【21年电赛】智能送药小车项目全解析——硬件讲解
一、项目概述
1.1 项目背景
本项目基于2021年全国大学生电子设计竞赛F题“智能送药小车”展开。题目要求设计一台能够自主识别病房号、装载药品并自动运送至指定病房，随后返回药房的小车系统。整个任务流程模拟医院场景中的药品配送：工作人员将数字标号纸张展示给小车，小车识别后等待药品装载，确认装载完成后自动出发，沿走廊寻径行驶至目标病房，停车等待卸载，卸载完成后自动掉头返回药房，完成任务。基本要求包括：识别数字标号、检测药品装载、沿红线寻径行驶、在路口转向、到达病房后等待卸载、自动掉头返回药房。单次送药流程需在20秒内完成。发挥部分还涉及两车协同、无线通信等扩展功能。
1.2 系统组成小车系统由以下核心模块组成：
主控MCU：CW32L012，负责整车调度与外设控制
摄像头模块：K230开发板，负责数字识别
巡线模块：五路智能寻线模块，基于CW32L010开发
电机与编码器：带编码器的直流减速电机，左右轮各一个
人机交互：OLED屏、按键、LED、蜂鸣器
电源管理：电池供电，ADC电压监测
1.3 设计思路
整个系统采用模块化设计，硬件选型注重稳定性与扩展性，软件架构清晰，便于调试与功能扩展。核心思想是：分工明确、模块解耦、参数集中、便于标定。
K230负责视觉识别，CW32负责运动控制与任务调度
巡线模块负责方向修正，编码器负责距离测量
任务参数以宏定义形式集中管理，方便根据实际地图调整
主程序采用状态机结构，流程清晰，易于扩展
二、硬件详解
2.1 主控芯片CW32L012
CW32L012是基于ARM Cortex-M0+内核的微控制器，主频可达96MHz，配备64KB Flash与4KB SRAM。其核心优势包括：
-安全机制：支持硬件奇偶校验，可将存储区划分为只能执行指令但不能直接读数据的区域，保护核心代码不被抄袭
IO口滤波：所有IO口自带滤波防抖动，比软件滤波更省事，抗干扰效果好
高级定时器：支持多路互补PWM输出，适合电机控制与数字电源
Cordic硬件运算模块：做三角函数、开方等数学计算速度极快，相比软件运算快几十到上百倍，节省内存，减轻CPU负担
-低功耗与宽电压：待机功耗低，电压范围宽，适合电池供电场景
抗干扰性能：经过三万伏高压放电、小黑盒、特斯拉线圈等严苛干扰测试，设备依旧稳定运行
-模拟外设丰富：集成2路轨到轨运放、2路DAC、2路12位ADC，最高1M采样速率，支持9种编码器模式
2.2 巡线模块
采用基于CW32L010开发的五路智能寻线模块，由5路可见光白光LED发射与光敏三极管接收组成。
硬件原理：
LED发射可见光，照射到不同颜色区域反射回来
光敏三极管接收反射光，两端电压随光强变化
ADC采集电压值，转换为数字量
白色区域反射强，三极管导通强，电压低（约0.2V）
黑色线条吸收光，三极管导通弱，电压高（2~3V）
软件原理：
设置比较阈值COMPARE_VALUE，默认200
循环比较实时ADC值与校准白值
差值大于阈值则认为压线
校准值存储在Flash中，断电不丢失
模块输出数字高低电平给主控
颜色识别扩展：
为只识别红线、不识别黑线，将简单作差比较改为区间判断。只有ADC值落入红色区间时判定结果才返回1，区间外返回0。这需要精确测量各颜色对应的ADC值。
2.3 电机与编码器
电机驱动：
使用带编码器的直流减速电机，左右轮各一个
方向控制引脚：PB3、PB4、PB5、PA12
以右轮为例：PB3高电平、PB4低电平则正转，翻转则反转
PWM调速使用GTIM1的通道3与通道4
预分频系数16，重装载值400，PWM频率7.5kHz
编码器：
左轮编码器接入GTIM2的CH1、CH2
配置为硬件四倍频正交编码器模式
定时器硬件自动识别A、B两相脉冲相位关系，自动加减计数
无需CPU中断，CPU只需在需要时读取计数器值
四倍频模式下，每个完整脉冲周期计四次，分辨率提高四倍
2.4 摄像头模块
数字识别采用01科技K230开发板。
硬件组成：
Type-C口：烧录和调试
SD卡插口：需拷贝官方镜像
UART通信：5V供电、GND、TX、RX
蓝色LED：供电不足时亮起
红色LED：上电即亮
复位按钮
模型训练：
搜集照片，可自己拍或网上找
通过官方训练平台训练视觉模型
得到.py文件和.kmodel文件
.py供K230运行，.kmodel是模型文件
在IDE修改调试后放入K230
2.5 人机交互外设
LED：
LED2（PC13）：绿色，任务完成指示
LED3（PC14）：红色，等待装载指示
LED4（PC15）：红色，等待卸载指示
均为低电平点亮
蜂鸣器：
PA15驱动，高电平鸣叫
NPN三极管基极经限流电阻R4连接PA15，发射极接地
R5下拉电阻防止上电误导通
R4限制基极电流，保护IO口
按键：
SW1连接PA5，内部上拉输入
松开时高电平，按下时低电平
软件检测下降沿并消抖
OLED屏：
128x64分辨率，I2C通信
实时显示小车状态与电池电压
通过显存方式存储像素状态
ADC电压采集：
电池电压经1/6分压后送入PA4
软件读取ADC值后乘6还原真实电压
使用内部1.2V基准反推参考电压
指数平滑滤波防止电压突变
