本达到了预定的功能实现效果，测试所得的数据准确，各项功能都与设计要求符合。4 结 论将小车上的蓝牙模块接收头作为手机移动端 APP遥控指令的接收方，红外避障模块和光电循迹模块采集数据，完成对物流搬运小车整体的驱动控制，以及完成各种动作的实现。经实验验证，沿着黑色路径设立各种障碍，小车均能运行自动避障程序，处于循迹状态下向准确目的地前行。在循迹的中途遇到各种障碍时，能灵活避开，绕道而行。到达物品前，使用机械臂完成对物品的夹取并在小车达到目标地点后放下，最终实现智能循迹、搬运、避障、移动端蓝牙遥控等功能。本系统设计基本实现了物流搬运的功能，且具有设计简单、耗能低、操作方便等优点，拥有一定的应用价值。后面需进一步研究提升系统稳定性，降低用舵机控制机械臂时的角度和抖动范围较大的问题，以便提升抓取低角度物品的准确性。参考文献1 李青蔚，朱宇，赵晟楠，等.基于 MSP430F5529 单片机的坡面行驶小车设计J.微型电脑应用，2022，38（12）：5659.2 倪佳，任宏伟，张岗，等.纯电动物流车高效运行发展综述J.机电一体化，2021，27（4）：311.3 佚名.上汽通用五菱工厂的无人化物流运输J.物流技术与应用，2021，26（5）：9092.4 杨阳，刘庆华.基于STM32的智能小车设计J.无线互联科技，2022，19（21）：2024.5 郑才国，江剑.基于 STM32单片机智能小车设计J.工业控制计算机，2021，34（9）：143144.6 戴镖，康钦清.基于单片机的智能抓取小车系统设计与实现J.无线互联科技，2020，17（17）：9495.7 高鹏超.基于DSP的无人物流车运输控制系统设计J.中国储运，2021（7）：142144.8 陆国，白忠臣，秦水介，等.基于Arduino和Android平台的智能小车语音交互系统设计J.智能计算机与应用，2022，12（11）：156160.9 刘丽萍，陈金平，茹锋，等.基于制动意图识别的电动物流车换挡策略研究J.微电机，2021，54（1）：3138.10 刘锏泽，刘净瑜，盛君，等.基于 RFID 和视觉的 AGV 控制系统设计J.计算机技术与发展，2019，29（4）：187190.11 吴波涛，王湘.基于Arduino和单片机的智能小车的设计与实现J.电子设计工程，2017，25（15）：5861.12 于波，张强，李建成，等.基于单片机的智能小车系统J.化工自动化及仪表，2022，49（3）：345350.13 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