曾憲陽1,楊紅莉2,鄭子超1

　　(1.南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167,；2.南京工程學(xué)院 數(shù)理部,，江蘇 南京 211167)

       摘要：智能小車穩(wěn)定快速循跡一直是學(xué)者們研究的熱門話題，能在直徑0.8 mm左右的鐵絲形成的軌跡上穩(wěn)定快速循跡已成為研究的難點,。選用STM32高速單片機作為控制核心,，選用LDC1314結(jié)合四組電感線圈形成四路金屬檢測循跡傳感器，根據(jù)傳感器返回數(shù)據(jù)參數(shù)的不同即可識別區(qū)分金屬絲與硬幣,，從而實現(xiàn)循跡與報警兩種不同的任務(wù),。給出了快速循跡的算法思路。實驗結(jié)果表明,，設(shè)計的智能小車可以穩(wěn)定快速循跡，在遇到硬幣后能發(fā)出聲光報警信號,，并且小車能實時顯示行駛速度,、里程與時間。

　　關(guān)鍵詞：智能小車,；STM32單片機,；LDC1314；金屬絲；快速循跡

　　中圖分類號：TP216+.1文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.029

　　引用格式：曾憲陽,楊紅莉,鄭子超. 金屬絲循跡檢測智能小車設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用,，2016,35（24）：101-104.

0引言

　　機器人循跡小車一直是國內(nèi)近年來智能小車研究的熱門課題,，目前各大高等院校都在開展這方面的研究。每年的全國,、省大學(xué)生電子設(shè)計競賽以及機器人大賽等,，都涉及了循跡機器人小車題型。該題型學(xué)生容易上手,，控制思路明確,，學(xué)生對此興趣十分濃厚。其中機器人小車在金屬絲圍成的軌道上循跡是2016年新出現(xiàn)的研究方向,，金屬絲直徑有0.8 mm左右,，在金屬絲軌道旁邊還有1角硬幣，要求小車在快速循跡的過程中能識別出硬幣,，并發(fā)出聲光報警信號,，同時小車不得沖出跑道。這就要求傳感器不僅具有高靈敏度識別判斷能力,，并且控制系統(tǒng)還要具有較強的穩(wěn)定性,。基于此,，本文設(shè)計了一套滿足要求的金屬絲智能機器人循跡小車,，并且給出了一定的分析與論證。

1系統(tǒng)設(shè)計思路

　　選用STM32單片機組成最小系統(tǒng)電路作為主控制模塊以提高控制速度,；采用TI公司提供的高靈敏度傳感器LDC1314來檢測金屬絲的位置,；采用多個三極管形成H橋作為電機驅(qū)動電路；OLED液晶模塊用來實時顯示小車當(dāng)前行駛的時間,、里程,、速度等信息［12］，因此系統(tǒng)主要由控制核心模塊,、電機驅(qū)動模塊,、循跡模塊、編碼測速模塊,、按鍵顯示模塊,、聲光報警模塊等幾部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

2硬件電路設(shè)計

　　2.1主控制系統(tǒng)模塊設(shè)計

　　方案比較與選擇：

　　方案一：選用目前較常用的51單片機作為控制核心進行控制,。51單片機雖然比較常用，但控制速度較慢,，且實際控制中對單片機片內(nèi)資源要求較高,，如PWM脈寬調(diào)制模塊在51單片機內(nèi)部并不具備,，因此需要占用單片機定時器，這會造成資源短缺,，所以舍棄該方案,。

　　方案二：選用STM32F103系列單片機［35］進行控制。該方案使用時下較為流行的STM32單片機作為主控芯片,，其片內(nèi)集成了非常豐富的外設(shè),，非常利于資源開發(fā)，因此本方案采用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片,，設(shè)計的電路如圖2所示,。　

　　2.2驅(qū)動電路模塊設(shè)計

　　方案比較與選擇：

　　方案一：選用L298N電機驅(qū)動模塊,。雖然L298N電機驅(qū)動模塊比較常用,，但是該方案在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，由于電機所需電流較大,，因此L298N對電源電壓的影響比較大,，容易引起電源電壓波動，造成其他模塊的供電不穩(wěn)定現(xiàn)象,，還會引起單片機頻繁復(fù)位,，所以該方案不可取。

　　方案二：選用TB6612電機驅(qū)動模塊,。它是一款新型直流電機驅(qū)動器件,，內(nèi)部具有大電流MOSFETH橋結(jié)構(gòu)，能獨立控制2個直流電機的正反轉(zhuǎn),，能同時提供兩路足夠的輸出電流,。它具有很高的集成度，在集成化,、小型化的電機控制系統(tǒng)中,，它可以作為理想的電機驅(qū)動器件，無論在性能和體積上都占絕對優(yōu)勢,，綜合考慮選擇使用該電機驅(qū)動模塊,。

　　2.3 金屬絲檢測電路模塊設(shè)計［6-8］

　　方案比較與選擇：

　　方案一：選用TI公司生產(chǎn)的LDC1000電路。LDC1000可用來檢測金屬物體,，但該模塊的局限性在于它為單通道器件,，只能外接一個金屬線圈作為傳感器，要想完成循跡任務(wù)就顯得力不從心,，所以該方案被舍棄,。

　　方案二：選用TI公司生產(chǎn)的LDC1314電路。該方案中,，LDC1314同樣是TI公司推出的金屬檢測感應(yīng)線圈,，相對于LDC1000來說，它具有4個檢測通道,，可同時外接4個感應(yīng)線圈作為傳感器,，對于循跡來說，非常合適,，能夠達到循跡的目的,。綜合考慮選擇LDC1314模塊電路，設(shè)計的電路原理圖如圖3所示,。

　　LDC1314通過電感線圈通入變化的電流形成變化的磁場,，如果在該交變磁場中放入金屬，產(chǎn)生的阻抗會改變該磁場數(shù)值的大小,，通過檢測磁場變化量的大小來判斷金屬是否存在,，也可識別該金屬的大小，從而區(qū)分鐵絲與硬幣,。

　　2.4聲光報警電路模塊設(shè)計

　　選用有源蜂鳴器及發(fā)光二極管作為聲光報警裝置,，考慮到I/O口驅(qū)動能力，單片機將以灌電流形式控制蜂鳴器發(fā)聲,，因此采用8550三極管作為驅(qū)動,，設(shè)計的原理圖如圖4所示。當(dāng)單片機I/O口為低電平時,，蜂鳴器發(fā)聲,，發(fā)光二極管發(fā)光，高電平時,，蜂鳴器停止發(fā)聲,，二極管熄滅。

　　2.5顯示電路模塊設(shè)計

　　顯示模塊選用OLED液晶顯示器,，可用來顯示漢字,、字符及圖形，其體積小,、重量輕,、使用方便、功耗極低,，采用3.3 V電壓供電,，便于與單片機I/O口電平匹配。其電路原理圖如圖5所示,。

　　2.6計數(shù)模塊電路設(shè)計［9 10］

　　計數(shù)模塊用來實時檢測小車行駛過程中的速度,、里程。選用光電對管ITR9702作為傳感器,，結(jié)合碼盤完成計數(shù)檢測,，由運放LM393組成比較器對檢測到的波形進行整形,，后經(jīng)電容濾波得到脈沖信號，送給單片機計數(shù)引腳,。單片機在一定的時間內(nèi)通過檢測脈沖信號的個數(shù)來計算小車行駛的速度,，結(jié)合定時器計時即可算出小車行駛的里程，再通過顯示屏實時顯示出來,，設(shè)計的計數(shù)測速模塊電路如圖6所示,。　　

3軟件程序設(shè)計

　　單片機軟件系統(tǒng)要完成的任務(wù)主要包括初始化,、傳感器數(shù)據(jù)讀取與處理,、循跡控制、速度里程檢測與計算,、實時顯示,、聲光報警等任務(wù)，由于傳感器數(shù)據(jù)讀取與處理,、循跡控制任務(wù)為緊急任務(wù),，并且具有一定的周期性，因此將此任務(wù)放在定時器T0中斷程序中執(zhí)行,，但須保證程序執(zhí)行時間遠遠小于定時器的中斷周期,。考慮到數(shù)據(jù)讀取與處理,、循跡控制任務(wù)的執(zhí)行總時間約為3 ms左右,，因此定時器中斷周期可選擇為每隔6~8 ms中斷一次。速度里程檢測計算任務(wù)放在另一定時器中斷中進行,，實時顯示及報警任務(wù)通過主程序循環(huán)調(diào)用執(zhí)行,，其中主程序流程圖如圖7所示。

4系統(tǒng)測試與分析

　　4.1硬件測試

　　首先使用示波器對LDC1314的起振及電感線圈的工作進行測試,，LDC1314能夠正常起振時方可進行下一步調(diào)試,，如果不能正常工作，應(yīng)當(dāng)重新調(diào)整初始化參數(shù),，結(jié)合示波器觀察,，使其達到最佳工作效果。

　　4.2軟件仿真測試

　　使用STLINK作為仿真器,，當(dāng)LDC1314在檢測金屬的有無,、硬幣的有無時，將檢測到的數(shù)據(jù)進行對比,，然后在軟件中設(shè)置變化閾值,，進行大概的區(qū)分判別，用以識別鐵絲與硬幣,。

　　使用STLINK仿真器對電機輸出的PWM波進行調(diào)試,，查看PWM波變化范圍是否滿足需要,，增減量是否符合常理，會不會出現(xiàn)大的波動,。通過設(shè)置發(fā)現(xiàn),，當(dāng)基礎(chǔ)PWM（滿PWM為1 000）分別設(shè)置為 220、300,、400時，PWM的波動情況均符合控制要求,。

　　4.3軟硬件聯(lián)調(diào)測試

　　通過以上測試獲得LDC1314的變化閾值,，將程序編譯下載到單片機，手握小車,，使用傳感器檢測鐵絲和硬幣,，查看小車轉(zhuǎn)動的變化邏輯，以及檢測到硬幣時蜂鳴器是否正常發(fā)聲,，如果不符合要求,，需重新對閾值進行修改，直至滿足要求為止,。

　　4.4快速循跡算法設(shè)計與分析［11 13］

　　傳感器與鐵絲的位置情況主要有5種：4個線圈均未檢測到鐵絲,、左邊第一個線圈檢測到鐵絲、左邊第二個線圈檢測到鐵絲,、右邊第一個線圈檢測到鐵絲,、右邊第二個線圈檢測到鐵絲。

　　如果4個線圈均未檢測到鐵絲,，這種狀態(tài)可能是左邊第二個線圈剛剛偏離鐵絲形成,，也可能是左邊第一個線圈剛剛偏離鐵絲形成。如果是從左邊第二個線圈偏離,，那么說明是小車完全偏離了跑道,，那么小車應(yīng)當(dāng)重復(fù)上次的運行狀態(tài)。如果小車從左邊第一個線圈偏離,，那么說明此時鐵絲正好位于兩組傳感器中間,，這時小車可以加速行駛，加快直線循跡的速度,。

　　如果小車在左邊第二個線圈上偏離出去,，此時小車應(yīng)重復(fù)上一次的運行狀態(tài)，并且需要做大角度轉(zhuǎn)向,。

　　如果小車正好處在左邊第二個線圈上,，那么一個輪子應(yīng)作適當(dāng)加速，另一個輪子應(yīng)適當(dāng)減速,，進行狀態(tài)校正,。

　　如果小車在左邊第一個線圈上偏離出去,，那么可以認為小車屬于正常狀態(tài)，因此加速前進,，在基礎(chǔ)油門上,，增加120個PWM占空比油門，這時可以保證極為穩(wěn)定的循跡和較為快速前進,。右邊線圈與鐵絲的位置狀態(tài)分析與此類似,。

　　圖8為本文設(shè)計的循跡小車實物圖，其中直徑0.8 mm鐵絲粘貼在黑膠帶下面,?！　?/p>

5結(jié)論

　　采用LDC1314四通道金屬檢測感應(yīng)傳感器對0.8 mm直徑的鐵絲形成的跑道進行了快速循跡，對幾個模塊的選型進行了比較與論證,，分析了各個模塊的工作原理,，對循跡算法做了詳細設(shè)計與分析，保證了循跡的可靠性,，同時也提升了小車循跡的速度,。最終結(jié)果表明，設(shè)計的循跡小車可以快速穩(wěn)定地循跡,，在檢測到硬幣時能發(fā)出報警聲,，而且小車在行駛過程中可實時顯示行駛速度、里程與時間,，滿足設(shè)計要求,。

　　參考文獻

　　［1］ 劉濤,呂勇,劉立雙.智能車路徑識別與控制性能提高方法研究及實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(1):54 57.

　?。?］ 朱丹峰,葛主冉,林曉雷.基于 Android 平臺的無線遙控智能小車［J］.電子器件,2013,36(3):408 412.

　?。?］ 王海,張李超,周偉光.基于STM32與PCAP01的激光切割頭隨動系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(6):52 55.

　　［4］ 陳致遠,朱葉承,周卓泉,，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(9):138 140.

　?。?］ 何川,李智,王勇軍.基于 STM32 的四旋翼飛行器的姿態(tài)最優(yōu)估計研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(12):6164.［6］ 李艷紅,李自成,孫仕琪.基于STM32單片機的金屬物體探測定位器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器,2016(4):63 66.

　　［7］ 王麗君,馬龍升,鐘皇平,，等.可自主移動的金屬物體探測定位儀設(shè)計及開發(fā)［J］.實驗技術(shù)與管理,2015,32(5):107 114.

　?。?］ 黃虎,湯惠.一種金屬物體探測定位系統(tǒng)裝置的設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(3):54 60.

　　［9］ 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社,2003.

　?。?0］ 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社,1999.

　?。?1］ 單以才,李奇林,秦劍華.基于紅外傳感器的自主循跡小車控制算法設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機床與液壓,2010,38(14):79 82.

　　［12］ 呂云芳,陳帥帥,郝興森.基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設(shè)計與實現(xiàn)［J］.實驗室研究與探索,2015,34(3):143 145.

　?。?3］ 黃剛.實時修正偏移量的循跡機器人控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報,2015,36(11):2538 2547.