STM32单片机是由意法半导体公司推出的一系列基于ARM Cortex内核的微控制器 [4] ，广泛应用于嵌入式系统中。STM32单片机具有高性能、低功耗和丰富的外设接口，满足了多种应用需求。STM32单片机系列按照内核和性能的不同可以分为几大类，包括基于Cortex-M0/M0+内核的STM32F0系列，面向低成本和低功耗应用；基于Cortex-M3内核的STM32F1系列 [5] ，适用于通用嵌入式应用；基于Cortex-M4内核的STM32F3和STM32F4系列，提供了更高的运算性能和丰富的数字信号处理能力；基于Cortex-M7内核的STM32F7系列，具备更高的处理能力和更广泛的应用场景。此外，还有专门面向超低功耗应用的STM32L系列和带有无线连接功能的STM32WB系列等。本系统选择STM32F103C8T6单片机作为u主控，如 图2 所示。STM32F103C8T6单片机属于STM32F1系列，该系列单片机基于Cortex-M3内核，具有良好的性能和功耗平衡，适用于多种嵌入式应用。选择STM32F103C8T6单片机作为本系统的主控单元有多个原因 [1] 。首先，STM32F103C8T6单片机基于Cortex-M3内核，运行频率高达72 MHz，能够提供足够的处理能力来处理复杂的控制算法和多任务处理需求，确保小车系统的实时性和响应速度。其次，STM32F103C8T6内置了多种外设接口，包括USART、I2C、SPI和ADC等，这些接口方便与语音模块、红外传感器和电机驱动模块的连接与通信，简化了系统设计和硬件开发。此外，STM32F103C8T6具有较大的存储容量，包括64 KB的Flash存储和20 KB的SRAM，能够满足系统程序和数据存储的需求，保证系统的稳定运行。STM32F103C8T6还支持多种低功耗模式，有助于降低系统功耗，延长电池寿命，这在需要长时间运行的智能小车应用中尤为重要。STM32系列单片机有丰富的开发资源和支持，包括官方提供的固件库和开发工具以及广泛的社区支持，这使得开发过程更加顺利，遇到问题时也能迅速找到解决方案。意法半导体提供的STM32CubeMX工具能够帮助开发者快速地进行芯片配置和代码生成，提高开发效率。此外，STM32F103C8T6性价比较高，广泛的应用使其供应稳定、采购方便、成本相对低廉，STM32F103C8T6单片机外设引脚如 图3 所示。

避障传感器在智能机器人、自动驾驶汽车等应用中起着至关重要的作用，通过检测障碍物的位置和距离，帮助设备实现自动避障功能。避障传感器主要分为几类，包括超声波传感器、红外传感器、激光雷达(LiDAR)和视觉传感器等。超声波传感器利用超声波反射原理，发射超声波并接收其反射信号，通过测量超声波返回的时间差来计算物体距离。超声波传感器具有测距精度较高、抗干扰能力强等优点，适用于多种环境。然而，它在测量较小或吸声材料的物体时可能不够精确。红外传感器通过发射红外光并接收反射回来的光信号，来检测前方物体的存在和距离。红外传感器具有成本低、响应快、结构简单的特点 [6] ，广泛应用于短距离检测和避障场景。其缺点是对环境光线变化较为敏感，在强光或黑暗环境下性能可能会受到影响。激光雷达(LiDAR)通过发射激光束并测量其反射时间来构建环境的三维模型，提供高精度和高分辨率的距离和位置数据。激光雷达在无人驾驶、地图绘制等领域应用广泛，但其成本较高、功耗较大，不适合对成本和功耗敏感的小型机器人应用。视觉传感器利用摄像头采集环境图像，通过图像处理和计算机视觉算法来识别和定位障碍物。视觉传感器能够提供丰富的环境信息，但需要较高的计算能力和复杂的算法支持，受环境光线影响较大，实时性相对较低。本系统选择红外避障传感器，如 图4 所示。红外避障传感器成本低廉 [7] 、结构简单，易于集成到智能送药小车系统中，适合大规模部署。对于医院和护理院等应用场景，成本控制非常重要。其次，红外传感器响应速度快，能够实时检测前方障碍物，及时传递信号给主控单片机进行避障处理，确保小车的安全行驶。尽管红外传感器在强光或黑暗环境下性能可能有所下降，但在室内光线相对稳定的环境中，红外传感器能够提供可靠的检测性能。此外，红外传感器的安装和调试较为简单，可以根据小车的结构灵活布置多个传感器，实现全方位的障碍物检测。这对于智能送药小车在复杂环境中的导航和避障非常重要。相比于激光雷达和视觉传感器，红外传感器的功耗较低，适合依赖电池供电的小车系统，延长系统的运行时间。

语音模块在智能设备中用于接收、识别和处理用户的语音指令，使设备能够通过语音交互实现控制和功能操作。语音模块的应用广泛，包括智能家居、机器人控制、汽车电子等。语音模块主要分为几类，包括离线语音模块、在线语音模块和混合语音模块 [8] 。离线语音模块在本地进行语音识别和处理，不依赖于网络连接。这类模块的优点是响应速度快，受网络环境影响小，适用于实时性要求高和网络条件不佳的应用场景。缺点是识别能力和语音处理的复杂度有限，适用于特定命令的识别和控制。在线语音模块依赖网络 [9] ，将语音数据上传到云端服务器进行处理和识别。在线语音模块的优点是识别准确率高，能够处理复杂的语音指令和自然语言对话，适用于需要高精度语音识别的应用。缺点是需要稳定的网络连接，响应速度受到网络延迟影响，且存在一定的隐私安全问题。混合语音模块结合了离线和在线两种模式，通常在本地进行基本的语音指令识别，对于复杂的语音指令则通过网络上传到云端进行处理。混合语音模块能够在一定程度上兼顾响应速度和识别准确性，但设计和实现相对复杂，成本较高。本系统选择天问语音模块，如 图5 所示。天问语音模块具有较高的语音识别准确率和快速响应能力，能够准确识别用户的语音指令(如“小药小药，进入一号房间”)，并将其转换为数字信号传递给STM32单片机进行处理。该模块的高识别率和快速响应确保了智能送药小车的控制操作顺畅和高效。其次，天问语音模块支持离线语音识别，不依赖网络连接，适用于智能送药小车在医院和护理院等室内环境中的应用。这种离线识别方式保证了系统的稳定性和实时性，避免了因网络问题导致的语音识别延迟或失败，提高了系统的可靠性。此外，离线语音识别还能够保护用户隐私，避免语音数据上传到云端引发的安全和隐私问题。天问语音模块还具有简单易用的接口和良好的兼容性，能够方便地与STM32单片机和其他硬件模块进行连接和通信，简化了系统的设计和开发流程。其小巧的体积和低功耗特点适合集成到智能送药小车中，不会对小车的总体设计和续航能力产生较大影响。

电机驱动模块是用于控制电机运行的硬件组件，在机器人、自动化设备和嵌入式系统中起着至关重要的作用。电机驱动模块通过接收微控制器的控制信号，调整电机的转速、方向和停止状态。电机驱动模块主要分为几类，包括H桥驱动模块、MOSFET驱动模块和专用集成电路驱动模块。H桥驱动模块是最常见的一种，使用四个开关(通常是晶体管或MOSFET)构成H桥电路，能够实现电机的正转、反转和停止。H桥驱动模块结构简单，控制灵活，适用于直流电机和步进电机的驱动。MOSFET驱动模块采用MOSFET作为开关元件，具有低导通电阻和高开关速度的特点，适用于需要高效率和高频率切换的电机驱动应用。MOSFET驱动模块通常用于大功率电机的驱动。专用集成电路驱动模块是为特定类型电机设计的专用驱动芯片，集成了驱动电路和保护电路，具有高集成度和简单易用的特点。常见的专用驱动芯片包括L298N、L293D和TB6612等。本系统选择L298N电机驱动模块，如 图6 所示。L298N是一款经典的双H桥电机驱动模块，能够同时驱动两台直流电机，支持正转、反转、调速和刹车功能，满足智能送药小车对电机控制的多样需求。L298N驱动模块的设计简单可靠，广泛应用于各种小型机器人和嵌入式系统中。其次，L298N电机驱动模块的电压范围宽(4.5 V~35 V)，最大驱动电流为2 A，适用于驱动大多数中小功率直流电机，能够提供足够的动力支持小车的运动。模块内置了过热保护和过流保护功能，提高了系统的安全性和稳定性，防止因电机过载或驱动模块过热导致的损坏。L298N模块与STM32单片机的接口简单易用，PWM控制信号通过模块传递到电机，实现精确的速度和方向控制。模块的引脚布局和电路设计适合快速原型开发和调试，简化了系统的硬件设计过程。

循迹模块在智能小车中起着至关重要的作用，能够帮助车辆实现精确的路径跟随和导航。在本系统中，选择红外循迹模块的主要理由是其简单易用、成本低廉和适用于室内环境的特点。红外循迹模块通过检测地面上的红外线，确定小车所在位置，并根据预设的路径进行调整。相比于其他类型的循迹模块，如光电循迹模块或者视觉循迹模块，红外循迹模块具有成本较低、响应速度快、适用范围广等优势。在医院和护理院等室内环境中，地面通常比较平坦，且光线相对稳定，这使得红外循迹模块能够稳定地工作，提供准确的循迹功能。此外，红外循迹模块的设计和选型也相对简单，能够快速集成到系统中，并与其他传感器和控制模块协同工作，实现智能送药小车的自动导航和路径跟随功能。因此，选择五路红外循迹模块作为循迹模块的方案，能够在保证系统性能和稳定性的同时，降低系统成本，提高开发效率，循迹模块如 图7 所示。

红外避障模块通常具有三个引脚，包括VCC、GND和OUT。VCC引脚连接到正电源，提供稳定的电源给模块；GND引脚连接到地线，完成电路的回路；OUT引脚是信号输出引脚，将检测结果输出给主控单片机。当检测到障碍物时，OUT输出低电平信号，否则输出高电平信号。通过连接和读取这三个引脚，系统能够实时获取前方障碍物的检测结果，帮助智能小车快速调整行驶路线，确保安全行驶，电路设计如 图8 所示。

L298N电机驱动模块是一种常用的双H桥电机驱动模块，通常具有十个引脚。其中，1、2、15和16号引脚是电源引脚，用于连接电源，典型的工作电压范围是5 V至12 V。3、4、5和6号引脚是电机1的控制引脚，其中3号和6号引脚分别是电机1的使能端口，用于控制电机1的启停；4号和5号引脚是电机1的方向控制端口，通过给这两个引脚输入不同的逻辑电平来控制电机1的正反转。7、10、11和14号引脚是电机2的控制引脚，功能类似于电机1的控制引脚。8和9号引脚是地引脚，连接到系统的地线。L298N电机驱动模块的电路原理图主要包括两个H桥电路，用于控制两台直流电机的正转、反转和停止。H桥电路由四个开关管组成，分别是Q1、Q2、Q3和Q4。当Q1和Q4导通、Q2和Q3断开时，电机正转；当Q2和Q3导通、Q1和Q4断开时，电机反转；当Q1、Q2、Q3和Q4均断开时，电机停止。通过适当控制控制引脚的逻辑电平，可以使不同的开关管导通或断开，从而实现对电机的控制。同时，L298N模块内置了过热保护和过流保护电路，能够有效保护电机和驱动模块。整体来看，L298N电机驱动模块如 图9 所示，具有结构简单、使用方便、性能稳定的特点，适用于各种中小功率直流电机的驱动应用。

天问语音模块通常包含多个引脚，每个引脚都承担着不同的功能，用于与其他硬件组件连接和通信。其中，VCC引脚是电源引脚，用于连接模块的正电源。通常，天问语音模块的工作电压为3.3 V或5 V，具体电压取决于模块的设计要求。GND引脚是地引脚，连接到系统的地线，用于形成完整的电路回路。RXD和TXD引脚是串行通信引脚，用于模块与外部设备(如微控制器或计算机)之间的数据传输。RXD引脚接收从外部设备发送的数据，而TXD引脚发送数据到外部设备。此外，天问语音模块通常还包含一个RESET引脚，用于复位模块或者重新启动模块。通过RESET引脚，可以实现对模块的软件复位，使其恢复到初始状态。最后，天问语音模块可能还包含其他一些引脚，如LED指示灯引脚、扬声器输出引脚等，用于显示模块的工作状态或者输出语音信号。总的来说，天问语音模块的引脚功能多样，可以实现与外部设备的稳定通信和灵活控制，为语音交互系统的搭建提供了便利，语音模块电路设计如 图10 所示。

五路红外循迹模块通常具有7个引脚，每个引脚承担着不同的功能。其中，VCC引脚和GND引脚是电源引脚，分别连接到模块的正电源和地线，用于为模块提供稳定的电源供应。模块的工作电压通常在3.3 V至5 V之间，适用于各种嵌入式系统和微控制器。OUT1至OUT5引脚是红外传感器的输出引脚，每个引脚对应一个红外传感器。当检测到地面上的红外线时，相应的引脚会输出高电平信号；否则，输出低电平信号。这五个引脚可以连接到微控制器的数字输入端口，用于检测小车所在位置和控制车辆的行驶方向。除了这五个引脚外，还有一个GND2引脚，它是模块的第二个地引脚，用于连接到系统的地线，形成电路回路。通过连接这七个引脚，可以实现对五路红外传感器的稳定供电和输出信号的读取，帮助智能小车实现精准的路径跟随和导航功能。这种模块设计简单，接口清晰，适用于各种智能车辆和机器人应用，电路设计原理图如 图11 所示。

智能送药小车的红外避障程序设计简单而有效。首先，在主控单片机上编写程序，配置红外避障模块的引脚连接，将OUT引脚连接到单片机的数字输入端口。然后，设置一个循环，在每次循环中读取OUT引脚的电平状态。当OUT引脚输出低电平时，表示检测到前方有障碍物，此时主控单片机通过电机驱动模块控制小车停止或转向，避免碰撞。当OUT引脚输出高电平时，表示前方没有障碍物，主控单片机继续执行前进或其他任务。通过不断重复这个过程，智能送药小车能够实时监测前方障碍物，根据检测结果灵活调整行驶路线，确保安全行驶。这种红外避障程序设计简洁高效，能够满足小车在复杂环境中的避障需求，提高系统的可靠性和稳定性，程序设计如 图12 所示。

L298N电机驱动模块的IN1、IN2、IN3和IN4引脚的电平信号可以控制车辆的前进、后退、左转和右转。当IN1和IN2同时为高电平，IN3和IN4同时为低电平时，电机正向转动，车辆前进；当IN1和IN2同时为低电平，IN3和IN4同时为高电平时，电机反向转动，车辆后退；当IN1为高电平，IN2为低电平，IN3为低电平，IN4为高电平时，电机右转；当IN1为低电平，IN2为高电平，IN3为高电平，IN4为低电平时，电机左转。通过改变这些引脚的电平信号组合，可以实现车辆在不同方向的移动和转向，从而实现智能送药小车的灵活控制和导航，电机驱动控制程序如 表1 所示。

智能送药小车的语音程序设计主要涉及语音识别和指令执行两个方面。首先，通过天问语音模块进行语音识别，监听用户的指令。一旦识别到特定的语音指令，如“小药小药，进入一号房间”，程序将解析指令，确定用户的意图。接下来，根据指令执行相应的动作，例如，进入指定的房间送药。这涉及与电机驱动模块和红外避障模块的交互，确保小车能够安全地导航到目标房间，并在需要时避开障碍物。同时，语音程序还应具备容错机制，能够处理一些特殊情况，如指令识别错误或者无法执行的情况，程序设计如 图13 所示。

智能送药小车的五路循迹程序设计关键在于有效地利用红外循迹模块的输出信号来控制车辆的行驶方向。首先，程序需要初始化五路红外循迹模块的引脚连接，并设置相应的输入引脚作为数字输入端口。然后，进入主循环，不断地读取五路红外循迹模块输出的信号。在读取信号后，程序需要根据五路红外传感器的状态来判断小车的位置和前进方向。通常，如果某路传感器检测到地面上的黑线，那么它的输出信号为低电平；如果未检测到黑线，则输出信号为高电平。根据这些信号，程序可以判断小车当前的行驶方向。

例如，当所有传感器都未检测到黑线时，表示小车偏离了轨道，需要进行校正。此时，程序可以通过适当地控制电机驱动模块的引脚信号，使小车直行，直到有传感器检测到黑线。如果某些传感器检测到黑线，而其他传感器未检测到，则说明小车偏离了轨道，需要进行转向。程序可以根据检测到黑线的传感器数量和位置，调整电机的速度和转向角度，使小车重新对准轨道。

在电机驱动实验中，首先连接L298N电机驱动模块到STM32单片机，并将电机接入模块。编写测试程序，设定不同的控制信号组合，如1010、1001、0101和0110，对应小车的前进、后退、左转和右转。上传程序至STM32单片机，并开始实验。在实验过程中，观察小车的运动情况，并记录观察结果。根据每个控制信号组合，观察小车的运动方向、速度和轨迹。将观察结果整理成数据表格，如 表2 所示。

实验中，小车根据不同的控制信号组合，能够准确执行相应的运动动作，包括前进、后退、左转和右转。控制信号与小车运动之间存在明确的对应关系，验证了电机驱动模块的有效性和可靠性。

在语音控制实验中，首先连接天问语音模块到STM32单片机，并编写相应的语音识别程序。通过设置特定的语音指令，如“小药小药，进入一号房间”，观察系统的识别情况并记录实验结果。将实验结果整理成数据表格，包括不同语音指令的识别准确率、执行动作等信息，如 表3 所示。

实验结果表明，在语音控制实验中，系统能够准确识别特定的语音指令，并执行相应的动作。识别准确率达到90%，验证了语音控制模块的可行性和稳定性。

在避障实验中，连接红外避障模块到STM32单片机，并编写避障程序。设置小车在遇到障碍物时能够及时停止或绕开障碍物。观察实验过程中小车的避障效果，并记录实验结果。将实验结果整理成数据表格，包括不同避障情况下的探测准确率、避障动作等信息，如 表4 所示。

在避障实验中，红外避障模块能够准确探测到前方的障碍物，并根据情况执行相应的避障动作。探测准确率达到95%，在遇到障碍物时能够及时停止或绕开，确保了智能送药小车的安全行驶。