基于STM32的氣墊懸浮車系統(tǒng)設(shè)計

邱萌萌，劉瑞，徐林，陳俊

（安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程學院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)的日益發(fā)展，尤其是航天、船舶、電子、運輸業(yè)的不斷進步，裝備制造行業(yè)對氣墊承載系統(tǒng)的需求顯得格外重要，本文設(shè)計并制作完成具有懸浮技術(shù)的可尋跡氣墊懸浮車，對電動小車可實現(xiàn)懸浮移動、超聲波避障、語音模塊等功能。

1 氣墊懸浮車硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由STM32F103ZE 單片機、語音模塊、路面引導模塊、避障模塊、電機驅(qū)動模塊、高速軸流風機、高速軸流風機（氣墊效應(yīng)）、電源模塊等組成。氣墊懸浮車系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 氣墊懸浮車系統(tǒng)框圖

1.2 氣墊懸浮車系統(tǒng)硬件模塊的選定

1.2.1 主控制器模塊

方案一：主控采用STM32F103ZET6 單片機。優(yōu)點：除了新增功能增強外設(shè)接口外，STM32互聯(lián)絡(luò)列還提供與其他STM32單片機相同的規(guī)范接口[1]。這種外圍通用性提高了整個產(chǎn)品系列的應(yīng)用靈敏性，使開發(fā)人員能夠在多個設(shè)計中反復使用相同的軟件。新STM32 的規(guī)范外設(shè)包括10 個定時器、兩個12 位1-msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（交織模式下2-msample/s)、兩個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩個I2C 接口、5 個USART 接口和三個SPI 端口。新產(chǎn)品的外設(shè)有12個DMA通道和一個CRC 計算單元。與其他STM32 微控制器一樣，它支持96 位唯一識別碼。缺點：STM32 是運行指令的，合適運行算法，但對于多路信號處理，需要很多DSP進行并行處理。

方案二：主控采用K210。優(yōu)點：1) 乘除法指令，給單片機開發(fā)者的編程工作帶來了很大的便利。很多的8位單片機并不具備乘法相應(yīng)功能，如需作乘法功能，還需要編輯出一段調(diào)用程序，非常不便。2)在RAM區(qū)域中能夠開辟一個雙重功能的地址區(qū)間，能夠靈活使用，給單片機開發(fā)工程師帶來了極大的便利。3) 操作系統(tǒng)是一整套完整的軟硬件組合，又稱作為“位處理器”。處理的對象是位而不是字節(jié)，能夠?qū)纹瑱C內(nèi)部的寄存器中的傳送、測試、清零、位置等數(shù)據(jù)進行處理，且還具備對位的邏輯運算功能。缺點：需要增加外圍功能，例AD/EEPROM/PWM 等擴展功能，會增加硬件與軟件的開發(fā)難度;I/O 口在高電平時無法輸出。

結(jié)合考慮功耗、精度等因素，本系統(tǒng)采用方案一。最小系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)原理圖

1.2.2 語音模塊

方案一：LU—asr01。優(yōu)點：1) 10 米超遠距離喚醒。2)98%超高識別率。3)最多自定義5個喚醒詞，100個識別詞。4)一鍵燒錄功能，無需任何下載器，一根USB線直接燒錄。5)自帶3W 功放，可外接4Ω/3W揚聲器。缺點：需要制作平臺，需要不斷地調(diào)試[2]。

方案二：JR6001 語音播放模塊優(yōu)點：自帶USB 接口，能夠靈活地更換SPI內(nèi)的語音形式，相對傳統(tǒng)芯片無需連接上位機更替語音。缺點：需要成熟的指令及職業(yè)的配套上位機[3]。

綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點，選擇方案一，LU—asr01實物圖如圖3所示。

圖3 LU—asr01 實物圖

1.2.3 尋跡模塊

方案一：TCRT5000紅外尋跡。優(yōu)點：只用于接收信號，較小的功耗，性價比很高。缺點：1)易受不同熱源和太陽光源干擾。2)容易被其他信號源干擾。3)器件靈敏度會受到環(huán)境溫度影響，較差的環(huán)境可能會出現(xiàn)失靈狀況[4]。

方案二：PID 攝像頭尋跡模塊。優(yōu)點：作用距離遠，檢測精度高，范圍廣，可靠性好，基本不會出現(xiàn)檢測不到軌跡的狀態(tài)。缺點：抗干擾能力弱，易被光源干擾，采集數(shù)據(jù)較大，需要占有MCU的大量資源。

綜合考慮循跡的性價比、重量等，采用方案一。電路圖如圖4所示。

圖4 TCRT5000電路圖

1.2.4 避障模塊

方案一：HC—SR04超聲波模塊。優(yōu)點：通過超聲波實現(xiàn)距離檢測，檢測頻率高，方向性好，尤其對固體、液體檢測靈敏度高，穿透能力強[5]。

缺點：超聲波傳感器易受其他接近頻率的影響，但其他機器也會發(fā)出這樣的頻率噪聲，引起傳感器接收到錯誤的信號。且多個超聲波傳感器之間的發(fā)射和接收信號會相互交叉干擾。

方案二：DADISICK激光避障模塊。優(yōu)點：激光雷達具有分辨率高、隱蔽性好等優(yōu)勢。其工作原理是向目標物體發(fā)送探測信號（激光束），將目標發(fā)射回來的信號（目標回波）與發(fā)射信號進行比較，進行相關(guān)處理并獲取目標的準確信息（目標距離、方位、高度及速度等參數(shù)），從而對目標進行探測、識別等。缺點：成本太高，檢測時忽略遠處的小物體，存在識別盲區(qū)。

綜合考慮采用方案一，更適合本設(shè)計的選用。超聲波避障原理如圖5所示。

圖5 HC—SR04超聲波避障原理圖

1.2.5 高速軸流風機（動力風機）

方案一：CZ3457 高速軸流風機優(yōu)點：它是經(jīng)過渦輪型的散框多荊條改變風方向，同時這個荊條是弧形狀的，經(jīng)過軟件設(shè)計模擬，使風扇的風呈螺旋式的吹出，從而達到了方向成直線，它的特點是負壓大，吹得遠。缺點：負壓大，吹得遠，但是噪聲、功率大一些[6]。

方案二：步進電機優(yōu)點：應(yīng)用簡單，無需調(diào)試參數(shù)，性價比高。

缺點：有矩頻特性，運行速度不能太高，開環(huán)控制，出現(xiàn)丟步時無法及時檢測。

綜合考慮采用方案一,能夠提供足夠的動力使車體懸浮。高速軸流風機實物圖如圖6所示。

圖6 CZ3457高速軸流風機實物圖

1.2.6 高速軸流風機（氣墊效應(yīng)）

方案一：AFB1224SHE 臺達軸流風機，優(yōu)點：體積小，內(nèi)部風葉可改變角度，用于降低負荷。缺點：風壓不高，內(nèi)部風葉角度的改變較為復雜，維護復雜，相對工作效率不高。實物圖如圖7所示。

圖7 AFB1224SHE臺達軸流風機實物圖

方案二：泰陽直流風機

優(yōu)點：具有高智能、高節(jié)能、高效率、壽命長、振動小、噪聲低以及可連續(xù)不間斷工作等特點，損耗小效率高。低音運轉(zhuǎn)、安靜無塵，EC風機在降噪方面具有明顯優(yōu)勢，相比普通風機，帶來潔凈的同時無噪聲困擾。缺點:EC風機制造比較貴、后期維護復雜。

綜合考慮采用方案一，可帶來足夠的動力。

1.2.7 電池模塊

方案一：普通鋰電池。優(yōu)點：鋰電池電壓高，能量比比較高具有高儲存能量密度；重量輕，高低溫適應(yīng)性強；綠色環(huán)保。缺點：鋰電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險；鋰電池均需保護線路，防止電池被過充過放電。由于有Type-C接口可采用移動電源供電。

方案二：航模鋰電池。優(yōu)點：我們選用的電池有高達2200ma的容量，安全性能良好；重量輕；大容量；更好的放電特性。

綜合考慮采用方案二。

1.2.8 直流調(diào)壓器模塊

方案一：8XL4016EL 直流調(diào)壓器模塊。優(yōu)點：具有多種電壓、電流控制模式，不僅可以自動控制，而且具備手動調(diào)節(jié)控制，輸出電壓線性可調(diào)，精度高，抗干擾能力很強。缺點：體積大，笨重且效率較低。

方案二：XL6019可調(diào)升壓電源模塊。優(yōu)點：小體積高可靠性輸出穩(wěn)定化，精度±3%，高性能價格比，內(nèi)置多個輸入輸出電壓，輸入濾波器，低電磁兼容特性。缺點：輸出調(diào)節(jié)精度低，電感值過小，存儲能量不足，導致電壓升不上去，電感值過大，導致負載響應(yīng)速度變慢，因此，電感需要選擇合適的值。

綜合考慮采用方案一，符合輸出調(diào)節(jié)高精度要求。直流調(diào)壓器模塊電路圖如圖8所示。

圖8 8×l4016e1直流調(diào)壓器模塊電路圖

1.2.9 電機驅(qū)動模塊

方案一：L298N 電機驅(qū)動模塊。優(yōu)點：工作電壓高、輸出電流大、驅(qū)動能力強、發(fā)熱量低、抗干擾能力強。缺點：發(fā)熱量比較大。

方案二：TBB6612FNG 電機驅(qū)動模塊。優(yōu)點：具有高效的電流控制能力，可以實現(xiàn)高速和高精度的電機控制；具有過熱保護和過流保護功能，可以保護電機和驅(qū)動器的安全；具有多種控制模式，可以滿足不同應(yīng)用場景的需求。缺點：輸出電流有限不能控制大功率電機。需要外部電源供電，增加了電路設(shè)計的復雜度，需要一些軟件編程。

綜合考慮采用方案一，上手簡單性價比高。L298N電機驅(qū)動模塊實物圖如圖9所示。

圖9 L298N電機驅(qū)動模塊實物圖

2 軟件設(shè)計

2.1 程序功能描述

功能描述：

1) 在圖10 所示測試賽道上不擺放障礙物，將氣墊懸浮車放在啟/停點上一鍵啟動后，氣墊懸浮車能在啟/停點緩慢升起，懸浮高度大于2mm，懸停時間大于2s。2) 氣墊懸浮車由啟/停點出發(fā)，沿測試賽道逆時針方向完成尋跡運行一周后，停在啟/停點上。要求運行時間小于180s，超時停止測試。3)完成氣墊懸浮車在標識線A與標識線B之間往返運行控制，氣墊懸浮車由A點沿測試賽道逆時針方向出發(fā)，到達B后返回到A，再由A折返到B，最終停在啟/停點上。要求運行時間小于120s，超時停止測試。

圖10 賽道圖

2.2 程序流程圖

氣墊懸浮車控制系統(tǒng)由12V的航模鋰電池供電，由于使用過程中電池電壓衰減，因此加了升壓模塊穩(wěn)定輸出12V，系統(tǒng)一上電，單片機和高速軸流風機（氣墊懸浮）同時得電，同時單片機上電后，對應(yīng)的語音模塊、紅外掃描尋跡模塊、OLED 顯示模塊、超聲避障模塊等得電工作，紅外傳感器掃描賽道獲取信號值，單片機經(jīng)計算處理開始尋跡功能，超聲避障模塊啟動同時實時監(jiān)控前方是否有障礙物，從而進行避障功能；在尋跡過程實時狀態(tài)，由OLED屏進行顯示，并通過語音模塊進行播報。其流程圖如圖11所示。

圖11 程序設(shè)計流程圖

2.3 程序設(shè)計

系統(tǒng)部分功能程序設(shè)計如圖12所示。

圖12 程序設(shè)計

3 測試方案與測試結(jié)果

3.1 測試方案

1)硬件測試

將焊接好的電路，使用學生電源，精密萬用表，函數(shù)發(fā)生器示波器等工具先分別單獨測試模塊功能，達到效果以后，再連接各個模塊進行調(diào)試。

2)軟件仿真測試

使用NI Multism14.0,繪制系統(tǒng)的電路圖，并且進行仿真。

3)硬件軟件聯(lián)調(diào)

把系統(tǒng)控制程序燒錄到STM32F103ZE 單片機中，再在結(jié)合硬件測試部分操作檢查測試結(jié)果是否達到題目要求。

3.2 測試結(jié)果及分析

3.2.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

進行測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

3.2.2 測試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，能做到在設(shè)定時間內(nèi)可完成懸浮高度及避障要求，由此可以得出以下結(jié)論：

1)能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮效果。

2)運行時間在范圍內(nèi)。

3)折返跑不超過設(shè)計要求。

綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求，具有較好的應(yīng)用價值。