基于STM32的無線充電小車綜合實驗設計

王 一，關 月

（貴州大學大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

20世紀80年代美國就開始了對自動駕駛的研究，美國機動車工程學會還提出了Society of Automotive Engineers (SAE)智能汽車等級劃分標準[1]。現如今許多國家已經允許車輛在無人駕駛狀態下在道路上進行和研究[2-3]。我國汽車工業的起步晚，不完善[4]，但是隨著國內經濟產業的發展，國內踴躍出了一大批國產品牌發展智能汽車。隨著機器人的研究更加深入，機器人的智能化和集成化越來越高，而智能小車這種滾輪式移動機器人是智能機器人里面很重要的一個類型[5]。大多需要移動的智能機器人都是滾輪式移動的，而有別于傳統充電的無線充電可以使得智能小車更加智能，通過程序的編寫使其告別需要人工進行充電的尷尬境地，擁有車自動循跡避障、自動充電、自動控制的智能小車是智能機器人的典型代表。

結合本科生單片機、數模電等專業課程內容，本次綜合實驗的無線充電小車主要完成無線充電和循跡功能，從設計到最終制作均強調學生對專業知識的運用，提高學生的動手能力和協作能力。

1 系統硬件方案設計

1.1 整體硬件設計

小車的主體由一塊亞克力板、兩個定向輪、一個萬向輪和其他諸多模塊組成，這樣的結構保證了小車的主體穩定和輕便。這些模塊具體分為三個部分：供電組的無線充電器和可充電電池；核心組的STM32F103ZET6核心板[6-7]、L298N電機驅動模塊和紅外循跡模塊；輪子組的電機和輪子。具體連接電路如圖1所示。

圖1 硬件連接圖

1.2 循跡避障方案

實驗主要完成小車在對現有黑色路線的循跡，而紅外傳感器的特性能夠完美地識別黑色和其他顏色，從而可以通過紅外傳感器來實現小車的循跡功能。紅外傳感器同時也可以完成小車的避障任務，本設計將使用三個紅外探頭，因為在紅外線循跡時三個紅外探頭不可能同時檢測到同一顏色信號，而當小車遇見障礙物時，三個紅外探頭將會反射出相同的信號，利用上述特性，紅外傳感器同時也可完成避障功能。其中，紅外探頭由一個紅外發光二極管和一個紅外光敏二極管組成。而紅外控制板電路中有可調電阻來控制紅外探頭的靈敏度，從而實現小車在不同光度的環境中能夠尋跡避障，電路中還有比較器LM339，其的目的是使模擬量轉化為開關量，方便數據傳輸使用。

1.3 無線充電方案

無線充電小車的智能化中很重要的一點就是無線充電，無線充電告別了傳統的有線充電模式，使得小車充電時不再煩瑣地需要工人插入電源，無線充電功能的接入還可以探索小車沒電時的自動充電功能。采用的無線充電模塊分為接收器和發射器兩個部分，且為電磁感應式無線充電，利用了電磁感應原理。其中發射器部分主要是通過耦合變壓器電路控制電流轉換成電磁波，而接收線圈便會在交變磁場中產生對應的交變電流，再通過整流電路，最終得到所需要的直流電[8]。根據實驗需求選擇了HW-255無線發射模塊，該發射模塊可兼容WPC標準的無線接收器、支持最大12 W充電功率、支持異物檢測等功能，又集成了一個色彩LED燈用于顯示充電狀態，接口方便，便于使用，無線充電的接收端采用TI主控芯片的BQ51013B無線接收模塊，該模塊支持Qi無線充電標準，輸出功率為12 W，使用方面穩定可靠。

2 系統的程序設計

2.1 主程序設計

控制模塊主程序流程圖如圖2所示，主要用于小車的總體控制，組合各個子程序模塊，實現小車的功能整合。在初始化各個變量后，讀取紅外傳感器模塊信號，進入模式判斷子程序，判斷所要進入的模式。主要模式有：道路障礙模式，道路偏離模式，停止“動作”模式。再進入各個模式之后，單片機將對各個模式所發出的電機控制指令進行操作，通過PWM電機控制程序控制電機的行動，從而控制小車的運行。

圖2 控制模塊主程序流程圖

針對紅外循跡模塊，采用LM339使用庫程序來設置紅外模塊[9]。當紅外傳感器感應到不同的顏色時，就會獲得不同的信號，這個時候LM339就會控制紅外感應器板上面的LED閃爍，并將感應到的信號輸入到STM32單片機上，STM32單片機對接受到的信號進行處理，如果信號的輸入值與原先編寫好的運行程序相匹配，單片機就會發出不同的指令來驅動小車上的兩個直流電機完成不用的動作，如左轉、右轉、直行、停止等，從而實現小車的循跡和避障功能。

3 調試與分析

實驗的考核針對本所提出的小車的無線充電功能、循跡避障功能等功能需求，對小車的實際功能進行調試和分析，確保前面所提出的要求能如實、穩定完成。具體測試過程如下。

3.1 硬件電路的連接

系統的硬件電路測試主要是針對系統每個模塊之間的通信狀態，各個元器件的連接正常和系統硬件的好壞等。首先需要保證每個焊接連接的元器件沒有失效，模塊中的元器件沒有出現虛焊或者錯焊，其次保證每個大模塊之間的連接沒有斷開，同時保證電源與相關元器件之間的供電連接的正負級連接正確，避免可能出現的短路問題。在所有的元器件連接、焊接完成后，對每個元器件進行供電靜態測試，排除元器件故障損壞可能。小車接線圖如圖3所示。

圖3 小車接線圖

3.2 紅外循跡與避障測試

本設計采用的紅外傳感器可以連接四個紅外探頭，紅外探頭與傳感器核心板之間用導線連接，在進行紅外測試前需檢測導線是否連接正確、是否存在松動，檢測硬件連接沒有問題后，接入電源測試使用到的三個紅外探頭是否能正確工作，傳感器核心板上右LED燈可以顯示紅外探頭的工作狀態。最終測試小車在黑線上的循跡狀態，和遇見障礙物時的小車狀態。測試結果如表1所示。

表1 紅外循跡與避障記錄

3.3 小車充電時間測試

對于無線充電小車而言，其電池充電時長是非常重要的性能指標。本設計里采用的是12 V/1 200 mAh的大容量鋰電池，而無線充電功率為12 W，充電電流為1 A，但是充電過程中不會一直都保存最大充電電流，充電時間應該乘以系數1.3，所以理論充電時長為1.5 h。在無線充電的實際過程中，除了充電電路本身會有損耗，發射線圈和接收線圈的位置和距離同樣會影響充電效率，經過多次實際測量和計算，最終測試得出實際平均無線充電時間為2 h。

4 綜合實驗的教學應用

在教學中，對理論知識模塊，要求闡明充電小車的基本電路結構，同時對無線充放電原理進行描述，鞏固學生專業理論基礎。結合焊接、單片機開發訓練，增強學生理論知識的實踐應用轉換能力。該課程屬于實踐教學性質，教學任務可規劃在32個課時左右。具體課程體系如表3所示。

課程考核以學生測試結果的驗證為主。要求結果以報告和實物形式體現，報告應包含電路分析、過程、結果、團隊分工及貢獻等內容，此項內容占綜合成績50%。指導老師根據學生報告及成果展示表現，對學生成績進行綜合評估，評估成績占40%。最后，為鼓勵學生發揮自主性，基于本仿真采用其他優化算法提升充電效率，給予10%的獎勵分數。

表2 綜合實驗課程體系

5 結束語

本次設計采STM32F103ZET芯片作為無線充電小車的控制芯片，將LM399紅外傳感器、無線充電發射模塊、無線充電接收模塊、L298N電機驅動模塊集成在一起，使用STM32的系統框架，通過MDK5的開發調試，使得這些模塊以STM32F103ZET6芯片為核心搭建無線充電循跡小車。使小車實現了沿黑色軌跡線行駛，遇見前方障礙物自動暫停，更加快捷方便的無線充電。通過綜合實驗訓練，提高學生的動手能力和開發能力并拓展學生的創新思維。