基于STM的智能服务型多功能多足机器人

黄晓运 田学友 杨涛 汪语哲 冉春秋

【摘 要】论文介绍了基于STM32单片机的智能服务型多功能多足机器人的设计和制作。采用STM32作为控制核心，通过对语音模块、显示屏模块、光照度传感器、烟雾传感器、红外遥控模块以及伺服电机等的控制，设计制作多功能型机器人。通过语音模块控制机器人的执行动作，也可通过观察显示屏模块显示检测的变量而命令机器人提供相应的服务。使用太阳能为整个系统供电。为了人类的安全并使设计更加完善，本设计还加入了防盗报警系统。

【Abstract】The paper introduces the design and fabrication of multifunction multi-legged robot of intelligent service based on the STM32 singlechip. Using STM32 as the control core， the multifunction robot is designed and manufactured by controlling the speech module， display module， illuminance sensor， smoke sensor， infrared remote control module and servo motor and so on. The robot can be controlled by the voice module， and the robot can be ordered to provide the corresponding service by observing the variables detected by the display screen module. Using solar energy to supply the whole system. In order to ensure the human security and perfect the design， this design also adds alarm system.

【关键词】STM32单片机；传感器；多足机器人

【Keywords】STM32 singlechip； sensor； multi-legged robot

【中图分类号】TP242 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）06-0143-02

1 引言

面对科技迅速发展的当今社会，所谓的高科技还未真正解决那些弱势群体的生活问题：空巢老人缺少子女的陪伴，日常生活需要有人照顾；盲人出行时需要靠外界传递导航信息等。考虑到这些细节，我们由此引发了设计理念：设计一款多功能的服务型多足机器人，在那些弱势人群需要帮助时及时做出相应的救援措施，以及陪伴他们的日常生活，做他们的贴身小管家。此款机器人利用STM32单片机作为核心控制单元，结合多种传感器以及舵机实现它的多功能工作状态，在轻便小巧的外型下蕴涵多种智能服务模式。服务型机器人可以根据人类的意愿来执行任务

如今空巢老人的生活问题已经非常严重，无人陪伴使得他们的安全极其令人担忧。残障人士的生活不便，也成为人人担忧的社会问题。此款机器人不但可以成为老人们忠实的伙伴，还可以依照他们的需求，做一些诸如打扫卫生、生活小提醒等服务，可以很好地满足他们生活中的需求；还可以在他们遇到危险时展开紧急救援；本设计安装了红外报警系统，保护了个人安全。同时整个系统利用太阳能电池板作为能源提供装置，不仅可以实现整个系统的持续运转，更能起到节约能源以及绿色环保的作用。

2 总体设计

2.1系统方案分析

硬件方面采用STM32单片机作为控制器，芯片采用型号为STM32F103ZET6型芯片。通过伺服电机、光照度传感器、语音模块、烟雾传感器等实现对机器人的控制，并且将需要的数据在TFT彩屏上显示。程序设计开发使用常用的STM32系列开发软件Keil5。使用2.8寸TFT彩屏显示有效数据。整个软件划分为若干模块，分别调试，最后集成。综合考虑此方案可行。

2.2 设计不足及解决方法

傳统的8位51单片机没有足够的中断，处理能力也相对较差，无法驱动多个传感器。为了达到设计需要，选择了32位的STM32F103ZET6单片机[1]，但增加了开发成本。在此次设计制作中完全可以使用成本较低、性能较差的STM32F103C8T6型芯片，更为廉价的也可以。在为机器人提供动力方面，我们综合多个方面最终决定使用伺服电机，此电机价格昂贵，但我们经测试发现很适合机器人的结构，并便于拆装。由于是购买的开发板，很多外设并没有实际作用，这在无形中就造成了浪费，不利于推广生产。在之后的设计制作中应该注意这些问题，并且有效解决。

3 系统功能分析

3.1 主控芯片STM32F103ZET6介绍

开发板选择的是STM32F103ZET6作为MCU，该芯片是STM32F1系列里配置最强大的。该芯片的配置也十分强悍，并且还带外部总线（FSMC）可以用来外扩SRAM和连接LCD等，通过FSMC驱动LCD，可以显著提高 LCD 的刷屏速度[2]。配置完全符合需求，可以实现多传感器多中断的综合控制。

3.2 太阳能供电系统

使用20W的家用小型太阳能发电系统，配合12V12AH的蓄电池，在正常情况下完全满足供电需求。即使是在晚上或是阴雨天没有光照的情况下，系统也能通过蓄电池供电正常运转12个小时以上[3]。这也是此设计制作的创新点之一，使整个系统实现了“0”碳排放，非常符合现在的节能减排需求。

3.3 语音控制模块

该模块主要由LD3320语音识别模块和STM32最小系统构成。LD3320芯片是一款“语音识别”专用芯片，本芯片在设计上注重节能与高效，不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。

3.4 人体红外报警系统

自制红外报警系统。使用人体红外感应传感器HC-SR501检测是否有人通过，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。可以根据需要调整检测范围的大小。连接蜂鸣器电路，如果有人从窗户进入会及时报警；当人们单独出行，在偏僻黑暗的地方也可以随时警告周围是否有可疑人物出现。

3.5 光照度传感器

使用光照强度传感器BH1750FVI检测光照强度，通过观察返回给显示屏的数据，可以起到对人们的日常生活提供穿衣出行的提醒作用。比如设定当照度值大于10000Lx时，光照过强，则语音模块便会提示：不宜外出；当照度小于5000Lx时，光照合适，机器人便会提醒人们适当外出活动[4]。因每个人的偏爱不同，通过程序可以修改响应的数值来达到最适合自己的需求。

3.6 烟雾报警模块

传感器连接蜂鸣器和伺服电机，[5]当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平，经过电路放大以及经过电平转换使蜂鸣器报警。通过蜂鸣器报警能叫醒深夜沉睡的人们，使他们及时地做出急救措施从而保障了生命安全。

3.7 电机驱动模块

我们使用16路舵机控制模块，来驱动16个伺服电机。可通过上位机软件控制驱动板从而改变舵机的正反转，也可调节PWM信号的占空比改变电机的转速。

3.8 红外遥控模块

通过红外遥控器控制机器人的开关，执行指令动作，提高了系统的可操作性，也使得整个设计制作更加人性化。红外遥控器的感应范围为10米左右，实现了远程无线控制。

3.9 TFT彩屏显示

使用常见的2.8寸有源矩阵类型液晶显示器TFT-LCD（薄膜场效应晶体管 LCD）作为显示设备。显示的物理量为室内气体浓度、光照强度、太阳能供电系统的电量，给人一种直观的感觉，尽可能为人们的生活提供照顾。

4 系统程序设计

整个系统可以自动运行也可以通过遥控器手动控制，遥控器控制的优先级大于自动控制。具体实现过程在 Keil5软件中编写 C语言程序来实现。

多足机器人的设计既要满足设定的功能（完成人机对话，执行指令等）的程序，也要有对各个传感器采集的外界数据进行分析的程序。其中，传感器数据采集程序的主要作用是实时响应来自外界环境的各种信息，按信息的类别，优先级进行处理。由于控制的传感器较多，还需要相互的配合，在中断嵌套的情况下程序运行很容易出错，当系统不正常工作时需要手动复位来重启整个程序。在程序编写中遇到了很多的问题，经过努力解决了一些，基本的功能已经实现，但还是有很多问题没有解决。

5 结论

智能窗的出现对提升人们的生活品质有着非常重要的意义，传统的家居正逐步被智能家居所取代。文章提出基于STM32单片机控制及传感器综合运用的服务型机器人的设计制作方案， 对智能窗控制系统的工作原理、硬件结构和系统设计等进行了详细说明。主要特点在于功能实用、操作简单、易于安装。针对人们的需要对机器人进行控制。今后可在技术水平、可靠性和成本降低方面进一步改进和完善。

【参考文献】

【1】《单片机与嵌入式系统应用》编辑部.8位单片机是否将被32位单片机替代[J].单片机与嵌入式应用，2015（1）：1-2.

【2】張洋，严汉宇，刘军.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013（12）：45-56.

【3】程言哲，张文理，佘宝琛，等.太阳能电池板发电效率的实验研究[J].自动化技术与应用，2014（02）：10-12.

【4】王东，莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系统设计[J].重庆理工大学学报（自然科学），2016（06）：135-142.