基于物聯網的智能支架系統

摘 要：激光測距因其具有效率高、使用方便且測量速度快等優勢，被廣泛運用在多個領域。為提升激光測距儀的測量精度，使激光測距儀的使用更加智能化，設計并實現了一個基于物聯網的支架，使該支架具有輕便、易操作等特點。支架選擇28BYJ-48步進電機為主要元件，采用STM32單片機為主控模塊，能夠通過手機端藍牙發送測量角度，單片機在接收處理數據后控制ULN2003電機驅動相關模塊，使步進電機在給定的脈沖個數和速率下精準轉動，從而使支架能夠實現想要的俯仰效果。

關鍵詞：物聯網；步進電機；STM32；藍牙；激光測距；俯仰角度調節

中圖分類號：TP39；TN923 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-03

0 引 言

隨著現代科學的迅速發展，激光測距技術已被廣泛應用于諸多領域。相比傳統的接觸式測距技術，激光測距無需與被測點直接接觸，便能夠到達難以接近或危險的地點，從而在一定程度上保障了測量者的人身安全。此外，激光測距具有速度快、操作簡便、測量距離遠、精度高等優點。其原理是通過計算激光往返所需的時間來推算距離。

激光測距技術的發展源頭可以追溯到20世紀60年代，當時第一臺激光測距儀由美國人西奧多·梅曼研制成功[1]。到了20世紀70年代，隨著YAG激光器技術的成熟，激光測距雷達得到了廣泛應用[2]。中國科學家魏子卿研制的氣體激光測距儀，測程達到了20 km，經過野外測試，其性能先進且穩定，達到了國內領先水平[3]。

近年來，手持式激光測距儀因其體積小、重量輕、測量范圍廣、測速快、精度高、易于使用等優點，越來越受到歡迎[4]。然而，大多數手持式激光測距儀的研究重點仍集中在誤差測量、校準方法和性能分析等方面。為了進一步提升測量的便捷性和效率，彌補現有測量方法的不足，設計一款基于物聯網的可實現俯仰調節的支架，旨在通過其較高的靈活性來提高使用者的測量效率和測量準確性，并拓展激光測距儀的應用場景。

1 總體設計

該智能支架系統采用STM32F103RCT6單片機作為主控模塊，以步進電機為主要控制元件，通過控制步進電機的轉動實現支架的俯仰角度調節。結合物聯網技術，系統支持通過手機藍牙遠程控制支架的俯仰動作。支架硬件主要包括單片機、步進電機、電機驅動模塊、藍牙模塊和光電傳感器等部分。

單片機模塊負責協調各模塊的功能，實現數據的分析與處理；選用28BYJ-48步進電機作為支架的控制元件，通過控制脈沖數量實現支架轉動角度的精準調節；采用HC-05藍牙模塊作為系統的無線通信基礎，實現單片機與手機或其他上位機之間的連接與通信，從而支持系統的物聯網功能。該藍牙模塊具有良好的兼容性，支持遠距離和多模式傳輸[5]；ULN2003電機驅動模塊具有高放大倍數和低飽和壓降的特點，能夠輕松驅動高電流負載；PM-R25光電傳感器作為輔助模塊，具有靈敏度高、響應速度快、可靠性強等特點。系統設計框圖如圖1所示。

2 電機模塊

步進電機是一種特殊類型的電機，能夠通過控制脈沖信號實現精準的位置定位。其結構簡單、壽命長，且利用單片機控制步進電機具有成本低、使用靈活等優點。在本設計中，選擇步進電機作為支架的控制元件，以實現支架轉動角度的精準控制。28BYJ-48步進電機的工作原理是通過改變電磁鐵的電流狀態，使電磁鐵產生不同的磁場，從而推動轉子以一定的角度轉動。該電機能夠將脈沖信號轉換為角位移，當接收到一個脈沖信號時，電機會按照設定的方向轉動相應的角度[6-7]。轉動的總角度取決于脈沖的數量，而轉速則由脈沖的頻率決定，因此非常適合通過單片機進行控制。

28BYJ-48步進電機有三種工作方式：單四拍、雙四拍和八拍。單四拍和雙四拍的步距角相同，但單四拍的轉動力矩較小；八拍的步距角是前兩者的一半，因此能夠在保持較高轉動力矩的同時提高控制精度。本設計采用八拍工作方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，以實現更精確的角度控制和更高的力矩輸出。

步進電機工作原理如圖2所示，當A相通電，B、C、D不通電時，磁極A相和1、5號轉子對齊；當A、B相同時通電時，1、5號轉子就轉到A、B相中間；當B相通電，A、C、D不通電時，磁極B相和1、5號轉子對齊；當BC相同時通電時，1、5號轉子就處在B、C相中間；當C相通電，A、B、D不通電時，磁極C相和1、5號轉子對齊；當C、D相同時通電時，1、5號轉子轉到C、D相中間。其他相和轉子同理，A、B、C、D四相輪流供電，轉子也沿著A-B-C-D方向轉動，從而使電機轉動，步進角為5.625°，八拍一個輪回，八拍電機轉完一圈，即360°。

3 主控模塊

STM32F103RCT6采用的ARM Cortex-M3內核，具有高性能、低功耗、易于開發和易于集成的特點；具有高達72 MHz的工作頻率，使得它能夠快速處理各種復雜的任務和算法；擁有豐富的外設接口，包括GPIO、ADC、DAC、SPI、I2C、USART和UART等[8]。這些豐富的外設接口使得它能夠方便地與各種傳感器、執行器和外部設備進行連接和控制；再者采用了低功耗設計，使其在運行時具有較小的功耗，同時保證了芯片的穩定性和可靠性；STM32F103RCT6采用標準的HAL庫和STM32CubeMX工具，使得開發者能夠快速地進行開發和集成。此外，它還支持多種開發工具，如Keil、IAR和GCC等。

4 藍牙模塊

本設計選用ATK-HC-05藍牙模塊，通過物聯網技術實現手機端發送指令控制步進電機的轉動角度。該模塊具有良好的兼容性，支持遠距離、高速傳輸和多種傳輸模式，同時功耗低，能夠延長設備的工作時間。此外，該模塊簡單易用、成本低廉，并支持多設備同時連接。HC-05模塊的傳輸距離可達10 m左右。

HC-05是一款主從一體的藍牙模塊，默認設置為從機模式，因此在使用前需要根據需求進行主從模式配置[9]。配置步驟如下：首先準備兩個藍牙模塊，其中一個通過USB轉TTL模塊連接到筆記本電腦，另一個連接到STM32單片機。給單片機上電后，兩個藍牙模塊的LED指示燈會頻繁閃爍。接著，使用德飛萊串口調試軟件，通過AT指令將其中一個模塊設置為主機，另一個設置為從機。在波特率相同的情況下，兩個藍牙模塊即可進行配對。當LED指示燈變為有規律的閃爍（主從機一前一后或同步閃爍）時，表示配對成功。此時，將主機連接至電腦，或在手機上下載SPP藍牙串口助手，從機則連接至STM32單片機。配對成功后，即可通過藍牙模塊實現串口通信。

HC-05藍牙模塊引腳功能詳述見表1。

5 ULN2003電機驅動模塊

ULN2003芯片電路由7對達林頓晶體管組成，這是一種高耐壓、大電流的達林頓陣列。單個達林頓晶體管的集電極電流為500 mA，在并聯配置下可承受更大的電流。每對達林頓晶體管的基極都串聯了一個2.7 kΩ的電阻，可以直接與TTL或5 V CMOS裝置連接。該芯片本質上是一個功率放大器，能夠將輸入的微弱信號放大到足夠的功率，使輸出端具備較強的驅動能力，從而有效驅動負載。

ULN2003芯片具有高效率、低噪音、低發熱等特點，同時還具備保護功能。當電流或電壓過大，抑或出現欠壓情況時，該模塊能夠保護步進電機及芯片本身免受損壞，從而在一定程度上延長了它們的使用壽命，并提高了步進電機的運動性能和穩定性。由于該電機驅動模塊能夠提供穩定的電壓和電流，使步進電機能夠按照設定的方向和步數進行精準運動，因此非常適合用于步進電機的控制。

STM32單片機與驅動模塊的硬件連接：將ULN2003的IN1引腳連接到單片機的PA4，IN2連接到PA5，IN3連接到PA6，IN4連接到PA7，5 V正極接單片機VCC，負極接GND。連接如圖3所示。

6 光電傳感器

本設計采用對射型U型光電傳感器PM-R25，該傳感器具有靈敏度高、響應速度快、可靠性強等特點。其功能是當檢測到物體時，輸出一個電信號；當單片機接收到該信號后，會執行相應指令，從而控制電機做出對應的動作。

PM-R25傳感器的工作原理基于光電效應。當傳感器發出的光線照射到被檢測物體時，如果物體不透明，光線會被物體吸收或反射，導致傳感器無法接收到光信號，從而判定物體存在；如果物體透明或半透明，光線會穿過物體繼續傳播，傳感器則無法檢測到物體存在[10]。當傳感器檢測到物體時，單片機接收到信號，步進電機停止轉動；未檢測到物體時，步進電機按照指令繼續旋轉。

7 程序設計

在該智能支架系統的設計中，基于C語言使用Keil軟件進行編程，程序主要包括三個模塊：電機模塊、HC-05藍牙模塊和光電傳感器模塊。程序內容涵蓋單片機的時鐘初始化、端口初始化、各模塊的初始化及功能實現等。完成STM32單片機與各模塊的硬件連接并檢查連接無誤后給單片機上電。接著，使用ST-LINK燒錄器將編譯好的程序下載到單片機中。隨后，打開手機藍牙及SPP藍牙串口助手，搜索附近可連接的藍牙設備并進行配對。上位機通過SPP藍牙串口助手向HC-05藍牙模塊發送指令，HC-05藍牙模塊通過串口將數據傳輸給STM32單片機。單片機對接收到的指令進行分析后，驅動ULN2003模塊控制步進電機轉動，從而實現物聯網遠程控制功能。

軟件設計流程如圖4所示。

8 系統測試

在該支架的設計中，系統分為硬件和軟件兩大部分。為了驗證結果是否符合預期并查找潛在問題，從而進一步完善軟硬件設計，需對系統進行測試。測試步驟如下：

（1）硬件連接：在不接通電源的情況下，使用杜邦線將各個硬件模塊連接到單片機上，確認連接無誤后接通電源；

（2）程序下載：連接ST-LINK燒錄器，將編寫好的程序下載到單片機中；

（3）藍牙配對：打開手機上的SPP藍牙串口助手，搜索并匹配單片機上的從機藍牙，找到對應的設備名稱并完成連接；

（4）角度測試：在0°～360°范圍內，選擇0°、90°、150°、210°、270°和360°六個角度對電機進行測試，觀察電機的轉動情況是否符合預期。

測試結果見表2。

從測試結果看，本文設計的智能支架測量結果與原輸入角度存在誤差，電機的轉動響應受轉速影響，步進電機高速運轉時，慣量增加，動態響應變差，導致電機轉動的最終角度存在誤差。從測量結果看，測量誤差小于0.2%，在可接受的范圍內，本次設計的智能支架基本符合預期要求。

9 結 語

本文介紹了一種基于物聯網的智能支架系統。該智能支架可通過藍牙無線通信進行遠程操控，且具有體積小、使用方便、結構簡單等特點，能夠適應大多數應用場合，為測距儀的使用帶來便利，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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