基于ＳＴＭ３２的多功能探测小车的研发设计 张英豪 基于ＳＴＭ３ ２的多功能探测小车的研发设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｃａｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｐｅｅｃｈ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＴＭ３２ 张英豪（青岛理工大学，汽车与交通学院，山东青岛２６６５９０） Ｚｈａｎｇ Ｙｉｎｇ—Ｈａｏ（Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０） 摘要：在抢险救援中，掌握救援现场以及事故现场的环境对救援的实施至关重要。为了能够及时掌握现场的 环境数据，该文主要介绍一款方便、精确、实用的多功能探测小车。该项目主要采用ｓｔｍ３２ｆ１０３ｚｅｔ６单片机作为 主控单元，通过气温气压传感器、火焰传感器、震动传感器、超声波测距传感器、ＭＱ系列传感器等实时检测现 场的气温气压、空气质量等环境数据，然后通过ｓｔｍ３２ｆ１０３ｚｅｔ６单片机进行数据的采集，并且存储到外部存储 器中，通过无线串口通讯，把采集的数据传到上位机，进行数据的分析整理，根据现场的环境参数可以辅助指 挥人员做出救援方案，该文主要讲述其下位机部分。 关键词：ｓｔｍ３２ｆ１０２ｚｅｔ６单片机；传感器；探测 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０１０７（２０１７）０９—００３５—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｃｕｅ，ｇｒａｓｐ ｔｈｅ ｒｅｓｃｕｅ ｓｃｅｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｔｏ ｒｅｓｃｕｅ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａ１．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｂｅ ａｂｌｅ ｔｏ ｇｒａｓｐ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｄａｔａ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａ ＣＯＲＶ— ｅｎｉｅｎｔ，ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒ．Ｔｈｉｓ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｍａｉｎｌｙ ａｄｏｐｔｓ ｓｔｍ３２ｆ１０３ｚｅｔ６ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｓ ｔ－ ｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ．ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ．ａ ｆｌａｍｅ ｓｅｎｓｏｒ．ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓ— ｅｎｓｏｒ．ＭＱ Ｓｅｒｉｅｓ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｍ３２ｆ１ ０３ｚｅｔ６ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ ｔｏ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｅｍｏｒｙ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｄａｔａ ｉｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒｍｅｔａｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｅｎｅ ｃａｎ ａｓｓ— ｉｓｔ ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｒｅｓｃｕｅ ｐｌａｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏ￣ｓ：ｓｔｍ３２ｆ１ ０２ｚｅｔ６ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ：ｓｅｎｓＯｒ：ｄｅｔｅｃｔｉＯｎ ＣＬＣ ｎｕｍｂｅｒ：ＴＰ２４２ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｃｏｄｅ：Ａ Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ：１∞３—０１０７（２０１７）０９—００３５一Ｏ４ ０引言 煤炭被称为工业的食粮，对我们这个发展中大国至 功ｆｉ￣４，车来完成一些危险作业。本设计可以使一些复杂 问题简单化１ 关重要，其行业安全也是牵动着我国经济发展的重要问 题。煤矿事故的发生令人痛心疾首，但在救援过程中，地 下环境复杂，且随时可能出现有毒气体蔓延、塌方、瓦斯 １多功能探测小车的硬件设计 在矿难或地震现场，往往情况复杂，问题棘手，救援 工作难以开展。硬件设计应该满足以下几个要求：（１） 尽量节能；（２）体积适中，可进入小空间区域；（３）性能稳 爆炸等危险，救援人员难以及时开展救援工作。而随着 自动化技术的普及和计算机知识的广泛应用，救援探测 技术自动化越来越成为现实。多功能探测小车的探测技 术是基于传感器技术的集合，将多个探测器合理地置于 车身，便可以使各部分发挥其自身价值。基于使用方便、 便于携带为基本原则考虑，我们设计了能够实现数据采 集、发送且接受信号辅佐操作者以及自动主动避障的多 定；ｆ４）终端装置具有一定抗风险能力。 １．１多功能探测小车系统 如图１所示，信息采集依靠信息检测部分完成；控 制器负责收集数据并加以处理；通过无线通信模块将数 据传递到ＰＣ中。 作者简介：张英豪（１９９８一），本科，主要研究领域为汽车电动汽车与汽车电子控制技术领域的研究。 ３５ 电子质量２０１７年第０９期（总第３６６期） 信 息 检 澳口 部 分 图１多功能小车系统组成图 １．２ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６单片机 析，具有很强的驱动能力。 １．７ Ｒｅａｌｐｌａｙ２路火焰传感器模块 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６１ ｌ是一款性能优、功耗低的微控制 器，其工作频率为７２ＭＨｚ，具有丰富的增强型ＧＰＩＯ端 口，可实现外设与存储器之问的高速数据传输囝。在本系 统中单片机的主要功能是通过传感器等进行数据的搜 集从而进行周围气体、温度、震动等信息采集以及相关 数据的串口通信。 １．３ ＢＭＰＯ８５模块 该模块可检测火焰，对一定波长的光也有所反应。 使用时简单方便，可用于本系统。 １．８ ＭＱ系列传感模块 气体传感器可检测气体各项数据，在传感器与被测 气体接触后，通过测量时半导体的数据（电压、电阻等）获 得各种气体的成分、浓度等参数，并最终显示在终端上。 １．９无线通讯模块 ＡＳ６１一Ｔ１７超低功耗无线串口模块，ＡＳ６１一Ｔ１７是一 ＢＭＰ０８５模块是一款对压力做出及时反映的压力 传感器，该模块还可以进行检测温度、温度输出和补偿。 １．４ ＵＳ一１００模块 ＵＳ一１００超声波测距模块，电压输人范围大，功耗 款４３３ＭＨｚ（免申请频段），５０ｍｗ，高稳定性，工业级的无 线数传模块。模块采用ＡＸ５０４３主芯片，ｒＩｒｒＬ电平输出， 兼容３．３Ｖ与５Ｖ的ＩＯ口电压，稳定性高，有抗风险力。 １．１０红外避障传感模块 低，自带温度传感器对测距结果进行校正，而且支持 ＧＰＩＯ和串口双模式，工作性能优良稳定１３１。 １．５ ＨＣ—ＳＲ５０１模块 ＨＣ—ＳＲ５０１模块是一款采用红外线技术的人体感 应模块，工作电压为ＤＣ５Ｖ至２０Ｖ，承受温度范围大，性 能优秀，工作可靠。 １．６ ＳＷ一１８０１Ｐ模块 红外避障传感器是一种集发射与接收于一体的光 电传感器。其检测距离可以根据要求进行调节。其在 分析物体反射回的红外光线后，判断左转或右转完成 避障。 １．１１电机驱动模块 在本系统中，我们采用的是直流电机。通过脉冲宽 ＳＷ一１８０１Ｐ配备宽电压ＬＭ３９３比较器，输出信号为 通过Ａ／Ｄ转换输出的数字信号０和１，信号稳定易分 度调制器输出电平信号，控制电枢电压从而实现调速的 ３６ 目的，控制小车运行状态。并采用Ｌ２９８Ｎ电机驱动芯 片，完全兼容Ｃ５１、Ａｒｄｕｉｎｏ、３．３Ｖ ａｒｍ、５Ｖ ａｒｍ，无需外接 任何电路。本系统中，小车的调速是通过软件和红外避 障模块给系统的信号实现的。 ２车体设计 ２．１小车设计 为增强稳定性，减轻重量，我们选择使用２ｒａｍ厚铝 质材料制作底盘，采用双层结构，将传感器以及周围零 件分别固定于两个底盘上。各个传感模块以及无线通讯 模块等选择合适的螺纹即可。电机和红外避障等模块的 固定我们采用设计Ｌ型板进行固定。本系统中，共使用 ４个电机直接与车轮相连，没有额外传动装置。电机直 接由软件控制转动方向和转动速度，不需要经过减速 器。通过合理的布置，将各个部件安装在小车车体，就可 以组装出我们的智能小车。 ２。２小车底盘的设计 小车为双层结构，将下层底盘命名为底盘１，上层 底盘命名为底盘２，对此加以区分。我们将ＵＳ一１００超声 波测距模块、ＳＷ１８０１Ｐ震动传感器模块、ＡＳ６１一Ｔ１７无线 通讯模块、电池盒以及电机安装在底盘１。在底盘１上， 在ＰＶＣ板上预留孔的规格钻孔，在车头中间附近增加Ｔ 型板固定ＵＳ一１００超声波测距模块，在车轮附近增加电 机固定板，以及在中间部位留出电池安装口。剩下的小 车部件都安装在底盘２，在底盘２上开几个矩形孔，方 便线路连接。另外，在底盘１和底盘２的小车的四个角 及中问位置开６个孔，以连接和固定底盘１和底盘２。 我们根据《机械设计手册及课程设计》一书，运用ＣＡＤ 和Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ进行绘制零件图以及装配图［４／。 ３软件系统设计 ３．１主程序控制 下位机的主要作任务是对周围环境各项数据进行 检测，对各种信息进行实时采集后分别处理并进行存 储，等待上位机发来有关指令。系统待机时功耗较低。主 程序的控制流程图如图２所示。 ３．２系统程序设计 ３．２．１电机驱动系统程序设计 电机的驱动是通过对Ｌ２９８Ｎ驱动芯片的控制实现 的。流程图如图３所示。 基于ＳＴＭ３２的多功能探测小车的研发设计 张英豪 ，（ ， 开始 、 Ｊ ＼ ／ 系统初始化 串１３初始化、端１３初始化、Ａｌｌ初始化、 『 定时器初始化、Ｉ２ｃ接１３初始化 上 ＳＴＭ３２Ｆ１０３单片机开启中断 ｜ｒ 信息采集，ＣＰＵ进入低功耗 模式，等待中断 图２主程序流程图 Ｎ 图３电机驱动系统程序流程图 ３７ 电子质量２０１７年第０９期（总第３６６期） ３．２．２红外避障系统程序设计 红外避障传感系统是在开始执行命令后，不断地发 射红外线，如前方有障碍物则会返回红外线。具体流程 图如图４所示。 Ｎ 图４红外避障系统流程图 ３－２＿３实时检测系统设计 本系统中，其余的传感模块以及检测模块构成了各 自的实时检测系统。在开始之后，用户终止之前不断的 对周边环境进行着检测，收集数据，将实时数据传回，供 指挥人员参考。具体流程如图５所示。 Ｙ 图５实时检测系统流程图 ３８ ４结语 随着科技的不断进步，集成电路的精细化，高集成 度的实现，我们的社会在向智能化和自动化的方向迅速 迈进。智能机器人和智能小车由于他们的灵活性和智能 化，开发周期短等特点，被广泛地开发应用。特别是，他 们可以代替人类去到危险的地方。例如，在自然灾害、重 大事故的救援中可以起到重要作用。 本文分析了选题的背景及意义，基于在抢险救灾中 的需求，我们设计了此款小车，采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３微控制 器，能提供很高的代码效率［５１。在微处理器外围添加一些 硬件和必要的驱动系统，就构成了我们的多功能探测小 车系统。并通过对硬件、软件、系统设计的调试试验以及 最终实际的测试完成了对小车的考核。事实证明，系统 在连接信号正常的情况下，可以顺利完成任务，基本上 达到了我们初期设定的目标，希望能为抢险救灾工作尽 一份力量 参考文献： ［１］ＳＴＭＩＲＯＥＬＥＣＴＲＣＮＩＣＳ．ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＸＥ Ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ［Ｍ］．Ｇ— ｅｎｅｖａ：ＳＴＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，２０１０． ［２］唐定兵，高晓丁，薛世润．基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６的开放 式数控运动控制系统ｆＪ１．机电工程，２０１４，３１（８）：１０６２— １０６６． 【３］喻文倩．基于ＵＳ一１００超声波测距仪设计ｆＪ１＿山东工业 技术，２０１５，（４）：１４７—１４７，１９４． ［４】许高燕．机械设计手册及课程设计［Ｍ］．武汉：中国地质 大学出版社，１９８９． 【５］孙书鹰，陈志佳，寇超．新一代嵌入式微处理器ＳＴＭ３２Ｆ １０３开发与应用ＩＪ１．微计算机应用，２０１０，３１（１２）：５９—６３．