基于STM32 的多功能WiFi 控制小車的設計與制作

何玲，陳佳偉，范鵬，孫志文，梁璄軍

（廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州， 510000）

0 引言

本文設計并制作的小車是基于STM32搭配ESP8266WiFi 模塊控制的多功能小車。 該小車以STM32F103C8T6 為主控板，搭配超聲波模塊HC-SR04、舵機模塊SG90、 電機驅動模塊TB6612FNG、直流減速電機、WiFi 模塊ESP8266、五路循跡模塊tcrt50001、降壓模塊DM02-28050016DS、溫濕度傳感器DHT11、1.8寸TFT 顯示屏。該小車具有循跡功能、避障功能、WiFi 控制功能、環境溫濕度檢測功能、顯示屏數據顯示等功能。通過Android studio 編寫安卓APP 實現TCP網絡通信，實現小車WiFi 控制以及速度控制等；小車通過五路循跡行駛模擬自動駕駛，并且能夠在遇到障礙物時進行行駛躲避；TFT 顯示屏能夠實時顯示當前小車所處的環境溫濕度、電源電壓、循跡避障狀態等實現數據交互；并且小車上搭載了電源穩壓模塊，能夠實現鋰電池的12V 穩定降壓到5V，提供給單片機以及各種外設供電工作。

1 硬件電路設計及分析

硬件電路框圖設計如圖1 所示，該多功能WiFi 控制小車采用STM32F103C8T6 做主控核心板；使用12V 可充電鋰電池供電，DM02 降壓模塊來實現12V 轉5V 提供穩定工作電壓，供后續電路使用；ATK-ESP8266 可以實現無線聯網遠距離通信控制駕駛；在小車的電機驅動上使用TB6612FEN 能夠節省小車PCB 板面積，并且更好的驅動電機無須考慮過熱等問題；使用1.8 寸的TFT 高清顯示屏實現用戶交互功能；在測距方面使用HC-SR04 超聲波測距，用于檢測前方是否有障礙物，SG90 用于旋轉超聲波方向實現多方位測距；使用五路循跡燈來模擬自動駕駛功能DHT11 實現車內溫濕度檢測。

圖1 硬件電路框圖

硬件電路原理圖如圖2 所示，該電路主要由主控核心板STM32、ADC 采樣電路、獨立按鍵電路、DC-DC 降壓模塊電路、電機驅動模塊電路、1.8 寸TFT 顯示屏、WiFi 模塊、舵機模塊、超聲波模塊等組成。基于STM32 的多功能WiFi小車使用F103 系列做芯片，根據所需外設選擇了C8T6 型號，該芯片從封裝到內存，再到外設都剛好滿足整個系統的配置需求，可以很好的利用其所有的GPIO 口及各種外設。并且模塊安裝都通過插件式安裝，只需要將引腳對準排母插上去即可，方便后續模塊損壞換新。DCDC 降壓模塊中的電源指示電路是通過輸入的5V 電源到GND 之間連接接一個分壓電阻和LED 來實現。當插上電源后，打開開關，電壓進入電路形成閉合回路指示燈就會被點亮。獨立按鍵電路中三個按鍵通過電阻實現引腳電壓上拉，電容用于按鍵濾波，這樣可以節省軟件編程中的按鍵濾波，實現按鍵硬件濾波。而ADC 采樣電路是直接使用三個電阻進行串聯分壓，將12V 電源電壓分壓到單片機ADC 外設能檢測的電壓范圍內，因此我們直接將12V 電壓通過兩個20kΩ 電阻和一個10kΩ 電阻，分壓到原來的1/5， 即2.4V 電壓，因此可以通過ADC 來讀取10kΩ 電阻上的電壓判斷當前電池的電壓，進行簡單的電壓檢測。

圖2 電路板原理圖

2 軟件設計及分析

主程序流程圖如圖3所示，多功能WiFi 智能小車的主程序從main.c 文件中的main 函數開始執行。進入main 函數后首先進入Init()初始化子函數，該函數中包括所需外設引腳的初始化函數以及GUI界面初始化布局；delay_init()函數對滴答定時器進行初始化，用于后面的延遲操作；LED_Init()、KEY_Init()、SG90_Init()、XunJi_Init()函數用于配置LED 燈、按鍵、舵機接口、循跡燈等GPIO 口的模式；USART2_Config(115200)函數配置串口2 的波特率為115200bps， 用于與ATK-ESP8266 進行通信；ESP8266_Init()函數用于向ATK-ESP8266 發送AT 指令，設置多鏈接以及開啟服務器并設置通道端口為8989；TIM1_PWM_Init(1000-1,72-1)函數用于配置定時器1 為PWM 輸出模式，重裝載值為1000，預分頻數為72，即每個脈沖周期為1ms，PMW 頻率為1kHz，用于驅動電機；Timer_SRD_Init(4999,7199)函數用于初始化定時器3 為計數模式，重裝載值為5000，預分頻數為7200，即一次中斷可計時500ms，適用于超聲波測距計時；Lcd_Init()函數用于對TFT 屏進行初始化操作；TIME4_Init(99,7199)函數用于配置定時器4 為計時模式，每10ms執行一次中短，用于產生時鐘序；ADC1_Init()函數用于配置ADC1 外設實現讀取電源電壓功能；GUI_Init()函數用于給顯示屏進行GUI界面布局顯示。在將各個外設模塊初始化完成后，進入while 主循環，在循環中執行Wave_SRD_Strat()超聲波測距函數、BZ()避障函數、Get_Temp_Humi()讀取溫濕度數據函數、Get_ADC()讀取電壓值函數、EY_Listen()按鍵監聽函數以及Get_Count()函數用于判斷功能時序是否到達。

圖3 主程序流程圖

3 功能設計及實現

■3.1 溫濕度檢測功能

溫濕度檢測功能使用單總線通信，核心板每隔200ms發送一次數據獲取，DHT11 就會將當前環境的溫濕度數值通過單總線傳輸回核心板，核心板再將獲取到的溫濕度數據通過TFT 顯示屏顯示出來。主要程序設計如圖4 所示，功能測試實現效果如圖5 所示。

圖4 溫濕度功能程序設計

圖5 溫濕度功能測試實現效果

■3.2 自動循跡功能

通過小車前面的五路循跡模塊可以使小車在黑線上循跡行駛，模擬小車的自動循跡功能。主程序中通過創建一個定時器每隔10ms 進行一次定時中斷，并在中斷服務函數中對小車的循跡燈狀態進行判斷，當循跡燈狀態表示小車不處于黑線中間時，則修改小車兩邊的輪子轉速，讓小車重新行駛回黑線中間。主要程序設計如圖6 所示，功能測試實現效果如圖7 所示。

圖6 自動循跡功能程序設計

圖7 自動循跡功能測試實現效果

■3.3 超聲波避障功能

通過超聲波傳感器測量小車前面距離障礙物的距離，再根據距離調整行駛方向躲避障礙物。當超聲波傳感器檢測到距離面前障礙物距離小于指定距離之后，小車就會停止，并轉動舵機將超聲波方向轉到左右兩邊方向，并重新進行超聲波測距，測距結束后判斷兩邊距離再重新轉向來躲避障礙物。主要程序設計如圖8 所示，功能測試實現效果如圖9所示。

圖8 超聲波避障功能程序設計

圖9 超聲波避障功能測試實現效果

■3.4 無線控制駕駛功能

通過小車上的ESP8266WiFi 模塊實現無線通信，再通過手機打開Android 程序即可實現無線控制駕駛功能。手機連接上ESP8266 發出的熱點之后，通過打開Android 并進行TCP 連接即可實現小車的無線控制駕駛功能，當前進按鍵被按下后小車收到前進指令后會向前行駛，且可以通過加減按鍵來實現小車速度控制。主要程序設計如圖10 所示，功能測試實現效果如圖11 所示。

圖10 無線控制駕駛功能程序設計

圖11 無線控制駕駛功能測試實現效果

4 結論

該多功能小車可以廣泛應用于服務業，比如常見的飯店送餐機器人，其實也是由一輛智能小車演變而來，通過在店內設計好行駛軌跡，再將飯菜放在小車上，選好餐臺號即可自動行駛到相應餐臺。也可以應用于危險場所，比如我們的生活中有一些可燃易爆的物品以及具有腐蝕性和輻射性的物品，這些物品的寄存之地通常都是比較危險的，運用AGV 小車來進行轉移，能夠降低人工轉移過程中發生意外風險的概率，能更好地維護員工的生命安全。其創新性體現在通過Android Studio 編寫Android 程序，生成sdk 安裝在手機上，打開手機WiFi 功能選擇智能小車上的ESP8266發出的WiFi 熱點進行連接，從而與小車搭建通信通道，即可實現手機遠程控制駕駛。通過上面的連接按鍵點擊連接與WiFi 熱點搭建sokect 通信，連接成功后即可通過+、-按鍵調節小車速度，再通過下面的方向鍵控制小車行駛。