基于STM32的监测预警车设计

隋盛誉，邢晓鹏，刘春池，刘搏飞，孙嘉成，谢印庆

（大连理工大学城市学院电子与自动化学院，辽宁 大连 116102）

0 引言

随着城市的快速发展，人们对地球资源的利用也在加速，由于对其处理不当，随之而来的是周围的危险越来越多，造成了许多不可避免的灾难和难以挽回的损失。因此，人工智能化是未来发展的必然趋势，通过智能设备提前检测与预警，可以降低和减少灾难的发生。

与目前市面上的预警检测车相对比，市面上目前大部分的检测车只有固定检测和平地移动式检测两大类；而本车的优势则在于可在住宅区和商业区以及工厂等复杂环境中使用，能够翻山越岭，适应各种地貌环境，其还可以在许多人们无法到达的地方进行探测和预警，从而帮助人们提前预测危险，避免更大的损失。此外，检测更加准确，防止有类似对象触发误报警。同样，在发生灾难时，本车也可以在危险环境中工作，用来寻找伤者和物资，避免伤亡。其工作效率与克服艰苦环境程度远远高于目前的探测车。

根据对国内外灾难发生原因收集得知，火灾和爆炸都可以对人类造成巨大的伤害。因此，预防此类灾害已成为了国际的重要主题。我国一年消防就接报火灾约25万起，造成损失约40 亿元，火灾和爆炸灾害是我们需要面临的长期严峻挑战。由此本文提出监测预警车的设计可以使这种灾害降低到最小，提前规避风险，减少损失和人员伤亡。在各种环境下，都能使火灾、爆炸等灾害远离人群，实现安全的生活环境。

1 系统组成及结构

1.1 系统硬件

本车系统结构由STM32 主控模块、超声波测距模块、气体检测模块、无线射频微处理器模块、红外反射传感器模块和其他模块构成。其中STM32 单片机作为主控模块，图1所示为系统框图。

图1 系统框图

1.2 各模块组成

1.2.1 主控制模块

主控模块采用STM32 作为主控制器，主要用于采集信息、处理数据、协调系统中各个模块实现的功能。51单片机能够满足大多数的日常使用，成本低廉，体积大，不需要转接板和适配板就可以直接插入万用板中使用。而STM32 是32 位控制器，51 是8 位的，处理速度快得多；STM32 内部时钟比51 大很多；类似地，定时器STM32 有8 个，而51 只有两个；STM32 有丰富的外设接口，可以执行多任务和高实时的控制任务。对于51 来说，只能用CPU 指令控制IO 高低电平来模拟，占用CPU资源多，执行任务慢且错误率较高。所以STM32与51单片机相比，STM32 具有更高的性能，更快的响应速度和更强的信息处理能力[1]。外围设备丰富合理、软件支持强、芯片型号多、功耗更低、覆盖范围广等优点[2]。STM32处理器原理如图2所示。

图2 STM32处理器原理

1.2.2 无线射频微处理器模块

无线射频微处理器模块采用新型单片射频收发器，nRF24L01射频模块具有功耗低，传输数据距离长，更加节能，可自动应答和发送等优点。采用射频处理器模块，通过组网来提高传输信息的距离，并且可以增加信息传输的可靠性；也可以通过适当通过增加发射功率，来提高通信的可靠性；在接收端前端引入良好的滤波和可控制的低噪声放大器，就可以自动校正电平；为了提高通信质量，还可以提高天线的增益，选择小电抗的馈电系统，并增加必要的屏蔽。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并且集成了增强型冲击波技术，可在多种低功耗模式下工作[3]。收发信息之间互不干扰，而且在工业和医疗等领域有广泛应用。nRF24L01原理如图3所示。

图3 nRF24L01原理

1.2.3 红外反射式传感器模块

红外避障模块选用TCRT5000 传感器。红外反射式传感器的工作原理是：由发射器、接收器和检测电路这3 部分组成了此模块主要部分。发光二极管和红外发射二极管等发射光束，光束连续发射或改变脉冲的宽度，然后由配备透镜和光圈的光电二极管、三极管和其他接收器接收，以此来滤出有效信号和应用信号。红外光电利用物体对红外光束的反射原理，通过对反射回来的光束强弱的测量，以此来判断物体的存在位置和大小等。

特点：电路布局简单，操作简单；灵敏度精确，性能优异；红外反射传感器模块采用单片机作为主控制器，可以对红外传感器发出的信号进行单片机控制。发送和接收信号可由单片机对其进行自定义，使传感器能够自我反馈和接收信号。该传感器广泛应用于避障循迹方面[4]。

1.2.4 超声波模块

超声波模块选用市场上常用的超声波传感器和超声波测距模块HC-SR04，配置简单，当与被测物体的距离突然改变时，被测值不会跳变[5]。因此，在测距时，选择均值或者中值滤波可以使距离的测量值更接近真实值，精确度更高。

超声波的工作原理：由超声波模块控制部分、总线部分、超声波发射与接收部分。其主控制端通过发射信号，将信号发送进入到发送电路中，发射出去后由接收端对接收信号进行放大处理，回到该主控端口，计算得出障碍物距离；因此，超声波测距模块经由超声波发射和接收的时间差获得与障碍物的距离，作为车身判断路况的主要测距模块，然后由STM32 控制做出相应动作。并且通过探头多角度旋转，使测量无死角，信息更精准。同时，为了便于超声波模块可以准确无误地工作，在超声波模块的接收部分加入放大电路和比较器。可以更好地接收到大范围的回声，以此避免丢失远处或细小物体而对运行与指令的执行产生影响。

1.2.5 气体检测模块

气体检模块采用MQ 气体检测模块。该模块可以在多种环境下对气体进行检测。它具有高灵敏度和快速的响应时间[6]。其可以能够每时每刻对气体进行检测。并且其监测范围较其他更广，可以长期稳定使用。能够对相应气体进行准确识别，不会产生误报情况。在使用MQ 系列气体检测模块中，可以使用多种型号搭配使用，能够准确无误检测出空气中存在的可燃气体，且成本低，使用方便。

在主要部分采用了MQ-9 气体检测模块，是因为MQ-9 模块采用导电率非常低的气敏材料，通过高低温加热等方式，来连续不间断的对CO 气体、CH4气体和常见的可燃性气体进行检测，并根据其检测报告从而转换成相应的信号输出和传输，使工作人员能够及时发现问题，及时解决，避免造成灾害损失。

对于MQ 系列气体检测模块，还可以采用它的MQ-135 气体检测模块对该车工作环境空气质量进行检测。可作为大气监测传感器来进行使用，从而单独发送对应的输出信号给相关人员，对其工作的居民区和企业等场所的气体监测排放可以得到较好的管控。

1.2.6 车载模块

（1）电源模块。小车的不同部分需要不同的电压电源，所以需要对每一部分做单独的稳压处理调节。并且电源模块可以实现对宽带的调制、对其进行保护和隔离等优点。在对电源模块的选择上，要追求占用空间更小，使用可靠性更高，工作功率更高，效率也要更高。为了满足更多的设计和要求，所以在电源模块的选择上要更加细致与完善。确保电源模块的供电系统能够稳定支撑其他各个模块的正常使用。从而保证每一辆智能车的工作和使用过程中不会出现问题。

（2）电机驱动模块。电机驱动模块使用L298N 为驱动芯片。其通过逻辑电平输出PWM 控制开关频率，以调节电机转速。L298N 是具有高电压大电流的全桥式驱动模块，对应的频率更高，带有控制的使能端。电机怠速控制是通过控制电机的旋转角度和速度来实现的。具有操作简单、稳定性好、调速平稳、可调范围广、能承受超负荷、能实现频繁无级快速启动和制动等优点[7]，它在现实生活中有着广泛的应用。对于L298N 电机驱动模块使用的好处在于，使用直流电机和步进电机都可以对其进行驱动。并且其可以控制不同电机同时做不同的动作处理。电机驱动模块通过超声波检测模块和红外反射式传感器模块传达到主控模块的信息来进行处理，并做出相应的动作处理和中断等待状态。此时，可调PWM 电平的优势就得以体现。因此，其在对智能车的避障和对地形的适应上都占据了极大的优势。

（3）智能车材料。对于智能车整体材料搭建的选择上，采用了新型的ABS 增韧塑料，其在于拥有塑性好、耐高温、耐磨损、不能变形等优点。底盘材料则采用造价较高的铝合金材料，以方便支撑整车的搭建基础，同时其耐用程度也远远高于其他材料。因此在遵循使用时间更长，性能更稳定的基础上，选用更好的搭建材料更能突出智能车的优势。

2 软件程序设计

软件部分包含主控制程序的计划、电机驱使部分的程序设计、红外循迹避障模块设计、射频无线传输设计和气体监测程序设计。

2.1 主控制程序

主控制程序需要分配和调试所有模块，以便所有程序不会相互冲突，并相互帮助以实现所需的功能。在主控模块STM32 中不断修改主控程序，确保信息及时准确。主控程序作为所有软件设计模块中最重要的程序模块，应保证设计的程序准确无误。

2.2 电机驱动程序

电机驱动程序是对L298N 芯片的程序设计，通过PWM 调速控制电机。处理器输出的数字信号模仿电路控制技术。PWM 波可通过时钟频率和自动设定值设定，以设定PWM 波的比例输出频率[8]。改变一个循环的高电平占空比以改变速度。通过设置PWM 波来调节电机转速，使转速更加稳定、平稳、无倒退。从而实现智能车辆在复杂环境中的稳定通行。

本车在实现预警和报警基础上，最大限度的利用避障循迹等功能，从而实现本车在复杂的日常生活环境下能够正常进行巡逻使用，规避障碍物，防止引发误报等错误功能。其工作流程如图4所示。

图4 循迹避障流程

3 结束语

通过这种智能车辆的设计，未来世界将有更多的智能机器来帮助生活。人类生活需要智能设备来帮助实现更好的社会生活。其可以提前预测危险，从而大大减少造成的损害和伤害；在危险情况和灾难中，智能机器将帮助人们拯救更多的生命，从而减少伤亡，避免二次伤害。与市场上大多数智能车相比，这款智能车监控更加准确，信息收发准确快速，能够及时规避风险，能够克服复杂的环境和地形。通过这款智能车的设计，也了解到周围环境存在的危险，时刻保持警惕。