基于STM32智能板擦机器人的研究与设计

基于STM32智能板擦机器人的研究与设计

摘要目前，智能家居、人工智能技术已经渗透我们生活中的方方面面，在广电、银行、电信、家居、教育等方面都有很大的发展和突破。为此，研究出一种具有粉尘识别的智能黑板擦，以STM32单片机为其控制中心，设计板擦机器人识别粉尘、自由移动各个控制系统的有效结合，并通过STM32单片机输入的脉冲PWN波的不同加速度来控制板擦的上下、左右前进后退的动作。本项目可以很好地延伸到其他相关方面，涉及日常生活中的很多领域，有一定的实际应用价值。

关键词服务机器人；自控；识别；STM32

前言

随着人工智能时代的到来，各行各业都离不开互联网产业。互联网向传统行业渗透，实质是传统行业需要互联网。教育行业是最具有传统行业的代表之一，然而粉笔是传播文化的工具，人类几千年文化的积淀通过粉笔相传，而粉尘灰长期会引起人体皮肤、呼吸道等身体的不适，故对自动运转的板擦机器人的需求日益明显。因此本文设计了一种STM32智能板擦机器人，有明显的粉尘传感器、采集电路、四轮驱动机构，利用粉尘传感器实现定位，利用电机正反转原理控制板擦的上下左右的移动，实现全自动擦黑板功能，进而很好地避免了对教师身体健康的影响。

1 总体设计方案

智能板擦机器人可以完成教室中人工的擦黑板的系列动作，通过机器的上下左右运动来完成黑板的擦拭，以STM32控制器为核心。本设计的机械本体由中间运动平台、主支撑平台构和线路系统控制系构成。其中中间运动平台主要由2根光轴、2块亚克力中间盖板及直线轴承和单边法兰轴承搭建；主支撑平台用2块不同的亚克力板和若干螺丝分别固定步进电机和铝合金到相应的槽口位置；线路装置由1块主板2个A4988驱动及其与配件构成，且本设备提供12V直流电作驱动控制系统[1]。

2 硬件控制系统设计

2.1 STM32简介

STM32C5616AD微控制器作为整个控制系统的核心，它是一种高性能、宽电压、低功耗、成本低的嵌入式处理器。工作频率在0—35MH之间，有外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据保存进EEPROM，并进行外部中断唤醒（可支持下降沿/上升沿和远程唤醒），内置Flash程序存储器可达62K、4个16位定时器，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用，并且可以使用Keil软件利用C进行编程，不需要操作系统，下图为最小系统电

路图电路图，如图1所示[2]。

2.2 控制系统原理

根据A4988芯片的工作原理，控制器电路主要分为上位机串口模块、STM32最小系统板模块和A4988微型步进电机驱动模块。通过STM32C5616AD控制器接收上位机的控制指令，经识别分析之后执行步进电机控制操作。内部步进电机驱动控制器总体设计框图如图2所示[3]。

2.3 电机驱动原理

A4988是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。它可在全、半、1/4、1/8 及1/16 步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35 V 及±1 A。A4988 包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器是A4988 易于实施的关键。A4988界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。在微步运行时，A4988 内的斩波控制可自动选择电流衰减模式（慢或混合）。通过测试，影响步进电机转速的主要因素有步进脉冲频率和模式设置。步进脉冲频率过高会造成步进电机失步，经过测试400 Hz时步进电机不会失步，且经过设置之后步进电机旋转不会出现强烈的震动和声音。当相位越来越小时，步进电机的旋转速度也会随之越来越小。表1即为步进模式设置表[4]。

3 软件系统设计

板擦机器人是利用KEIL编程软件编写的，KEIL能兼容ANSI标准的语言编程，使用接近于传统C语言的语法来开发，与汇编相比，C语言易学易用，且大大提高了工作效率和项目开发周期，并可嵌入汇编。这个集成开发环境包括：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。在这个平台中能够执行并实施“文件的编辑”和“工程的构建”，并自动生成“hex”格式的文件在单片机中运行和在Protrus软件中实现仿真等功能[5]。

4 系统实验结果

完成板擦机器人的编程后，对机器人进行了左右、摆动、步行前进后退进行测试，实现了通过参数的调整向机器人发送指令做出相应动作的功能。例如发射信号①$0=10 （step pulse，usec）

可调控步进脉冲，发射信号②$110=3000.000 （x max rate，mm/min）可調制最大速度，机器人会正确的根据收到的信号做出相应的动作，达到了软件控制机器人自动做出不同动作的目的[6]。

5 结束语

基于STM32的智能板擦机器人是一款将粉尘识别与课堂情况相结合的设

计！采用自动识别系统，在传统黑板擦的基础上加以改进。以STM32C5616AD 单片机为核心控制器，运用了STM32、A4988以及电机所需的电源稳定供电、电源调节问题！本机的主要特点在于其不依靠外附加固定装置，其本身外设结构简单；可自动识别粉笔灰，准确定位；四轮驱动，运动灵活；有效的吸尘，方便清洁；机构零件容易获得，安装调试方便；单片机控制，提高工作效率。

参考文献

[1] 郭志阳，陈学英.STM32的医疗康复机器人手臂控制系统[J].单片机嵌入式系统应用，2015，15（12）：67-69.

[2] 周继.基于PID算法和STM32的分拣搬运机器人的设计[J].仪表技术与传感器，2017，（4）：123-126.

[3] 卢士林.基于STM32双足竞步机器人的研究与设计[J].智能计算机与应用，2016，（6）：106-108.

[4] 郑新.基于STM32和树莓派的四足人形机器人系统[J].中国科技信息，2016，（23）：65-67.

[5] 王春荣.基于STM32的智能答疑机器人设计[J].三明学院学报，2016，（33）：68-71.

[6] 蓝杰.基于STM32的微型步进电机驱动控制设计[J].微型机与应用，2015，（1）：43-46.