STM32的智能巡检小车设计

银川能源学院 成慧芳

在工业生产中，传统的生产环境安全监测主要依赖于人工巡检，随着技术的发展又出现了固定探头传感器网络监测，人工巡检工作量大，巡检时间长，且容易出现遗漏，而固定探头传感器只能对固定位置一定范围内的环境进行监测，不够灵活。因此，本文设计了一个基于STM32的智能巡检小车，可搭载不同传感器实现小车的自主避障、自主循迹及室内环境监测等功能，能有效降低工厂人工巡检时错检或漏检而造成安全事故的概率。该智能小车同时可通过WiFi模块将数据实时传送给工作人员，可用于无人值守的工作环境，方便工作人员对现场环境进行监控。

1 总体设计方案

本文提出设计一个基于STM32的智能巡检小车，搭载超声波传感器、温湿度传感器、气体检测传感器等模块，实现对工厂生产环境的监测，并通过WiFi模块实现数据的实时传输，以有效地排除生产环境中的不安全因素，保障工业企业的人员生命安全和财产安全。该小车的主要硬件配置结构如图1所示，主要由STM32单片机、红外循迹传感器、超声波测距传感器、舵机、温湿度传感器、气体传感器、直流电机等组成。

图1 智能小车整体结构图

2 硬件设计

该小车的硬件电路接线如图2所示，四个电机及电机驱动模块带动小车行进，舵机带动超声波传感器进行测距以实现避障行进，红外循迹传感器实现小车的循迹移动，温湿度传感器、气体检测传感器等实现现场环境数据的采集，并将数据显示在OLED显示屏上。

图2 硬件电路接线图

2.1 电机驱动模块

由于单片机输出信号功率较弱，本文选用的直流电机反向电动势较大，直接接到单片机输出引脚上可能会对单片机造成烧毁，所以需要选用一个电机驱动模块。根据本文小车需实现前进、倒退及转弯功能的需求，本文采用了双H桥步进电机驱动板，此模块供电电压可达2～10V，可同时驱动两个直流电机或一个四线两相式步进电机，可实现正转、反转及调速的功能，同时具有热保护功能。本文采用脉宽调制（PWM）方法实现对电机转速的控制，从而达到控制小车加减速的目的。如图3所示。

图3 电机驱动模块电路图

2.2 超声波测距

本文采用超声波测距传感器实现对障碍物距离的检测，主要是基于超声波具有频率高、波长短、方向性好且能定向传播的特点。采用超声波传感器进行距离测量的主要原理是传感器发射一个方向超声波后，超声波在空气中传播，遇到障碍物后会立刻返回，根据超声波在空气中的传播速度340m/s及传播时间t即可计算出小车与障碍物之间的距离s=340t/2。本文选用HC-SR40超声波传感器，分别有VCC、GND、Trig、Echo四个引脚，单片机通过给Trig所接端口一个高电平脉冲，超声波发射模块SR40开始发射超声波，当收到反射波时，Echo输出有效信号，单片机检测到该信号后，测量从Trig触发开始到接收到Echo的时间差即可计算出小车与障碍物之间的距离。该传感器还配备一个舵机用于带动传感器的左右转动，用于多角度测距避障，同样采用PWM脉宽调制来控制舵机的旋转角度。

2.3 红外循迹传感器

红外循迹传感器工作原理与测距传感器基本相同，都利用了光的反射性质。该传感器由一个红外发射管和一个红外接收管组成，黑色循迹轨道对红外光具有吸收作用，所以当发射管发射一个红外信号后，单片机根据是否接收到反射的红外信号来确定黑色循迹线位置及小车的行走路线。如图4所示。

图4 红外传感器原理图

2.4 气体检测传感器

本文采用MQ-2气体检测传感器，该传感器主要用于烷类气体和烟雾的探测。本文采用该传感器主要用于生产环境中甲烷气体浓度的检测。该传感器利用二氧化锡加热后与甲烷气体接触会使材料表面导电率变化的特性，空气中甲烷气体浓度越高，其导电率越大，输出电阻就越低，输出的模拟信号就越大。通过ADC采集电路将模拟信号转化为数字信号即可得到烟雾浓度的数值。

2.5 数据的显示与传输

传感器采集的数据经单片机处理后可显示在OLED显示屏上，还可通过WiFi模块传输至手机端APP，以方便工作人员远程监控及数据的采集。

3 软件设计

程序初始化后，可通过模式选择使小车进入不同的行进模式，避障模式中小车通过超声波测距传感器检测障碍物进行避障移动，循迹模式下小车可根据环境中已铺设好的黑色循迹线行进，两种模式下小车其他传感器均可进行环境数据的采集和显示，从而实现现场环境的巡检。如图5所示。

图5 硬件主程序流程图

总结：经实地测试，该小车能够在工业环境中实现避障巡检及循迹巡检，各传感器模块能够正常采集各项环境数据并显示在OLED显示屏上，WiFi模块能够连接网络实现数据的传送。相较于固定探头传感器监测，智能巡检小车更便于对生产环境的实时监测，灵活性更高，巡检覆盖面更大，能够在减少人力投入的情况下配合原有固定探头传感器监测系统更好地进行生产环境的监测从而保障企业的生产安全。