CN106057056A - 一种基于stm32f4微控制器的教学机器人小车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人教学技术领域，具体涉及一种基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，包括车轮，设置于车轮之上的车体，设置于车体之上的直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂；车体包括顶板和底板，顶板和底板均采用PCB板，PCB板上设置有用于安装直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂的安装固定孔；底板PCB板上设置有QTI寻迹传感器和各电路模块；顶板PCB上设置有超声波传感器和各电路模块。该教学机器人小车集成多种传感器模块，功能丰富，易于扩展，不仅可以用于教学，也可以用于二次开发，还能实现小车之间的互联。采用PCB走线设计，解决了开发过程还要手动连线的问题，节省了开发时间。实现对不同方位、不同角度障碍物的监测。
Description
技术领域
本发明属于机器人教学技术领域，尤其涉及一种基于STM32F4微控制器的教学机器人小车。
背景技术
随着机器人技术的发展，开设机器人相关的课程的学校增多，但是，由于国内发展得较晚，而且大部分只开学生的课外实践来进行，缺乏系统的培养；在机器人教育方面存在难深入、门槛高，市面上的机器人教育套件，低则几千，贵则上万，普通的学生根本负担不起，而学生有兴趣学的，又缺乏硬件平台，难以开展。
各国都花费大量金钱在购买机器人上，其缺点很明显，教学所需经费较为庞大，导致经济压力增加，使得一些普通高校也没法负担，推广到一般学生的教学上更加困难。
目前市场上也有低端的教学机器人，但是多数都是在车体上采用C51单片机的最小系统模块为主控单元，然后通过杜邦线连接一些传感器模块，主控单元和传感器模块通过简单拼揍的方式安装在车体上，这种教学小车的技术含量低，集成度不高，性价比低，操作复杂，可扩展性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高、价格低、性价比高、易操作，功能可扩展、携带方便适于教学的机器人小车。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，包括车轮，设置于车轮之上的车体，设置于车体之上的直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂；所述车体包括顶板和底板，所述顶板和底板均采用PCB板，所述顶板PCB板集成有STM32f407微控制器最小系统电路、直流电机驱动电路、火焰传感器电路、灭火风扇控制电路、QTI寻迹传感器灵敏度调节电路、电源管理与控制电路、WIFI模块电路、2自由度机械手臂控制电路、SG90舵机控制电路、直流电机和机械手臂工作电流监测电路、OV2640摄像头模块、语音播放模块、PS2手柄接收器、预留LED指示灯和按键开关；所述底板PCB板集成有QTI寻迹传感器电路、RFID射频卡识别电路、颜色识别电路和车轮测速电路；所述底板PCB板上设置有QTI寻迹传感器；所述顶板PCB板上设置有超声波传感器。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述STM32f407微控制器最小系统电路包括主控芯片STM32f407、时钟电路、复位电路和程序仿真烧录接口；所述传感器与所述主控芯片STM32f407之间的连线均采用PCB走线设计。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述直流电机驱动电路采用改进型H桥直流电机驱动模块，通过主控芯片STM32f407对直流电机进行变速变向控制；所述改进型H桥直流电机驱动模块采用在基本的H桥电路增加4个与门和2个非门，4个与门同一个使能导通信号相接，利用一个信号控制整个电路的开关；2个非门利用提供一种方向输入，保证在H桥的同侧只有一个三极管导通。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述火焰传感器电路采用火焰传感器YS-17，通过主控芯片STM32f407对火焰传感器YS-17输出的数字信号进行采集处理，或者通过AD的方式对火焰传感器YS-17的输出信号进行采样处理；所述WIFI模块电路采用内置WIFI天线的模块，通过UART串口方式与主控芯片STM32f407进行交互，通过AT指令进行配置，用于连接智能手机或PC，以及两个WIFI模块之间的互联。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述灭火风扇控制电路采用双MOS管的控制方式，实现所述STM32f407微控制器对高电压的控制；所述电源管理与控制电路采用DC-DC电源芯片LM2596-5用于输入电压稳压，通过线性电源芯片LDO将5V电压转化为3.3V，电源输入部分和输出部分均设计有电容滤波电路，同时还设计有电池充电器充电和供电的切换电路，利用工控芯片控制电源的通断。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述QTI寻迹传感器灵敏度调节电路采用QTI灵敏度调节电位器；所述QTI寻迹传感器包括7路QTI寻迹传感器，所述7路QTI寻迹传感器等间距线型排列于所述底板PCB板上，利用调节所述QTI灵敏度调节电位器实现不同光强环境下的寻迹功能；所述超声波传感器包括5路超声波传感器，其中4路超声波传感器分别设置于所述顶板PCB板前后左右的四个方位，用于各个方位障碍物的监测；另外1路超声波传感器设置于所述SG90舵机上，用于实现摆动避障。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述2自由度机械手臂控制电路采用PWM波对2自由度机械手臂进行控制；所述SG90舵机控制电路采用PWM波对SG90舵机进行控制；所述直流电机和机械手臂工作电流监测电路用于监测直流电机和2自由度机械手臂工作电流，防止误操作。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述OV2640摄像头模块接口与主控芯片STM32f407上的摄像头IO口连接，用于实时采集图像数据；所述PS2手柄接收器采用SPI通讯方式与所述主控芯片STM32f407进行交互，利用主控芯片STM32f407对PS2接收器加密。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述语音播放模块采用编码模式和非编码模式两种工作模式，实现不同语音模块的播放；所述预留LED指示灯和按键开关用于功能扩展和状态指示。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述底板PCB板为T型板，所述顶板PCB板为圆角长方形板，所述顶板PCB板与底板PCB板之间采用双排插针连接；所述PCB板上还设置有若干个安装固定孔，用于安装所述直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂；所述直流电机包括四台双轴直流电机，其中两台双轴直流电机安装于所述T型板上，且两台双轴直流电机的转轴均安装有测速码盘，用于车轮速度的标定；另外两台双轴直流电机安装于所述圆角长方形板上，且两台双轴直流电机均带有减振装置。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述车轮测速电路利用测速码盘对槽型光电开关感光区域的间断性遮挡，槽型光电开关输出脉冲信号，经过Schmitt触发器对输出的脉冲信号的整形处理，传送到主控芯片STM32f407。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述QTI寻迹传感器电路包括多个红外光电对管，采用红外光电对管阵列，经过电压比较器对输入的信号进行二值化处理，将模拟信号转换为数字信号传输给主控芯片STM32f407；所述RFID射频卡识别电路采用NXP公司MF RC522芯片，利用SPI方式与主控芯片STM32f407交互；所述颜色识别电路采用美国TASO公司的颜色传感器芯片TCS230，通过将不同颜色的光转换为数字量的频率电信号，所述主控芯片STM32f407通过采集频率电信号来进行颜色识别。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述车轮采用四轮驱动，且每只车轮的速度和转动方向均可调控，用于实现所述机器人小车的差速转弯；所述车轮还设有减振固定支架，用于所述车体的运动过程的防振；所述车轮包括两只65mm车轮和两只80mm车轮，所述两只65mm车轮安装在所述顶板上，所述两只80mm车轮安装在所述底板上。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述顶板PCB板上安装有可自由弯曲的USB迷你风扇，利用改变风扇的角度实现无死角灭火；所述底板PCB板上还安装有语音喇叭；所述顶板PCB板上还安装有电池；所述顶板PCB板上设置有USB和充电/供电接口。
一种用于的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车的收纳箱，包括根据教学机器人小车外形尺寸量体设计的箱体和箱盖，箱体内设置有多个专用隔层，用于放置相应的组装配件。
本发明的有益效果是：
1.集成多种传感器模块，功能丰富，易于扩展，不仅可以用于教学，也可以用于二次开发，让学生学习致用，充分调动学生的积极性和创造性。
2.采用STM32F4系列处理器，不仅数据处理能力强，运算速度快，同时该款单片机采用的是ARM结构框架，有利于学生今后更深入的学习。
3.提供配套的开源学习程序和配套的学习课时。
4.集成无线WIFI功能，可以实现小车之间的互联，可以用于研究机器人之间的群控、协作等算法。
5.一体化设计，小车的底板和顶板均采用PCB板设计结构，PCB板上设计有直流电机、舵机、机械手臂等器件的安装固定孔，顶板与底板之间采用双排插针连接，各传感器与主控芯片之间的连线均采用PCB走线设计，解决了开发过程还要手动连线的问题，大大节省了开发时间。
6.集成7路QTI寻迹传感器，解决了小车在寻迹过程中灵敏度不高、实时性差的问题，同时设计有QTI灵敏度调节电位器，通过调节电位器，实现小车在不同光强环境下的寻迹功能。
7.集成5路超声波传感器，4路分别布设在小车的前后左右四个方位，实现对不同方位障碍物的监测；1路超声波传感器固定在舵机上，作为超声波的摆动监测设计，实现对不同角度障碍物的监测。
8.集成有机械手臂和直流电机的电流监测功能，有效防止机械手臂和直流电机因为误操作导致工作电流过大而损坏硬件。
9.车轮设计有减振固定支架，可以有效防止小车跑动过程振动大的问题。
10.测速码盘的设计，为车轮速度的标定提供了一个准确、快速的方法；
11.小车采用四轮驱动设计，增加驱动能力，同时每个车轮的速度和转动方向均可控，可以实现小车的差速转弯。
12.小车采用两只65mm车轮和两只80mm车轮的大小轮设计方式，有利于增加车轮与地面的摩擦力，同时也起到了配置小车前后高度的作用。
13.直流电机的控制采用改进型H桥电机驱动模块，使得在同一时间内，同一桥臂只能有一个驱动管导通，避免了两个侧的驱动管同时导通的短路现象。
14.采用可自由弯曲USB迷你小风扇，可以任意改变风扇的角度实现无死角的灭火。
15.USB和充电/供电接口可用于小车与PC之间的有线通讯和实现小车的充供电一体化设计。
16.根据小车外形，量体设计有收纳箱，收纳箱内各配件设计专门的隔层，方便学生在组装小车时很容易的找到相应的配件，同时也方便在教学过程中携带。
附图说明
图1为本发明一个实施例的俯视图；
图2为本发明一个实施例的立体图；
图3为本发明一个实施例的仰视图；
图4为本发明一个实施例顶板PCB板结构示意图；
图5为本发明一个实施例底板PCB板结构示意图；
图6为本发明一个实施例H桥式改进型电机驱动电路的原理图；
图7为本发明一个实施例H桥式改进型电机驱动电路驱动电机顺时针转动示意图；
图8为发明一个实施例收纳箱内部结构示意图；
其中，1-顶板、2-OV2640摄像头模块、3-超声波传感器、4-65mm车轮、5-语音播放模块、6- USB和充电/供电接口、7-80mm车轮、8-2自由度机械手臂、9-带减振的双轴直流电机、10-底板、11-切换电路、12-灭火风扇控制电路、13-2自由度机械手臂控制电路、14- PS2手柄接收器、15-直流电机驱电路、16-时钟电路、17-程序仿真烧录接口、18-按键开关、19-预留LED指示灯、20- WIFI模块电路、21- SG90舵机控制电路、22-QTI寻迹传感器电路、23- RFID射频卡识别电路、24-颜色识别电路、25-车轮测速电路、26-不带减振的双轴直流电机、27-双排插针、28-收纳箱、29-复位电路、30- QTI寻迹传感器灵敏度调节电路、31-火焰传感器电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
实施例
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明实施例提供一种基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，包括车轮，设置于车轮之上的车体，设置于车体之上的直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂；所述车体包括顶板和底板，所述顶板和底板均采用PCB板，所述顶板PCB板集成有STM32f407微控制器最小系统电路、直流电机驱动电路、火焰传感器电路、灭火风扇控制电路、QTI寻迹传感器灵敏度调节电路、电源管理与控制电路、WIFI模块电路、2自由度机械手臂控制电路、SG90舵机控制电路、直流电机和机械手臂工作电流监测电路、OV2640摄像头模块、语音播放模块、PS2手柄接收器、预留LED指示灯和按键开关；所述底板PCB板集成有QTI寻迹传感器电路、RFID射频卡识别电路、颜色识别电路和车轮测速电路；所述底板PCB板上设置有QTI寻迹传感器；所述顶板PCB板上设置有超声波传感器。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述STM32f407微控制器最小系统电路包括主控芯片STM32f407、时钟电路、复位电路和程序仿真烧录接口；所述传感器与所述主控芯片STM32f407之间的连线均采用PCB走线设计。所述直流电机驱动电路采用改进型H桥直流电机驱动模块，通过主控芯片STM32f407对直流电机进行变速变向控制。所述改进型H桥直流电机驱动模块采用在基本的H桥电路增加4个与门和2个非门，4个与门同一个使能导通信号相接，利用一个信号控制整个电路的开关；2个非门利用提供一种方向输入，保证在H桥的同侧只有一个三极管导通。所述火焰传感器电路采用火焰传感器YS-17，通过主控芯片STM32f407对火焰传感器YS-17输出的数字信号进行采集处理，或者通过AD的方式对火焰传感器YS-17的输出信号进行采样处理。所述灭火风扇控制电路采用双MOS管的控制方式，实现所述STM32f407微控制器对高电压的控制。所述QTI寻迹传感器灵敏度调节电路采用QTI灵敏度调节电位器。所述QTI寻迹传感器包括7路QTI寻迹传感器，所述7路QTI寻迹传感器等间距线型排列于所述底板PCB板上，利用调节所述QTI灵敏度调节电位器实现不同光强环境下的寻迹功能。所述电源管理与控制电路采用DC-DC电源芯片LM2596-5用于输入电压稳压，通过线性电源芯片LDO将5V电压转化为3.3V，电源输入部分和输出部分均设计有电容滤波电路，同时还设计有电池充电器充电和供电的切换电路，利用工控芯片控制电源的通断。所述WIFI模块电路采用内置WIFI天线的模块，通过UART串口方式与主控芯片STM32f407进行交互，通过AT指令进行配置，用于连接智能手机或PC，以及两个WIFI模块之间的互联。所述2自由度机械手臂控制电路采用PWM波对2自由度机械手臂进行控制。所述SG90舵机控制电路采用PWM波对SG90舵机进行控制。所述直流电机和机械手臂工作电流监测电路用于监测直流电机和2自由度机械手臂工作电流，防止误操作。所述OV2640摄像头模块接口与主控芯片STM32f407上的摄像头IO口连接，用于实时采集图像数据。所述语音播放模块采用编码模式和非编码模式两种工作模式，实现不同语音模块的播放。所述PS2手柄接收器采用SPI通讯方式与所述主控芯片STM32f407进行交互，利用主控芯片STM32f407对PS2接收器加密。所述预留LED指示灯和按键开关用于功能扩展和状态指示。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述底板PCB板为T型板，所述顶板PCB板为圆角长方形板，所述顶板PCB板与底板PCB板之间采用双排插针连接；所述PCB板上还设置有若干个安装固定孔，用于安装所述直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂。所述直流电机包括四台双轴直流电机，其中两台双轴直流电机安装于所述T型板上，且两台双轴直流电机的转轴均安装有测速码盘，用于车轮速度的标定；另外两台双轴直流电机安装于所述圆角长方形板上，且两台双轴直流电机均带有减振装置。所述车轮测速电路利用测速码盘对槽型光电开关感光区域的间断性遮挡，槽型光电开关输出脉冲信号，经过Schmitt触发器对输出的脉冲信号的整形处理，传送到主控芯片STM32f407。
在上述基于STM32F4微控制器的教学机器人小车中，所述QTI寻迹传感器电路包括多个红外光电对管，采用红外光电对管阵列，经过电压比较器对输入的信号进行二值化处理，将模拟信号转换为数字信号传输给主控芯片STM32f407。所述RFID射频卡识别电路采用NXP公司MF RC522芯片，利用SPI方式与主控芯片STM32f407交互。所述颜色识别电路采用美国TASO公司的颜色传感器芯片TCS230，通过将不同颜色的光转换为数字量的频率电信号，所述主控芯片STM32f407通过采集频率电信号来进行颜色识别。所述超声波传感器包括5路超声波传感器，其中4路超声波传感器分别设置于所述顶板PCB板前后左右的四个方位，用于各个方位障碍物的监测；另外1路超声波传感器设置于所述SG90舵机上，用于实现摆动避障。所述车轮采用四轮驱动，且每只车轮的速度和转动方向均可调控，用于实现所述机器人小车的差速转弯；所述车轮还设有减振固定支架，用于所述车体的运动过程的防振。所述车轮包括两只65mm车轮和两只80mm车轮，所述两只65mm车轮安装在所述顶板上，所述两只80mm车轮安装在所述底板上。所述顶板PCB板上安装有可自由弯曲的USB迷你风扇，利用改变风扇的角度实现无死角灭火；所述底板PCB板上还安装有语音喇叭；所述顶板PCB板上还安装有电池。所述顶板PCB板上设置有USB和充电/供电接口。
同时还提供一种用于的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车的收纳箱，如图8所示，包括根据教学机器人小车外形尺寸量体设计的箱体和箱盖，箱体内设置有多个专用隔层，用于放置相应的组装配件。
在本发明较佳实施例中，如图4、图5所示，一种基于STM32F4微控制器的机器人小车，包括顶板为圆角长方形板PCB板和底板为T型板PCB板的车体，顶板PCB板上集成有STM32f407微控制器最小系统电路、直流电机驱电路、火焰传感器电路、灭火风扇控制电路、QTI寻迹传感器灵敏度调节电路、电源管理与控制电路、WIFI模块电路、2自由度机械手臂控制电路、SG90舵机控制电路、直流电机和机械手臂工作电流监测电路、OV2640摄像头模块、语音播放模块、PS2手柄接收器、预留LED指示灯和按键开关、USB和充电/供电接口；底板PCB板上集成有QTI寻迹传感器电路、RFID射频卡识别电路、颜色识别电路、车轮测速电路。
STM32f407微控制器最小系统电路主要包括主控芯片STM32f407、时钟电路、复位电路、程序仿真烧录接口。
PS2手柄接收器主动与PS2手柄连接，会出现错连接的情况，即如果有多台小车在一起，会出现一台小车的PS2手柄连接到另一台小车的PS2手柄接收器，从而控制小车。为了解决该问题，采用在软件上为PS2手柄设置操作密码的方式，即手柄连接到接收器后，还需要通过密码验证后，才能控制小车。
机械手臂和直流电机的电流监测电路来监测机械手臂和直流电机的工作电流，可以时实监测电流的变化，有效防止机械手臂和直流电机因为误操作导致工作电流过大而损坏硬件。
QTI寻迹传感器电路包括多个红外光电对管，采用红外光电对管阵列，经过电压比较器对输入的信号进行二值化处理，从而将模拟信号转换为数字信号传输给主控芯片STM32f407，同时设计有QTI灵敏度调节电位器，通过调节电位器，实现小车在不同光强环境下的寻迹功能。
RFID射频卡识别电路采用NXP公司MF RC522芯片，该芯片是完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，通过SPI方式与主控芯片STM32f407交互。
颜色识别电路采用美国TAOS公司生产的颜色传感器芯片TCS230，该芯片是一种可编程彩色光到频率的转换器，可以将不同颜色的光转换为数字量的频率电信号，主控芯片STM32f407通过采集输出信号的频率，就可以识别出不同的颜色。
车轮测速电路是通过测速码盘对槽型光电开关感光区域的间断性遮挡，光电开关会输出脉冲信号，然后通过Schmitt触发器对输出的脉冲信号进行整形处理，最后传送到主控芯片STM32f407。
火焰传感器电路通过火焰传感器YS-17对火焰光波段的识别全输出相应的模拟信号，通过电压比较器将模拟信号数字化，传送到主控芯片STM32f407进行采集，或者直接通过AD的方式对火焰传感器的输出信号进行采样处理。
灭火风扇控制电路是采用双MOS管的控制方式，实现STM32f407微控制器对高电压的控制。
电源管理与控制电路通过DC-DC电源芯片LM2596-5对输入电压进行稳压，然后再通过线性电源芯片LDO将5V电压转化为3.3V，电源输入部分和输出部分都有设计有电容滤波电路，同时也设计有电池充电器对本实施例充电和直接对本实施例供电的切换电路，在比较耗电的模块和单元均设计有电源控制电路，可以通过工控芯片来控制其电源的通断，可以减少不必要电能的消耗。
WIFI模块电路采用内置有WIFI天线的模块，通过UART串口方式与主控芯片STM32f407进行交互，该WIFI模块通过AT指令进行配置，可以直接与智能手机或着PC连接，同时也可以在两个WIFI模块之间实现互联。
2自由度机械手臂控制电路通过PWM波实现对2自由度机械手臂的控制。
SG90舵机控制电路通过PWM波实现对SG90舵机的控制，SG90舵机上装有一个超声波传感器，从而可以实现超声波模块的摆动避障。
OV2640摄像头模块接口与主控芯片STM32f407上的摄相头专用IO口连接，实现对图像数据的实时采集。
语音播放模块有两种工作模式，编码模式和非编码模式，在非编码模式下，主控芯片可以控制语音模块播放9首语音，在编码模式下，主控芯片可以控制语音模块播放31首语音。
预留LED指示灯和按键开关主要是用于功能扩展和状态指示。
直流电机驱电路采用专用改进型H桥直流电机驱动模块，通过主控芯片STM32f407可以实现直流电机的加减速和正反向控制。驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如图6所示，如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其它任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制)，甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常采用硬件电路方便地控制三极管的开关。基于这种考虑的改进电路，在基本的H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个使能导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个三极管导通，如图7所示。
如图5所示，底板PCB板为T型板，该板上安装有不带减振的两个双轴直流电机，同时直流电机的转轴上会安装有测速码盘；还安装有两只80mm的车轮。如图4所示，顶板PCB板为圆角长方形板，该板上安装有带减振的两个双轴直流电机；还安装有两只65mm的车轮。顶板PCB板上还设置有USB和充电/供电接口。
USB和充电/供电接口是用于小车与PC之间的有线通讯和实现小车的充供电一体化设计；
两只65mm车轮和两只80mm车轮采用的是大小轮设计方式，有利于增加车轮与地面的摩擦力，同时也起到了配置小车前后高度的作用。
顶板PCB板与底板PCB板之间采用双排插针连接，顶板与底板之间安装有语音喇叭和供电电池。
QTI寻迹传感器的数量为7路，在底板PCB板上成等间距线型排列。
小车采用四轮驱动设计，增加驱动能力，同时每个车轮的速度和转动方向均可控，可以实现小车的差速转弯。
如图8所示，机器人小车的车体及其配件设计有配套的收纳箱进行收纳，收纳箱既可以收纳装配好的小车，也可以收纳未装配好的小车，收纳箱内各配件设计专门的隔层，方便学生在组装小车时很容易的找到相应的配件，同时也方便在教学过程中携带。
本实施例一种基于STM32F4微控制器教学机器人小车集成度高，性价比高，功能丰富，易于扩展性。能广泛地应用于机器人教学，方便学生操作验证；还能用于各实验室中作为算法研究的平台，如机器人的群控、协作等，值得推广。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (15)
1.一种基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，包括车轮，设置于车轮之上的车体，设置于车体之上的直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂；其特征在于：所述车体包括顶板和底板，所述顶板和底板均采用PCB板，所述顶板PCB板集成有STM32f407微控制器最小系统电路、直流电机驱动电路、火焰传感器电路、灭火风扇控制电路、QTI寻迹传感器灵敏度调节电路、电源管理与控制电路、WIFI模块电路、2自由度机械手臂控制电路、SG90舵机控制电路、直流电机和机械手臂工作电流监测电路、OV2640摄像头模块、语音播放模块、PS2手柄接收器、预留LED指示灯和按键开关；所述底板PCB板集成有QTI寻迹传感器电路、RFID射频卡识别电路、颜色识别电路和车轮测速电路；所述底板PCB板上设置有QTI寻迹传感器；所述顶板PCB板上设置有超声波传感器。
2.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述STM32f407微控制器最小系统电路包括主控芯片STM32f407、时钟电路、复位电路和程序仿真烧录接口；所述传感器与所述主控芯片STM32f407之间的连线均采用PCB走线设计。
3.根据权利要求2所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述直流电机驱动电路采用改进型H桥直流电机驱动模块，通过主控芯片STM32f407对直流电机进行变速变向控制；所述改进型H桥直流电机驱动模块采用在基本的H桥电路增加4个与门和2个非门，4个与门同一个使能导通信号相接，利用一个信号控制整个电路的开关；2个非门利用提供一种方向输入，保证在H桥的同侧只有一个三极管导通。
4.根据权利要求2所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述火焰传感器电路采用火焰传感器YS-17，通过主控芯片STM32f407对火焰传感器YS-17输出的数字信号进行采集处理，或者通过AD的方式对火焰传感器YS-17的输出信号进行采样处理；所述WIFI模块电路采用内置WIFI天线的模块，通过UART串口方式与主控芯片STM32f407进行交互，通过AT指令进行配置，用于连接智能手机或PC，以及两个WIFI模块之间的互联。
5.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述灭火风扇控制电路采用双MOS管的控制方式，实现所述STM32f407微控制器对高电压的控制；所述电源管理与控制电路采用DC-DC电源芯片LM2596-5用于输入电压稳压，通过线性电源芯片LDO将5V电压转化为3.3V，电源输入部分和输出部分均设计有电容滤波电路，同时还设计有电池充电器充电和供电的切换电路，利用工控芯片控制电源的通断。
6.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述QTI寻迹传感器灵敏度调节电路采用QTI灵敏度调节电位器；所述QTI寻迹传感器包括7路QTI寻迹传感器，所述7路QTI寻迹传感器等间距线型排列于所述底板PCB板上，利用调节所述QTI灵敏度调节电位器实现不同光强环境下的寻迹功能；所述超声波传感器包括5路超声波传感器，其中4路超声波传感器分别设置于所述顶板PCB板前后左右的四个方位，用于各个方位障碍物的监测；另外1路超声波传感器设置于所述SG90舵机上，用于实现摆动避障。
7.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述2自由度机械手臂控制电路采用PWM波对2自由度机械手臂进行控制；所述SG90舵机控制电路采用PWM波对SG90舵机进行控制；所述直流电机和机械手臂工作电流监测电路用于监测直流电机和2自由度机械手臂工作电流，防止误操作。
8.根据权利要求2所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述OV2640摄像头模块接口与主控芯片STM32f407上的摄像头IO口连接，用于实时采集图像数据；所述PS2手柄接收器采用SPI通讯方式与所述主控芯片STM32f407进行交互，利用主控芯片STM32f407对PS2接收器加密。
9.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述语音播放模块采用编码模式和非编码模式两种工作模式，实现不同语音模块的播放；所述预留LED指示灯和按键开关用于功能扩展和状态指示。
10.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述底板PCB板为T型板，所述顶板PCB板为圆角长方形板，所述顶板PCB板与底板PCB板之间采用双排插针连接；所述PCB板上还设置有若干个安装固定孔，用于安装所述直流电机、SG90舵机和2自由度机械手臂；所述直流电机包括四台双轴直流电机，其中两台双轴直流电机安装于所述T型板上，且两台双轴直流电机的转轴均安装有测速码盘，用于车轮速度的标定；另外两台双轴直流电机安装于所述圆角长方形板上，且两台双轴直流电机均带有减振装置。
11.根据权利要求2或10所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述车轮测速电路利用测速码盘对槽型光电开关感光区域的间断性遮挡，槽型光电开关输出脉冲信号，经过Schmitt触发器对输出的脉冲信号的整形处理，传送到主控芯片STM32f407。
12.根据权利要求2所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述QTI寻迹传感器电路包括多个红外光电对管，采用红外光电对管阵列，经过电压比较器对输入的信号进行二值化处理，将模拟信号转换为数字信号传输给主控芯片STM32f407；所述RFID射频卡识别电路采用NXP公司MF RC522芯片，利用SPI方式与主控芯片STM32f407交互；所述颜色识别电路采用美国TASO公司的颜色传感器芯片TCS230，通过将不同颜色的光转换为数字量的频率电信号，所述主控芯片STM32f407通过采集频率电信号来进行颜色识别。
13.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述车轮采用四轮驱动，且每只车轮的速度和转动方向均可调控，用于实现所述机器人小车的差速转弯；所述车轮还设有减振固定支架，用于所述车体的运动过程的防振；所述车轮包括两只65mm车轮和两只80mm车轮，所述两只65mm车轮安装在所述顶板上，所述两只80mm车轮安装在所述底板上。
14.根据权利要求1所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车，其特征在于：所述顶板PCB板上安装有可自由弯曲的USB迷你风扇，利用改变风扇的角度实现无死角灭火；所述底板PCB板上还安装有语音喇叭；所述顶板PCB板上还安装有电池；所述顶板PCB板上设置有USB和充电/供电接口。
15.一种用于权利要求1-14任一权利要求所述的基于STM32F4微控制器的教学机器人小车的收纳箱，其特征在于：包括根据所述教学机器人小车外形尺寸量体设计的箱体和箱盖，所述箱体内设置有多个专用隔层，用于放置相应的组装配件。
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