基于STM32的无线充电小车综合实验设计

王 一，关 月

（贵州大学大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025）

20世纪80年代美国就开始了对自动驾驶的研究，美国机动车工程学会还提出了Society of Automotive Engineers (SAE)智能汽车等级划分标准[1]。现如今许多国家已经允许车辆在无人驾驶状态下在道路上进行和研究[2-3]。我国汽车工业的起步晚，不完善[4]，但是随着国内经济产业的发展，国内踊跃出了一大批国产品牌发展智能汽车。随着机器人的研究更加深入，机器人的智能化和集成化越来越高，而智能小车这种滚轮式移动机器人是智能机器人里面很重要的一个类型[5]。大多需要移动的智能机器人都是滚轮式移动的，而有别于传统充电的无线充电可以使得智能小车更加智能，通过程序的编写使其告别需要人工进行充电的尴尬境地，拥有车自动循迹避障、自动充电、自动控制的智能小车是智能机器人的典型代表。

结合本科生单片机、数模电等专业课程内容，本次综合实验的无线充电小车主要完成无线充电和循迹功能，从设计到最终制作均强调学生对专业知识的运用，提高学生的动手能力和协作能力。

1 系统硬件方案设计

1.1 整体硬件设计

小车的主体由一块亚克力板、两个定向轮、一个万向轮和其他诸多模块组成，这样的结构保证了小车的主体稳定和轻便。这些模块具体分为三个部分：供电组的无线充电器和可充电电池；核心组的STM32F103ZET6核心板[6-7]、L298N电机驱动模块和红外循迹模块；轮子组的电机和轮子。具体连接电路如图1所示。

图1 硬件连接图

1.2 循迹避障方案

实验主要完成小车在对现有黑色路线的循迹，而红外传感器的特性能够完美地识别黑色和其他颜色，从而可以通过红外传感器来实现小车的循迹功能。红外传感器同时也可以完成小车的避障任务，本设计将使用三个红外探头，因为在红外线循迹时三个红外探头不可能同时检测到同一颜色信号，而当小车遇见障碍物时，三个红外探头将会反射出相同的信号，利用上述特性，红外传感器同时也可完成避障功能。其中，红外探头由一个红外发光二极管和一个红外光敏二极管组成。而红外控制板电路中有可调电阻来控制红外探头的灵敏度，从而实现小车在不同光度的环境中能够寻迹避障，电路中还有比较器LM339，其的目的是使模拟量转化为开关量，方便数据传输使用。

1.3 无线充电方案

无线充电小车的智能化中很重要的一点就是无线充电，无线充电告别了传统的有线充电模式，使得小车充电时不再烦琐地需要工人插入电源，无线充电功能的接入还可以探索小车没电时的自动充电功能。采用的无线充电模块分为接收器和发射器两个部分，且为电磁感应式无线充电，利用了电磁感应原理。其中发射器部分主要是通过耦合变压器电路控制电流转换成电磁波，而接收线圈便会在交变磁场中产生对应的交变电流，再通过整流电路，最终得到所需要的直流电[8]。根据实验需求选择了HW-255无线发射模块，该发射模块可兼容WPC标准的无线接收器、支持最大12 W充电功率、支持异物检测等功能，又集成了一个色彩LED灯用于显示充电状态，接口方便，便于使用，无线充电的接收端采用TI主控芯片的BQ51013B无线接收模块，该模块支持Qi无线充电标准，输出功率为12 W，使用方面稳定可靠。

2 系统的程序设计

2.1 主程序设计

控制模块主程序流程图如图2所示，主要用于小车的总体控制，组合各个子程序模块，实现小车的功能整合。在初始化各个变量后，读取红外传感器模块信号，进入模式判断子程序，判断所要进入的模式。主要模式有：道路障碍模式，道路偏离模式，停止“动作”模式。再进入各个模式之后，单片机将对各个模式所发出的电机控制指令进行操作，通过PWM电机控制程序控制电机的行动，从而控制小车的运行。

图2 控制模块主程序流程图

针对红外循迹模块，采用LM339使用库程序来设置红外模块[9]。当红外传感器感应到不同的颜色时，就会获得不同的信号，这个时候LM339就会控制红外感应器板上面的LED闪烁，并将感应到的信号输入到STM32单片机上，STM32单片机对接受到的信号进行处理，如果信号的输入值与原先编写好的运行程序相匹配，单片机就会发出不同的指令来驱动小车上的两个直流电机完成不用的动作，如左转、右转、直行、停止等，从而实现小车的循迹和避障功能。

3 调试与分析

实验的考核针对本所提出的小车的无线充电功能、循迹避障功能等功能需求，对小车的实际功能进行调试和分析，确保前面所提出的要求能如实、稳定完成。具体测试过程如下。

3.1 硬件电路的连接

系统的硬件电路测试主要是针对系统每个模块之间的通信状态，各个元器件的连接正常和系统硬件的好坏等。首先需要保证每个焊接连接的元器件没有失效，模块中的元器件没有出现虚焊或者错焊，其次保证每个大模块之间的连接没有断开，同时保证电源与相关元器件之间的供电连接的正负级连接正确，避免可能出现的短路问题。在所有的元器件连接、焊接完成后，对每个元器件进行供电静态测试，排除元器件故障损坏可能。小车接线图如图3所示。

图3 小车接线图

3.2 红外循迹与避障测试

本设计采用的红外传感器可以连接四个红外探头，红外探头与传感器核心板之间用导线连接，在进行红外测试前需检测导线是否连接正确、是否存在松动，检测硬件连接没有问题后，接入电源测试使用到的三个红外探头是否能正确工作，传感器核心板上右LED灯可以显示红外探头的工作状态。最终测试小车在黑线上的循迹状态，和遇见障碍物时的小车状态。测试结果如表1所示。

表1 红外循迹与避障记录

3.3 小车充电时间测试

对于无线充电小车而言，其电池充电时长是非常重要的性能指标。本设计里采用的是12 V/1 200 mAh的大容量锂电池，而无线充电功率为12 W，充电电流为1 A，但是充电过程中不会一直都保存最大充电电流，充电时间应该乘以系数1.3，所以理论充电时长为1.5 h。在无线充电的实际过程中，除了充电电路本身会有损耗，发射线圈和接收线圈的位置和距离同样会影响充电效率，经过多次实际测量和计算，最终测试得出实际平均无线充电时间为2 h。

4 综合实验的教学应用

在教学中，对理论知识模块，要求阐明充电小车的基本电路结构，同时对无线充放电原理进行描述，巩固学生专业理论基础。结合焊接、单片机开发训练，增强学生理论知识的实践应用转换能力。该课程属于实践教学性质，教学任务可规划在32个课时左右。具体课程体系如表3所示。

课程考核以学生测试结果的验证为主。要求结果以报告和实物形式体现，报告应包含电路分析、过程、结果、团队分工及贡献等内容，此项内容占综合成绩50%。指导老师根据学生报告及成果展示表现，对学生成绩进行综合评估，评估成绩占40%。最后，为鼓励学生发挥自主性，基于本仿真采用其他优化算法提升充电效率，给予10%的奖励分数。

表2 综合实验课程体系

5 结束语

本次设计采STM32F103ZET芯片作为无线充电小车的控制芯片，将LM399红外传感器、无线充电发射模块、无线充电接收模块、L298N电机驱动模块集成在一起，使用STM32的系统框架，通过MDK5的开发调试，使得这些模块以STM32F103ZET6芯片为核心搭建无线充电循迹小车。使小车实现了沿黑色轨迹线行驶，遇见前方障碍物自动暂停，更加快捷方便的无线充电。通过综合实验训练，提高学生的动手能力和开发能力并拓展学生的创新思维。