基于STM32F103C8T6的智能搜救紅外小車設計

卜繁增 馬超 王萌 張東志

摘? ?要：隨著科技的快速發(fā)展，人們能夠更好地預測到地震的發(fā)生，這可以給人們更多的反應時間，大大提高了人們的生存機會。但是地震后的救援也至關重要。因此，文章設計了一款智能搜救探測機器小車，車上配有一個機械臂，機械臂的末端配有紅外傳感器。本次設計將STM32F103C8T6作為主控制器，采用NRF24L01無線模塊來實現(xiàn)無線傳輸，顯示模塊用OLED液晶顯示，而車上裝有的機械臂可以更方便地伸入廢墟，紅外傳感器模塊檢測生命特征以便搜救隊員搜救，具有較高的使用價值。

關鍵詞：嵌入式控制;紅外探測技術;BMI160慣性模塊;無線控制

1? ? 系統(tǒng)方案及整體構架

本次設計的主控制器采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6，體感檢測模塊則采用ST公司的BIM160慣性傳感器來實現(xiàn)功能，電機驅(qū)動模塊則采用L298N電機驅(qū)動，無線通信功能的實現(xiàn)采用了NRF24L01無線模塊，生命探測模塊則采用了BISS0001熱釋電紅外傳感器，液晶顯示模塊為有機發(fā)光半導體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）液晶顯示，可顯示當前狀態(tài)與剩余電量。而系統(tǒng)軟件方面邏輯嚴謹，考慮到了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的每種狀態(tài)，對出現(xiàn)的每一種狀態(tài)都進行閉環(huán)處理，大大提高了系統(tǒng)工作的效率與穩(wěn)定性。

2? ? 硬件電路設計

2.1? 主控制模塊

智能搜救探測小車的核心元件是其主控模塊。主控模塊需要處理機械臂模塊，生命探測模塊與BMI160慣性傳感器等模塊送來的信息，最重要的是對外界的抗干擾能力要強，因此本次設計采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器。STM32F103C8T6是32位微控制器，速度為72 MHz，程序存儲器容量為64 kB，工作溫度為-40～85 ℃，足以應對抗震救災的惡劣環(huán)境。外圍設備可連接直接內(nèi)存存?。―irect Memory Access，DMA），電機控制脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）與溫度傳感器等。電源電壓為2.0～3.6 V，功耗低，可以延長搜救小車的工作時間。

2.2? 傳感器處理模塊

博世BMI160慣性測量單元傳感器模塊可以實現(xiàn)體感遙控的功能。BMI160集成了16位的加速度數(shù)字傳感器與16位的陀螺儀傳感器，可與Android系統(tǒng)進行兼容，功耗低，電壓支持范圍大，為1.71～3.6 V，可分配1 024字節(jié)的先入先出（First Input First Output，F(xiàn)IFO）緩沖區(qū)，具有高達1 MHz的可擴展I2C模式。其數(shù)據(jù)同步可以通過控制時間戳的高精度來實現(xiàn)，也可以等待中斷或通過FIFO的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

2.3? 無線通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信信息芯片，采用FSK調(diào)制，可以實現(xiàn)對點或是1對6的無線通信。用NRF24L01通信信息芯片來實現(xiàn)無線通信模塊的發(fā)送與接收指令功能。首先將通過體感檢測采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單片機能夠識別的數(shù)據(jù)命令，從而通過單片機發(fā)出指令來控制機械臂相應運動從而實現(xiàn)全方位多角度無線通信控制。傳輸過程中對體感指令的發(fā)送與機械臂控制器發(fā)送回狀態(tài)控制包的時間要求非常嚴格，必須等待狀態(tài)返回包返回后，主控制器才能給機械臂發(fā)送下一條指令。

2.4? 顯示模塊

通過對比，最終采用了OLED液晶顯示模塊來顯示當前狀態(tài)與機械臂的剩余電量。OLED-128x64是具有UEXT連接器的低功耗OLED液晶顯示模塊，是低成本，低功耗，高對比度的LED顯示屏。可以通過I2C進行控制。所需的電源睡眠模式范圍為1 uA，工作模式為200 uA，顯示ON模式為7 mA。該SSD1306控制器OLED液晶顯示模塊視圖面積為21×11 mm。提供4針頭，可以使用MOD-OLED-128x64與面包板進行焊接。

2.5? 機械臂控制模塊

對小車與機械臂的信號控制是通過16路PWM驅(qū)動模塊與L298N電機來實現(xiàn)的?？刂芇WM的方式是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在一定周期內(nèi)，通過控制給高電平的時間來實現(xiàn)電機的調(diào)速。

2.6? 紅外傳感器控制模塊

BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式的熱釋電紅外傳感器。

BISS0001是CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配，進行信號與處理，雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內(nèi)設延遲時間定時器和封鎖時間定時器，結構新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬，其工作電壓范圍為2～6 V。

3? ? 軟件系統(tǒng)設計

首先需要系統(tǒng)的初始化，在系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)會先檢測各個模塊的功能是否正常，如是否可以正常通信，是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)，電源電壓是否正常并將結果顯示在OLED屏幕上，一切正常之后系統(tǒng)會進入工作狀態(tài)，會時刻接收來自各個模塊的通信數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)的處理后會傳輸?shù)浇K端來實施相應的功能，電量會實時顯示在OLED屏幕上。

4? ? 結語

本次設計大體討論了基于STM32F103C8T6的智能搜救紅外小車的設計論證與實現(xiàn)。同時大體介紹了硬件電路的組成與軟件系統(tǒng)的工作原理。經(jīng)實踐操作試驗可以得出，該智能搜救紅外小車的機械臂運行較為流暢，紅外探測較為敏感，在實際生活中具有較高的使用價值。

[參考文獻]

[1]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2]周立功.ARM 7嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[5]譚秋林.紅外光學氣體傳感器及檢測系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.