【proteus仿真】基于 STM32 单片机货架巡检机器人设计（仿真图+程序）

1 设计背景与意义

在仓储物流场景中，货架货物盘点、环境巡检大多依靠人工完成，工作重复、劳动强度大，人工巡检容易出现漏检。智能巡检机器人可以沿仓库预设路线自动行驶，完成货架巡检、货物信息采集工作，降低人工成本。

本项目基于 STM32 主控芯片，在 Proteus 仿真环境搭建货架巡检机器人，无需实物硬件，即可完成循迹行走、障碍物规避、货物重量采集、信息上报、异常报警全流程验证，非常适合嵌入式开发学习，也可以作为课程设计、毕业设计原型方案。

2 系统总体方案

系统以 STM32F103 单片机作为核心控制器，各功能模块组成如下：

1. 电机驱动模块：两片 L298N 驱动四轮直流电机，控制机器人前进、转向，实现仓库轨道行走。
2. 超声波避障模块：左右两组 HC‑SR04 超声波传感器，检测前方障碍物距离，防止机器人碰撞货架。
3. 红外循迹模块：红外传感器配合 PCF8591，识别地面引导黑线，机器人沿着仓库巡检轨道自动行进。
4. 货物重量检测模块：电位器模拟压力传感器，经 PCF8591 进行 ADC 采样，模拟读取货架货物重量。
5. 模拟摄像头识别与 MPU6050 姿态模块：按键模拟摄像头开关、姿态检测输入，可模拟货物图像识别、姿态监测。
6. 显示模块：LCD12864 液晶显示屏，实时显示左右障碍物距离、报警阈值、货物重量。
7. 蓝牙串口通信模块：蓝牙模块对接 Proteus 虚拟终端，打印巡检状态、摄像头开关状态等信息，模拟数据上传上位机。
8. 超重声光报警模块：三极管驱动蜂鸣器与 LED 指示灯，货物超重时，触发声光告警。

系统整体工作流程：上电完成外设初始化，机器人沿循迹轨道行驶；超声波持续检测货架、障碍物距离；ADC 采集货物重量；LCD 刷新各项参数；蓝牙串口输出巡检日志；货物超重时启动声光报警；按键控制摄像头识别功能开启与关闭。

3 Proteus 硬件电路设计

3.1 STM32 主控单元

主控采用 STM32F103 单片机，搭配复位、晶振电路，负责接收全部传感器信号，执行逻辑运算，输出电机驱动、报警、显示控制信号。

3.2 L298N 电机驱动电路

使用两片 L298N 芯片分别驱动机器人左右侧四轮电机。单片机 GPIO 输出电平，控制电机正反转，完成前进、左转、右转动作，实现仓库轨道行走。

3.3 HC‑SR04 超声波避障电路

左右前方各放置 1 组 HC‑SR04 超声波，Trig 引脚接收单片机触发信号，Echo 引脚反馈回波信号，单片机通过定时器计时换算障碍物距离，实现货架障碍物检测。

3.4 PCF8591 模数转换电路

PCF8591 通过 I2C 总线和 STM32 通信，采集红外循迹传感器、货物重量模拟电压信号，将模拟信号转换为数字量供单片机处理。

3.5 LCD12864 显示电路

LCD12864 液晶连接单片机 GPIO 口，屏幕显示巡检机器人状态、左右障碍物距离 Lj、Rj，避障阈值 L=30cm、R=30cm，以及采集得到的货物重量数值。

3.6 蓝牙通信与虚拟终端电路

蓝牙模块 RX、TX 引脚连接单片机串口，对接 Proteus 虚拟终端，输出机器人开始巡检工作！、关闭摄像头识别！等日志信息，模拟将巡检数据上传后台。

3.7 声光超重报警电路

由 NPN 三极管、蜂鸣器、LED 指示灯组成。当检测货物重量超过设定阈值，单片机输出高电平，LED 点亮，蜂鸣器鸣叫，完成超重告警。

3.8 功能按键外设

两路按键，一路模拟 MPU6050 姿态输入，一路模拟摄像头识别开关，IO 口读取按键电平，切换巡检功能。

完整 Proteus 仿真原理图如图：

4 软件设计

软件开发环境为 Keil‑MDK，基于 STM32 标准库开发，包含系统初始化、超声波测距、PCF8591 ADC 读取、LCD 显示、蓝牙串口、电机控制、按键扫描、超重报警子程序。

4.1 主程序流程

1. 系统初始化：GPIO、定时器、I2C 通信、串口、LCD 外设初始化；
2. 循环读取左右超声波，获取障碍物距离；
3. PCF8591 读取红外循迹信号、货物重量 ADC 值；
4. 扫描按键，切换模拟摄像头识别、姿态检测功能；
5. LCD 屏幕刷新距离、货物重量参数；
6. 蓝牙串口向虚拟终端输出巡检日志；
7. 根据循迹信号控制电机，机器人沿轨道前进；
8. 判断货物重量，超出阈值触发声光超重报警；
9. 判断障碍物距离，距离过近执行避障动作； 10. 循环执行巡检流程。

4.2 关键功能说明

1. 超声波货架避障：读取 HC‑SR04 测距，当距离小于 30cm 阈值，机器人减速转向，避免撞击仓库货架。
2. 红外轨道循迹：PCF8591 采集红外传感器电压，识别地面黑线，动态调整左右电机转速，保持机器人沿巡检轨道行驶。
3. 货物重量模拟采集：调节电位器模拟货架货物压力，ADC 采样换算得到货物重量，LCD 与蓝牙终端同步展示。
4. 蓝牙数据上报：串口输出巡检状态，模拟机器人将货架巡检信息上传监控终端。
5. 超重声光报警：采集重量超过设定值，蜂鸣器与 LED 工作，提示货物超重异常。

5 仿真运行效果

1. LCD12864 屏幕实时展示巡检机器人工作状态，左右障碍物距离 Lj、Rj，避障阈值以及货物重量数值。
2. Proteus 虚拟终端持续打印日志：机器人开始巡检工作！、关闭摄像头识别！，模拟仓库后台接收巡检记录。
3. 调节重量电位器，货物重量数值同步变化，超过阈值后 LED 点亮、蜂鸣器鸣响，触发超重报警。
4. 超声波检测障碍物小于阈值，机器人执行避障转向动作，防止碰撞货架。
5. 红外循迹模块识别地面黑线，机器人沿着仓库巡检轨道自动行走。
6. 按下按键，开启 / 关闭模拟摄像头识别功能，模拟货架货物图像采集。

仿真完整复现仓储场景下，机器人轨道行走、货架避障、货物重量检测、异常报警、数据上报整套巡检业务。

6 设计总结

本设计完成基于 STM32 的货架巡检机器人 Proteus 仿真，整合双路超声波避障、红外循迹、PCF8591 重量采集、LCD 本地显示、蓝牙串口通信、超重声光报警、模拟摄像头识别。全部功能可在仿真环境调试，不需要实物硬件。

本方案适合单片机课程设计、嵌入式毕业设计。后续可拓展升级：接入真实 MPU6050 姿态传感器、摄像头模块、WIFI 通信，实现真实仓库场景下的货架巡检。

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