基于STM32的智能物流循迹往返小车设计

申家正

摘 要：本设计以STM32系列单片机STM32F103RC作为核心处理器，辅以循迹模块，测速模块，超声测距模块，压力传感器模块，通过PID算法构成了完整的智能物流循迹小车，可以实现自动调速循迹功能，停车避障功能，自动往返功能。经过测试，该系统运行可靠，成本低，抗干扰能力强，节省人力成本，可被用于教学，智能玩具，仓储运输等场合，具有很好的使用价值。并且本系统保留多个接口，方便后期开发，使系统更加实用。

关键词：STM32；PID；智能小车；物流；循迹

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0027-02

小车作为现代智能小车热门发展方向之一，是许多新技术的集合，它体现了车辆工程，自动控制，计算机技术和人工智能集为一体的综合技术。本文提出了一种基于STM32F103芯片为控制核心，以循迹模块，测速模块，超声测距模块，通过PID算法構成了完整的智能物流循迹小车，可以实现自动调速循迹功能，停车避障功能，自动往返功能。通过模糊PID和芯片自带PWM脉宽调制技术的结合，大大提高了对车辆位置和速度控制的精度。

1 系统硬件电路设计

1.1 循迹模块

本系统采用YL-70型红外探测传感器模块实现循迹功能，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～60cm，工作电压为3.3V-5V。循迹模块电路图如图1。

1.2 超声测距模块

本系统采用US-100型超声波测距模块，块可实现 2cm～4.5m的非接触测距功能，拥有2.4～5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠，超声测距模块电路图如图2。

1.3 测速模块

本系统采用A3144型霍尔传感器模块实现测速功能，探测到障碍物为高电平，无障碍物或超出探测范围输出低电平，测速模块电路图如图3。

1.4 电机驱动模块

本系统采用L298N芯片驱动直流减速电机，L298N芯片具有驱动能力强；发热量低；抗干扰能力强；工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流可达2A；额定功率25W。内含双H桥的高压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机。其电路图如图4。

2 PID算法设计

在实际工业生产中，PID控制（比例、积分、微分控制）的使用最广泛，是工业控制的重要技术，它具有结构清晰、调整方便、稳定性高和工作可靠等优点。本系统采用闭环PID为基本控制算法，实现智能小车的底盘速度闭环。

PID控制是基于反馈原理的线性控制，它将偏差e（t）的比例控制（P）、积分控制（I）、微分控制（D）进行线性组合，形成控制量u（t），从而对被控制量进行控制，PID控制原理图如图5所示。

可知当已知PID三个系数后，根据每次采样的数据与设定的目标数据比较，得出偏差值e（n），e（n-1），e（n-2），对三个偏差进行PID增量运算，最终用得出的结果控制电机PWM脉冲占空比来控制直流减速电机转速。

3 系统程序设计

系统软件设计采用C语言编程实现，小车进入工作状态后，开始不断扫描与探测主控STM32F103单片机的I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应判断程序，把相应发生信号传给减速电机从而控制小车的状态。

4 系统测试

根据本文设计方法制造智能物流循迹小车，实际测试结果表明，该方法设计的小车运行平稳，在长时间的工作中系统稳定，没有偏离既定轨迹，使用了增量PID算法使得小车加速和减速过程迅速且平稳，匀速过程速度稳定，上下坡速度均衡，在有负载的情况下小车运行一切稳定，小车转弯稳定，未发生漂移，小车整体性能稳定，实现了设计要求。

5 结语

本文根据设计内容和要求，制定了设计方案，并逐步完成了硬件和软件部分设计，展示部分硬件电路和系统框图。整个系统以STM32F103为主控芯片，实现对小车简单运动的控制，采用数字PID控制算法对直流减速电机转速进行控制。在项目进行中学习使用Altium Designer设计电路图，在keil软件下编写各程序模块，包括红外循迹模块、超声测距模块、霍尔测速模块，并通过主程序将各模块融合在一起。整个设计将软件硬件相结合，实现了小车的既定功能。经过模块测设和整车测试，该系统运行稳定，成本低，抗干扰性能强，可被广泛用于教学，智能玩具和搬运货物等场合，有很好的利用价值。

参考文献

[1]孙书鹰.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010.3（1）：59-63.endprint