PAGE\*Arabic2PAGE倉庫安全監(jiān)測小車系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29733倉庫安全監(jiān)測小車系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例 2298741.1監(jiān)測小車設(shè)計需求分析 2217761.2監(jiān)測移動小車整體設(shè)計 4230631.2.1移動小車主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 4133281.2.2移動小車主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 563121.3硬件系統(tǒng)設(shè)計 6190211.3.1硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計 6128701.3.2微處理器選擇 7291991.3.3電源模塊設(shè)計 8164541.3.4安全監(jiān)測模塊設(shè)計 838101.3.5驅(qū)動模塊設(shè)計 1044751.3.6循跡檢測障礙模塊設(shè)計 11122471.3.7OLED顯示模塊設(shè)計 13199661.3.8報警模塊設(shè)計 13監(jiān)測小車設(shè)計需求分析大門A儲存區(qū)大門A儲存區(qū)B儲存區(qū)入貨區(qū)管理室出貨區(qū)大門圖3-1某大型倉庫平面布局圖如圖3-1所示的大型倉庫平面布局圖，由于存儲量大，面積大，容易產(chǎn)生各種安全隱患，因此，大庫的安全監(jiān)控非常重要，目前安全監(jiān)控主要采用人工定點監(jiān)控和固定傳感器，但人工定點監(jiān)控的監(jiān)控效率低，人工成本高，實時數(shù)據(jù)差，操作方便，人為因素，導(dǎo)致了較大的監(jiān)控誤差，但在采用固定傳感器連續(xù)在線監(jiān)控的情況下，由于倉庫部分區(qū)域堆積密度大，倉儲物流動性大，使傳感器的固定和布線不符合大型軸承的實際需要，如果傳感器安裝在軸承的頂架上，地面信息難以準(zhǔn)確監(jiān)測，存在一定的監(jiān)測死角；如果傳感器固定在地面附近，貨物的頻繁運輸很容易損壞。另外，由于倉儲面積大，布局面積也很廣，投入成本也很高，因此，本文提出利用移動小車對大型倉庫進(jìn)行安全監(jiān)控ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[24]。由于該倉庫用于存放一般物流貨物，對環(huán)境溫濕度要求不高，但由于存放貨物種類多，價值越大，為避免因高溫、高濕而引起的火災(zāi)和貨物腐爛，為了保證工人在儲存環(huán)境中的安全，有必要對環(huán)境中的溫度、濕度進(jìn)行正常監(jiān)測，并對氣體和煙氣的濃度進(jìn)行實時監(jiān)測。為了解決這個難題，本文設(shè)計了一個倉儲安全監(jiān)測移動小車，如圖3-2所示，該小車巡線行駛，在A儲存區(qū)和B儲存區(qū)各安排一個監(jiān)測小車，在A儲存區(qū)整體路徑為A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K→L→A，同理，在B儲存區(qū)整體路徑與A儲存區(qū)基本一致，小車沿線監(jiān)測實時溫度、濕度和煙霧濃度情況，若線路中環(huán)境參數(shù)超標(biāo)則會啟動報警模式，提醒相關(guān)工作人員及時處理。B儲存區(qū)入貨區(qū)管理室出貨區(qū)大門ABCB儲存區(qū)入貨區(qū)管理室出貨區(qū)大門ABCDEHIFGJKLA儲存區(qū)大門圖3-2安全監(jiān)測小車路徑圖監(jiān)測移動小車整體設(shè)計移動小車主體結(jié)構(gòu)設(shè)計本文所研究設(shè)計的監(jiān)測移動小車的主要工作任務(wù)是對倉庫環(huán)境進(jìn)行安全巡視工作，主體結(jié)構(gòu)要求如下：小車整體結(jié)構(gòu)尺寸：長23cm，寬15cm；電源要求：12V；監(jiān)測參數(shù)要求：具備監(jiān)測溫度、濕度和煙霧濃度的能力；根據(jù)不同的應(yīng)用要求，移動車的底盤有不同的形狀。有兩種常見的類型：履帶式和輪式。履帶式易于控制，具有良好的障礙物兼容性，但體積相對較大。一般用于重載場合；輪式以其運動靈活、機(jī)械復(fù)雜度低、承載能力強(qiáng)等特點得到了廣泛的研究和應(yīng)用，同時車輪的數(shù)量不同，移動車輛的設(shè)計也會有不同的優(yōu)缺點。不同輪式結(jié)構(gòu)方案如表3-1所示。表3-1輪式底盤分類輪子數(shù)量結(jié)構(gòu)簡圖特點描述2兩輪差分驅(qū)動3三個全向輪均為動力輪3三個接觸點，兩輪差分驅(qū)動4四個輪子全為動力輪根據(jù)小型車的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求，本設(shè)計選擇了三輪移動的小車，如圖3-3所示，在小車的后端是兩個獨立的帶直流電機(jī)的驅(qū)動輪，前端是一個無動力的全向輪，主要作用是輔助轉(zhuǎn)向，同時對整體結(jié)構(gòu)起到一定的支撐作用。小車根據(jù)車輪兩側(cè)直流電機(jī)的速度差完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)向工作。當(dāng)左側(cè)車輪的速度與右側(cè)車輪的速度相同時，小車向前行駛。如果右輪的速度大于左輪的速度，就會向左轉(zhuǎn)。相反，如果左輪的速度大于右輪的速度，則向右轉(zhuǎn)。驅(qū)動輪驅(qū)動輪從動輪圖3-3小車輪式結(jié)構(gòu)圖移動小車主體結(jié)構(gòu)設(shè)計安全監(jiān)測小車的基本功能分析圖如圖3-4所示：圖3-4安全監(jiān)測小車功能分析圖(1)行走功能包括移動小車的基本運動功能和對前方障礙物監(jiān)測功能，基本運動功能在指大型倉庫內(nèi)，小車可以在地面上完成按照軌跡前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本運動。另外，監(jiān)測前方障礙功能指的就是安全監(jiān)測小車在行進(jìn)過程中可以監(jiān)測路線上前方各類障礙物與小車的距離，比如固定不動的物品堆，還有移動的人或者移動的搬運機(jī)械，若距離小于一定值時啟動停車功能，待前方障礙物移動后繼續(xù)行駛ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[24]。(2)倉儲安全監(jiān)測功能安全監(jiān)測小車需要沿預(yù)設(shè)軌跡線路監(jiān)測路線上的溫度、濕度、氣體煙霧濃度，并將這些數(shù)據(jù)值存儲在存儲器中，并顯示在車載OLED屏幕上。各類被監(jiān)測參數(shù)的監(jiān)測范圍以及精度要求如表3-2所示。表3-2監(jiān)測參數(shù)以及精度要求序號參數(shù)范圍允許的最大誤差1濕度10%RH~99%RH1%RH2溫度10℃~60℃1℃3氣體煙霧濃度300~10000ppm10%(3)報警功能將傳感器采集的溫度、濕度、煙氣濃度與相應(yīng)的預(yù)設(shè)報警值進(jìn)行比較，溫度報警值為45℃，濕度報警值為60%RH，煙霧濃度報警值為300ppm，當(dāng)傳感器中有監(jiān)測值超過報警值時，應(yīng)接通報警電路并啟動蜂鳴器，提醒倉庫管理人員及時處理異常情況。硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)移動小車在大型倉儲環(huán)境中需要完成的功能，從而確定了其控制系統(tǒng)模塊主要包括：控制器模塊、電源模塊、安全監(jiān)測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、報警模塊，顯示模塊等，安全監(jiān)測移動小車系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)方框圖如圖3-5所示。圖3-5安全監(jiān)測小車硬件系統(tǒng)方框圖微處理器選擇ARM處理器擁有更多的資源，并且具有很強(qiáng)的通用性。它以其高性能、高速度、低能耗、低價格等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，另外基于ARM處理器的集成系統(tǒng)具有良好的可移植性，因此我們選擇ARM的STM32系列芯片作為移動小車的主控制器。STM32F103系列微處理器是首款基于ARM體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC(精簡指令集)處理器,提供很高的代碼效率,在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz,內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲器和20K字節(jié)的SRAM,具有豐富的通用I/O端口ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]。作為最新一代的嵌入式ARM處理器,它為實現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗,同時提供了卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。豐富的片上資源使得STM32F103系列微處理器在多種領(lǐng)域如電機(jī)驅(qū)動、實時控制、手持設(shè)備、PC游戲外設(shè)和空調(diào)系統(tǒng)等都顯示出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿DDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]。STM32F103XX內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-6STM32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計采用專用型號STM32F103RCT6作為微處理器。它的主要內(nèi)部參數(shù)有：256Kb的閃存、片上SRAM有48KB，同時擁有51個I/O、16個通道12位ADC、USB、CAN、UART、SPI、I2C等集成接口供用戶添加外部設(shè)備。這種微型處理器可操作性高，編程簡單，適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。電源模塊設(shè)計移動車控制系統(tǒng)有多種電源要求，STM32F103RCT6工作電壓范圍為：2.0~3.6V，本設(shè)計采用電壓3.3V，紅外傳感器模塊，超聲波模塊，溫濕度模塊，煙霧濃度傳感器可使用+5V電源，,本設(shè)計中采用的(4節(jié)3V直接電池)12V直流電源，同時使用的L298N電機(jī)驅(qū)動模塊可以輸出5V電壓，解決了超聲波、溫濕度、煙霧濃度傳感器的供電問題，單片機(jī)供電直接采用一節(jié)3.3V18650電池供電。安全監(jiān)測模塊設(shè)計用于溫濕度監(jiān)測的傳感器是DHT11，廣州奧松電子有限公司推出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器,是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。DHT11傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件,并與1個高性能8位單片機(jī)相連接。單線制串行接口,使系統(tǒng)連接可以更簡潔。功耗極低,信號傳輸距離可達(dá)20m以上ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26]。它是一種集成了溫濕度的數(shù)字傳感器，由濕度測量元件和NTC溫度測量元件組成。原理圖如圖3-7所示，VCC接正電源，3號4號引腳接地，2號引腳接接單片機(jī)，通過與電路MCU等微處理器的簡單連接，DHT11可通過單總線與單片機(jī)通信，只需一個I/O口，傳感器內(nèi)部40位的濕度和溫度數(shù)據(jù)一次傳送到單片機(jī)，通過校驗和對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，DHT11的能耗很低，電源電壓為5V，平均最大電流為0.5mA。圖3-7DHT11電氣原理圖通過對市場上各種類型煙霧傳感器的比較研究，選擇MQ-2半導(dǎo)體氣體傳感器作為煙霧的檢測元件。電氣原理圖如圖3-8所示，傳感器的監(jiān)測范圍為300~10000ppm，允許誤差為5%，滿足系統(tǒng)要求，MQ-2煙霧傳感器屬于半導(dǎo)體氣敏材料，二氧化錫將氧吸附到空氣中形成氧陰離子，降低了半導(dǎo)體中的電子密度，增加了半導(dǎo)體的電阻，與煙接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點，我們可以獲得有關(guān)這種煙霧濃度的信息。煙氣濃度越高，電導(dǎo)率越高，輸出電阻越低，模擬輸出信號越大，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、價格低、使用壽命長等優(yōu)點。圖3-8MQ-2電氣原理圖驅(qū)動模塊設(shè)計圖3-9L298N驅(qū)動電路圖小車的電機(jī)為直流發(fā)動機(jī)，L298N驅(qū)動電路圖如圖3-9所示，主要包括光電耦合器件、驅(qū)動芯片和整流電路，光耦選用的是TLP521-4，其中包含四組光耦管，將控制信號與負(fù)載完全隔離，以增加安全性，減少信號之間的干擾；選擇L298N作為發(fā)動機(jī)芯片，IN1、IN2、IN3、IN4為控制信號輸入，VCC為電源電壓最小電壓為4.5V，最大電壓為36V。在應(yīng)用中，根據(jù)實際情況選擇5V電壓，ENA和ENB連接到控制裝置上，使終端控制馬達(dá)停機(jī)。插腳5、7、10和12連接到輸入控制電平，以控制馬達(dá)的正向和反向旋轉(zhuǎn)。該引腳還可用于實現(xiàn)脈寬調(diào)制的規(guī)則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為信號輸入端子，分別與直流發(fā)動機(jī)相連，IN1為高電平發(fā)動機(jī)相連，輸入端IN2與低位發(fā)動機(jī)相連，M1向前轉(zhuǎn)動?？刂屏硪慌_馬達(dá)的方法是一樣的，輸入端IN3連接到高電平，輸入點IN4連接到低電平，發(fā)動機(jī)M2向前旋轉(zhuǎn)，選擇8個IN4007二極管作為整流電路。測試分析：連接單片機(jī)檢查驅(qū)動電路的輸入電平，然后用萬用表測試輸出電壓。當(dāng)測試結(jié)果與預(yù)定結(jié)果一致時，接通電機(jī)并編寫發(fā)動機(jī)驅(qū)動程序。小車可執(zhí)行前、后、左、右行駛功能。循跡檢測障礙模塊設(shè)計小車采用TCRT5000紅外反射傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)循跡功能，TCRT5000工作原理是，發(fā)送頭連續(xù)發(fā)送信號。當(dāng)信號在現(xiàn)場時，它可以反射到接收頭。它目前正以高電平傳輸給單片機(jī)；當(dāng)紅外傳感器在黑線上方時，來自發(fā)射器頭部的光被吸收，但接收器頭部不能接受，因為黑色可以吸收光。此時，單片機(jī)的輸入處于低電平，利用此輸入使單片機(jī)的高低電平發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對小車的循跡行駛功能。圖3-10TCRT5000電氣原理圖檢測前方障礙物沒款選用的是HC-SR04超聲波模塊，如圖3-10所示，其電氣參數(shù)如表3-3所示。該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。使用該模塊，占用ARM控制器的兩個GPIO端口，一個GPIO端口用作觸發(fā)器，另一個GPIO端口用于捕獲PWM回波信號。超聲波測距模塊HC-SR04可提供2~400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)３mm。模塊包括超聲波發(fā)器、接收器與控制電路ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>戴紅</Author><Year>1998</Year><RecNum>245</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>245</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="tt9f2exapawfsveefx35pfa1rrezd2vrzfvf">245</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>戴紅</author></authors></contributors><titles><title>康復(fù)醫(yī)學(xué)</title></titles><pages>3-10</pages><section>3-10</section><dates><year>1998</year></dates><pub-location>北京</pub-location><publisher>人民衛(wèi)生出版社</publisher><isbn>7117028343</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27]。在編寫超聲波測距程序時，讓觸發(fā)器引腳輸入一個約10us的高電平信號。同時，該模塊發(fā)送8個周期性電平40KHz信號并檢測回波。然后，通過對內(nèi)部程序進(jìn)行處理，將其變成一個來自回波節(jié)點的PWM信號。模塊一旦檢測到回聲，就會發(fā)出回聲信號，方便用戶讀取。用戶只需讀取PWM信號輸出的時間（T）?；仨懶盘柺且粋€與脈沖寬度成比例的距離對象。通過計算發(fā)射信號和接收回波信號之間的時間間隔可以計算出距離。圖3-10HC-SR04表3-3超聲波模塊各類參數(shù)工作電壓工作電流工作頻率最遠(yuǎn)射程最近射程輸入信號輸出信號DC5V15mA40HZ4m2cm10us的TTL脈沖信號輸出TTL電平信號測試分析：經(jīng)過多次