基于单片机的气垫磁悬浮车系统设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 17 日 作者简介：张玲梅（1993），女，甘肃定西人，硕士研究生学历，兰州资源环境职业技术大学，助教，控制工程。-93-基于单片机的气垫磁悬浮车系统设计 张玲梅 祁贤业 贾远温 颉春旺 刘禹廷 兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730030 摘要：摘要：本文基于 STM32 单片机，设计了一种气垫悬浮车，该系统包括主控模块、高速轴流风机驱动模块、循迹模块、语音播报等模块，能够实现悬浮，循迹，语音播报、显示信息等功能。其中超声波模块用来实现检测障碍物，并将结果反馈给主控处理；利用红外线实现避障；利用高速轴流风机使气垫实现悬浮，而尾部的风扇提供前的动力，同时用风扇的转速控制小车的前进方向。此外，本文设计的系统更加节能和减少了对环境的污染。实验结果表明设计的有效性。关键词：关键词：STM32F103C8T6；OLED；循迹；气垫悬浮 中图分类号：中图分类号：TU755.7 0 引言 随着社会不断进步，社会经济水平逐渐提高，大型工厂也越来越多，而工厂中搬运货物的频次也逐渐增加，传统的重物的搬运都是靠人力搬运，费事又耗费人力。小车搬运逐渐增多，但是小车搬运时会与地面产生摩擦，从而导致搬运时比较费力。气垫运输已广泛的应用于各个领域1-2，例如用于轨道舱等大型设备的运行、载人飞船整船、推进舱、仪器工装等的移动，其载荷可达 22 吨，从而降低运输过程中的人力成本及机械成本。气垫运输技术采用气垫盘，通过压缩空气充气形成气膜，显著减少运输车辆与地面的摩擦力，使车辆几乎零阻力地移动。相较于传统运输方式，气垫技术不仅能降低摩擦力，还能以小力推动重物，提高能源利用效率。特别在处理重型货物时，传统方式需大量能量，而气垫技术即使在小推力下也能轻松推动数十吨货物。这不仅减少能源消耗，还提高了在工业和建筑领域快速移动大型设备或货物的效率。同时，气垫运输车起升、运动灵活，性能安全可靠，并且利用电力驱动的鼓风机提供动力，不会对环境产生危害，符合未来清洁能源的要求。单片机微控制器将完整的计算机系统整合于单一芯片中，是一种综合的集成电路。相对于传统计算机，它体积小、重量轻、成本低，无需额外 I/O 设备，简化了整个计算机系统。内部包括 CPU、ROM、RAM 等组成，具备强大的数据采集和控制系统，可执行多种复杂运算任务，包括符号控制和指令下达。单片机在智能电子设备中发挥关键作用，具备强大的数据处理和计算能力，为学习和应用开发提供了便利。单片机系统因其简洁易用的结构备受推崇，支持模块化设计，用户可根据需要轻松组合或更换功能模块，提高了灵活性和可扩展性。在可靠性方面，单片机系统表现卓越，能够连续工作数百万小时无故障，尤其适用于长时间稳定运行的工业和商业应用。其强大的处理能力使其能够快速响应各种指令和处理任务，对于实时数据处理和控制需求的应用场景至关重要。已经广泛地应用于各个领域。例如文献3基于 AT89S52单片机，设计了一种无线遥控气垫船，该设计采用PT2262/PT2272 无线遥控模块，通过单片机控制尾部直流电机，从而实现对气垫船运动状态的控制。基于以上分析，本设计基于STM32单片机为主控，设计了一种气垫悬浮车，该系统包括主控模块、高速轴流风机驱动模块、循迹模块、语音播报、液晶显示等模块，能够实现悬浮，直线循迹，语音播报等功能。其中超声波模块用来实现检测障碍物，并将结果反馈给主控处理，同时通过液晶显示模块显示相关信息；红外线用来实现循迹；高速轴流风机使气垫实现悬浮，而尾部的风扇提供前的动力，同时用风扇的转来控制小车的方向。1 系统设计原理 1.1 气动悬浮原理 气动悬浮小车通过气流压力将车辆悬浮在地面以中国科技期刊数据库 工业 A-94-上，减小与地面的摩擦，在运输的过程中，达到节约成本的目的。为保持小车的平稳行驶，通过控制气流的压力和流量来调节悬浮悬力；而车辆加速或减速时，通过调节风机转速来保持悬浮力的平衡。此外，还可以通过控制算法实现对车辆的主动控制，提高行驶的稳定性。气垫悬浮小车的动力系统通常采用电动机驱动。电机通过驱动轮或螺旋桨等设备提供牵引力，推动车辆行驶。同时，为了实现小车的转向和控制，在动力系统中还需要包括转向装置和相关的控制系统。1.2 气垫材料选择及分析 快递袋是一种摩擦力很小、重量很轻、又不容易破损的材料，适合作为气垫材料。本设计采用快递袋作为气垫材料，快递袋通常由聚乙烯或聚丙烯等塑料材料制成，具有轻质、柔软、耐用等特点，并且拥有良好的密封性能2，但是稳定性是快递袋作为气垫的一个关键问题，这是因为快递袋充气后与地面摩擦力很小，可能会导致较大的形变和变形，从而影响悬浮力和车辆的稳定性。可以通过增加气垫中的隔离层同时采用多层结构来增加气垫的刚度和稳定性。1.3 keil 软件介绍 在单片机开发中，软件与硬件同等重要。源代码到机器码的转换可通过手工汇编或现代机器汇编完成。现代机器汇编在专用软件的帮助下成为主流选择，高级语言的兴起提高了开发效率。Keil 软件在 51 系列单片机开发中脱颖而出，提供全面的解决方案。它集成了 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理工具和强大的仿真调试器，uVision 环境整合了这些工具，极大提高了开发效率。Keil 支持多种操作系统，为开发者提供了灵活性和兼容性。系统需求包括 Pentium 级 CPU、16MB RAM 和 20MB 硬盘空间。1.4 单片机最小系统 单片机的最小系统，或最小应用系统，代表了单片机技术中精简而高效的设计理念。这种系统通过使用最少的组件，达到单片机系统运作的基本要求，成为学习和实验单片机原理的理想平台。电源电路的作用在于为整个单片机系统提供稳定和可靠的电源。在单片机的设计和应用中，电源的稳定性是确保系统稳定运行的基石。主流单片机系统通常采用 5V 或 3.3V 的电源电压。这两种电压标准在单片机设计中已成为共识，因为它们能够满足大多数单片机的电源需求，同时保持系统的稳定性和效率。复位电路在单片机系统中扮演着至关重要的角色。它负责在系统启动或遇到异常时初始化单片机的内部程序或状态。复位电路的设计通常包括电阻和电容的串联组合，利用电容两端电压不会突变的特性来实现平稳的复位过程。例如，在 51 系列单片机中，复位电路确保 RST 引脚在启动时维持高电平状态至少两个机器周期，从而确保系统的可靠启动。晶振电路，又称晶体振荡器，是单片机系统中的另一个核心组件。它与单片机的内部电路协同工作，产生所需的时钟频率。在单片机系统中，所有的指令执行都依赖于晶振提供的时钟频率。因此，晶振的频率不仅影响单片机的运行速度，还影响整个系统的性能和效率。晶振的高频率能够提高单片机的处理速度，使系统更加迅速响应。图 1 单片机最小系统 1.5 超声波避障小车工作原理 超声波避障小车是一种先进的技术应用，它结合了超声波传感技术和自动导航系统，以在各种环境中实现智能避障和导航。这种车辆在自动化和机器人技术领域中尤为重要，因为它们能够在没有人为干预的情况下独立操作。这种小车的关键技术是超声波传感器。传感器通过发射超声波信号并接收由障碍物反射回来的信号来工作。当超声波遇到障碍物时，它们会被反射回传感器。传感器然后分析这些回波的时间、位置和强度，这些数据用于计算障碍物的确切位置和距离。这一信息对于小车来说至关重要，因为它依赖于这些数据来调整其路径并避开障碍物，从而确保平稳和安全的导航。2 硬件电路设计 中国科技期刊数据库 工业 A-95-2.1 整体设计方案 该设计由主控模块，风机驱动模块，循迹模块，OLED 显示模块，电源模块，语音模块等组成。其中，电源模块实现对整体电路的供电，STM32 控制继电器模块和 L289N 模块来实现对高速轴流风机的启停和转速的控制，从而控制气垫悬浮小车的悬浮和前进；OLED显示模块来实时显示小车的运行状态；此外循迹模块用来实现循迹，语音模块来实现语音播报等，其整体框图如图 2 所示。图 2 整体框图 主控模块由 STM32F103C8T6 构成，其采用 ARM Cortex-M3 处理作为核心，内部集成了 64KB 的闪存（Flash）存储器，用于存储程序代码和常量数据。此外 STM32F103C8T6 支持多种外设接口，提供多个时钟源，包括外部晶体振荡器、内部 RC 振荡器和内部高精度时钟源，并且可以通过时钟控制单元配置和管理系统时钟，为不同外设提供正确的时钟信号4。灰度传感器循迹模块是一个用于循迹控制的外设模块56，通常由红外传感器组成，可以帮助机器人在特定的轨道上进行导航，实现自动行驶。红外避障模块是现代自动化和机器人技术中一个关键组件。它利用红外线技术来检测和响应环境中的障碍物，使设备能够在各种环境中安全、有效地运行。这种模块的核心功能是通过发射和接收红外光线来感知障碍物。当红外线从发射器发出并遇到障碍物时，它会被反射回接收器。接收器捕获这些反射光线，并通过分析这些数据来确定障碍物的位置和距离。2.2 主体电路设计 主体电路图主要是单片机对各个模块的控制电路，从而实现相应的功能。按下按钮开关，气垫悬浮车启动，气垫充气风机产生气体流经限制通道并加速，使气体速充满车底空间，气体通过底部孔排出，使小车悬浮。电机驱动模块控制风机气流大小即可控制悬浮车在空中悬浮的高度，此时车底与地面几乎没有摩擦，通过控制前进风机和左右调向辅助风机，实现悬浮车的前进与调向。显示屏与播放器实时显示与播放悬浮车当前状况。主体电路流程图如图 3 所示。图 3 主体电路图 3 软件设计 3.1 循迹模块流程图 循迹主要实现小车前进方向的控制。在初始时刻，灰度传感器首先检测黑色的线是否偏离轨迹，如果没有偏离，小车继续前进，否则给主控发送信号，控制风机的转速，从而调整小车的前进方向，使小车沿循迹方向继续前进。循迹流程图如图 4 所示。图 4 循迹算法流程图 3.2 避障模块流程图 避障技术，尤其是利用超声波技术的避障系统，在自动化和机器人技术领域发挥着重要作用。超声波避障系统通过发射超声波并接收其反射波来检测前方的障碍物。这种方法允许系统准确地识别障碍物的位置和距离。实现流程图如图 5 所示。在超声波避障系统的工作流程中，启动计时器和中国科技期刊数据库 工业 A-96-发射超声波信号是初始步骤。这一过程是自动化避障技术的核心，它允许系统在不同环境中有效地导航和避免障碍。当系统启动时，计时器开始记录时间，同时超声波信号被发射出去。这些超声波会以声波的速度向前传播，遇到任何障碍物时就会反射回来。系统的接收器捕获这些反射的超声波信号，并将接收时间与发射时间进行对比。通过这种时间差的计算，系统能够准确地确定障碍物的距离。这一信息对于指导小车避开障碍物至关重要，确保其安全、有效地在复杂环境中导航。图 5 超声波测距流程图 3.3 主程序流程图 图 6 主体流程图 按下启动按钮后，中心风机开始启动，语音播报相关信息，并在显示屏上显示。在中心风机的作用下小车开始悬浮 2s，语音播报相关信息；等到 2s 后，灰度传感器实现循迹，如果检测到黑线在小车中间，则继续前进，反之会通过控制器调节风机的速度，从而改变小车的前进方向,主程序流程图如图 6 所示。4 结果分析 根据以上设计方案，完成硬件电路如图 7 所示，并对所做设计分别对电压和悬浮高度关系表、悬浮时间及是否循迹进行测试，测试结果验证了本设计的有效性。图 7 主体流程图 测试悬浮高度，在重量一定的情况下，测试各个电压和悬浮高度的值，测试结果如表 1 所示，从表中可以看出，电压不同，悬浮高度也是不同的。电压越大，悬浮高度是越高。表 1 电压与悬浮高度的关系表 次数 电压(V)悬浮高度(mm)1 0 0.00 2 6 0.9 3 12 2 悬浮高度和悬浮时间测试，将气垫悬浮车放在启/停点上，一键启动，观察悬浮高度，并且记录悬浮时间，如表 2 所示，通过测试可以看出，悬浮高度 2mm，悬浮时间 10s；在悬浮时间到达后，小车开始运行沿轨迹运行，并且能到达指定位置，测量结果如表 2 所示。表 2 基本要求测试结果表 测试项目 测试结果 悬浮高度 2mm 悬停时间 10s 语言播报 到达指定地点，正常播报（1）根据功能测试的结果，气垫悬浮车能够实现悬浮、寻迹运行等功能。（2）语音播报测试结果表明气垫悬浮车能够以语音方式实时播报运行信息。综上所述，基于 STM32 作为主控，使用 L293D 电机驱动芯片作为驱动模块控制开始初始化定时启动定时器发送超声波开中断准备接收关闭定时器计算距离接收到超声波NY中国科技期刊数据库 工业 A-97-气垫悬浮模块的气垫悬浮车经过全面的测试，结果表明系统能够满足设计要求，并具备良好的性能和稳定性。5 总结 悬浮车已经广泛的应用于各个领域，吸引了无数专家学者的眼球，而气垫悬浮车作为其中很重要的一个分支，同样受到了关注。本设计基于单片机设计了一种气垫悬浮车装置，由控制模块，循迹模块、语音播报及电源模块等构成。该系统通过 STM32 单片机实现对高速轴流风机的控制，使气垫悬浮车达到悬浮和移动要求；三路红外寻迹控制前进的方向，而超声波模块使小车实现避障功能，同时语音模块实现对相关信息的语音播报。除此之外，本设计在节省人力和物力的同时，不会对环境成影响，所以具有环保功能。但是本设计也存在不足之处，在后续的设计中会进行改进。参考文献 1王芳,曾立斌.气垫搬运技术及其应用J.物流技术,2002(3):2.2茹至刚,朱永中,杨斌等.利用垃圾中废旧塑料袋生产复合材料的研究J.广东化工,1992(1):5.3孙浩.基于单片机的无线遥控气垫船设计J.科技致富向导,2012(9):1.4 胡 伟 霞,杨 记 鑫,陈 会 丽.基 于 STM32F103C8T6 单 片 机 的 智 能 密 码 锁 的 设 计 J.电 子 设 计 工程,2022,30(13):180-183.5曹伟.基于结构化视野的小学开源硬件教学探究以:“灰度传感器实现小车循迹”项目为例J.江苏教育,2022(60):4.6范昭君.循迹机器人中的灰度传感器信息化课堂教学设计J.科技经济市场,2017(9):3.基金项目：甘肃省创新基金项目和研究生“创新之星”（2023B-300）；教改项目：本论文为 2023 年度校级职业教育教学改革研究项目立足“四个课堂”提升职业本科智能制造工程技术专业教育质量（编号：JG2023023）阶段性成果。