多樣信息采集智能小車的設(shè)計(jì)

陳杰　宋恒宇　楊天祥

摘 要

隨著嵌入式技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展，用于環(huán)境信息采集的遠(yuǎn)程控制的智能小車在可靠性和性價(jià)比上不斷提高，使其在工程、軍事及日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。本文以STM32芯片為核心，利用TB6612模塊完成對(duì)2個(gè)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，利用WHTM-02傳感器檢測(cè)環(huán)境溫濕度信息，利用智能WIFI模塊與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，發(fā)送攝像頭視頻信號(hào)、溫濕度信息，接受小車及攝像頭云臺(tái)的控制信息。該系統(tǒng)可靠性高，具有良好的擴(kuò)展能力，能滿足復(fù)雜環(huán)境下的各類信息監(jiān)控的需求。

關(guān)鍵詞

STM;WIFI;視頻

中圖分類號(hào)： TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.009

0 引言

智能小車，又稱輪式機(jī)器人，在探測(cè)環(huán)境時(shí)不需要像傳統(tǒng)的人工探測(cè)一樣采取多重保護(hù)措施，適用于各類高危工作環(huán)境以及人所不能達(dá)到的狹小區(qū)域等。多樣信息采集智能小車能夠通過(guò)檢測(cè)包括視頻信號(hào)在內(nèi)的多樣環(huán)境信息（例如溫度、濕度等），上位機(jī)端（計(jì)算機(jī)或手機(jī)）通過(guò)WIFI通信可遠(yuǎn)程遙控小車的行駛，接受及顯示小車檢測(cè)到的多樣信息。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多樣信息采集智能小車以STM32F103為核心，以WHTM-02電壓式溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫濕度信息，以攝像頭檢測(cè)環(huán)境視頻信息，控制小車運(yùn)行速度，通過(guò)智能WIFI模塊與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，向上位機(jī)傳送溫濕度信息及視頻信號(hào)，由上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行攝像頭云臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、小車行進(jìn)方向及速度的控制，系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 核心電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32控制系統(tǒng)

本次系統(tǒng)采用STM32F103RCT6芯片，其工作頻率最高可達(dá)72MHz，具有256KB的FLASH和48KB的SRAM的存儲(chǔ)空間;包含的2個(gè)基本定時(shí)器和4個(gè)通用定時(shí)器，可用于控制直流電機(jī)和舵機(jī)的PWM產(chǎn)生;包含的3個(gè)12位ADC，每個(gè)ADC又包含多個(gè)外部通道，可滿足電壓式溫濕度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換需求;利用其自帶串口可與智能WIFI模塊完成雙向通信。STM32F103RCT6的資源足夠滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

2.2 攝像頭云臺(tái)控制模塊

為了使攝像頭能夠?qū)η胺江h(huán)境進(jìn)行全方位的檢測(cè)，本設(shè)計(jì)采用具備兩臺(tái)舵機(jī)塑膠齒版云臺(tái)，使得固定攝像頭的云臺(tái)在上下方向、左右方向均可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)是一種適用于控制并保持轉(zhuǎn)動(dòng)角度的伺服驅(qū)動(dòng)器，在此選用了SG90模擬舵機(jī)，該舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為90o，相較于數(shù)字舵機(jī)，模擬舵機(jī)的成本更低，并適用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

SG90模擬舵機(jī)的控制不需外加的驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部已包含驅(qū)動(dòng)電路（模擬電路），只需STM32芯片IO接口輸出的PWM波就可以控制及驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，如圖2所示。輸出的PWM波的頻率不宜設(shè)定過(guò)高，在此設(shè)定為50Hz，即周期20ms，如圖3所示。為不影響其他程序，PWM需通過(guò)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。PWM的脈寬范圍取0.5ms到2.5ms，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，1.5ms對(duì)應(yīng)0o 角，0.5ms對(duì)應(yīng)-90o角2.5ms對(duì)應(yīng)90o角，脈寬與角度對(duì)應(yīng)如公式（1）所示。

θ表示需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，T表示PWM的脈寬。在此，由定時(shí)器產(chǎn)生的PWM波形，往往是通過(guò)設(shè)定一個(gè)定時(shí)器，然后通過(guò)+1計(jì)數(shù)來(lái)控制正反電平的反轉(zhuǎn)，那么這個(gè)定時(shí)器的時(shí)間就會(huì)影響轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精度，例如，如果設(shè)定的定時(shí)器為，則通過(guò)控制+1計(jì)數(shù)進(jìn)行脈寬合成，轉(zhuǎn)動(dòng)的最小角度為Δθmin：

2.3 溫濕度檢測(cè)模塊

為檢測(cè)小車所處的溫濕度環(huán)境，設(shè)計(jì)采用了WHTM-02電壓式溫濕度傳感器。由于STM32引腳可以實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，電壓式輸入的WHTM-02傳感器大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路和程序。該模塊采用5V供電，濕度與溫度都是線性電壓輸出，溫度檢測(cè)范圍-20℃～100℃，精度±0.5℃，濕度檢測(cè)范圍20～100%RH，精度±5%RH。為減少電壓的浮動(dòng)，在傳感器溫度和濕度的輸出引線與STM32引腳間分別加入了跟隨電路，隔離前后的電路的影響，如圖4。

2.4 小車運(yùn)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)中小車運(yùn)動(dòng)模塊采用帶霍爾編碼器的電機(jī)，電機(jī)供電電壓12V，轉(zhuǎn)速為360轉(zhuǎn)每分鐘。編碼器電壓使用3.3V輸入，編碼器AB相輸出每轉(zhuǎn)每相各輸出360個(gè)脈沖。小車帶有金屬減速齒輪箱，齒輪箱減速比為1：30。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用TB6612模塊，其接口帶有反接保護(hù)電路，相較于常用的L298N，在效率上進(jìn)行了提高。TB6612是雙驅(qū)動(dòng)，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。AO1，AO2是TB6612輸出，用于控制電機(jī)A，由AIN1和AIN2來(lái)控制其的正反轉(zhuǎn)，APWM1來(lái)控制其轉(zhuǎn)速;BO1，BO2是TB6612另一路輸出，用于控制電機(jī)B，由BIN1和BIN2來(lái)控制其的正反轉(zhuǎn)，BPWM1來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，如圖5所示。

2.5 智能WIFI模塊及攝像頭

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路，本次設(shè)計(jì)中采用帶USB接口的攝像頭以及智能的WIFI模塊，WIFI模塊已集成USB、以太網(wǎng)口以及串口，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)與攝像頭的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與STM32的數(shù)據(jù)通信，連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)多樣信息采集智能小車，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制小車的運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)行速度可控，對(duì)小車周圍環(huán)境的溫度、濕度及視頻信息的采集，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，后期可在其基礎(chǔ)上方便的加入各類檢測(cè)模塊，增加采集的環(huán)境信息種類，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，有一定的推廣價(jià)值。

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