基于金屬檢測的智能循跡小車設(shè)計

杜青 喬延華 韓淼 苗艷華 蔡乙男

摘 要： 為解決當(dāng)前循跡小車存在性能穩(wěn)定性差的問題，提出一種基于金屬檢測的智能循跡小車設(shè)計方法。采用LDC1000設(shè)計一種金屬循跡智能小車，介紹系統(tǒng)總體設(shè)計框架、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。采用STM32單片機(jī)處理LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器采集的路面信息，并通過串口通信將數(shù)據(jù)傳給STC51單片機(jī)，由51單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)對報警、顯示及電機(jī)驅(qū)動模塊的控制，從而使小車能夠沿著金屬鐵絲軌跡自動行駛，實現(xiàn)小車自動尋跡的目的。試驗結(jié)果表明，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了預(yù)期的智能小車循跡功能，具有很高的應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞： STC51單片機(jī)； 傳感器； 報警； 智能循跡小車； 金屬檢測； LDC1000

中圖分類號： TN02?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0119?04

Abstract： A design method of intelligent tracking car based on metal detection is proposed to improve the stability of the available tracking car. The LDC1000 is used to design a metal intelligent tracking vehicle. The overall design framework， hardware design and software design of the system are introduced. The STM32 microcontroller is adopted to process the road information acquired by LDC1000 inductance digital converter， and send the data to the STC51 microcontroller through serial communication. The STC51 microcontroller is used to process the data， control the alarming， display and motor driving module， which can make the car travel along the metal wire path automatically， and realize the purpose of car automatic tracing. The test results show that the whole system has simple circuit structure， stable performance and high applicability， and realizes the expected function of intelligent car tracking.

Keywords： STC51 microcontroller； sensor； alarming； intelligent tracking car； metal detection； LDC1000

0 引 言

自動尋跡小車是一個運用傳感器、單片機(jī)、信號處理、電機(jī)驅(qū)動及自動控制等技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境感知和自動行駛的高新技術(shù)綜合體。因其成本低，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，抗干擾，可應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動車、無人工廠、倉庫、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域[1?2]。

目前，市面上的自動尋跡小車大多是基于光電傳感器，并采用黑色膠帶黏在白色地板上作為導(dǎo)引，本文嘗試采用金屬鐵絲作為引導(dǎo)，使用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為循跡傳感器感知導(dǎo)引線，并在鐵絲旁放置硬幣，小車要能實現(xiàn)對硬幣的檢測[3?4]。圖1為小車循跡運行示意圖。

本設(shè)計采用STM32單片機(jī)處理LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，并通過串口通信將處理后的數(shù)據(jù)傳給STC51單片機(jī)，由51單片機(jī)實現(xiàn)對報警、顯示及電機(jī)驅(qū)動模塊的控制[5?7]。當(dāng)小車在跑道上探測到硬幣時，蜂鳴器發(fā)出報警提示，液晶顯示屏可以顯示小車運行的時間及金屬傳感器采得的數(shù)值[8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

自動尋跡小車系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，主要由控制模塊、金屬循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊、報警模塊和電源模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

各模塊主要完成的功能有：控制模塊實現(xiàn)對小車的行駛、報警、顯示的控制；金屬循跡模塊采用LDC1000檢測金屬信息；電機(jī)驅(qū)動模塊使小車實現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)動作；顯示模塊顯示小車的運行時間和金屬傳感器采集的數(shù)值；報警模塊可在小車檢測到硬幣時發(fā)出聲音提示；電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制模塊

采用STC51單片機(jī)作為主控制芯片， STM32單片機(jī)作為輔控制芯片。由STM32單片機(jī)控制金屬循跡模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳給STC51單片機(jī)，由51單片機(jī)控制電機(jī)、顯示及報警等模塊。

2.2 LDC1000電感感測原理

LDC1000電感感測探頭的原理為：選取一個自制線圈，將其連接交變電流，形成一個交變電磁場，當(dāng)金屬材質(zhì)物體進(jìn)入該磁場時，金屬材質(zhì)物體就會產(chǎn)生感應(yīng)電流[9?10]。感應(yīng)電流的方向同線圈電流方向相反，線圈磁場方向與感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場方向也相反。而金屬材料物體的體積、材料成分以及金屬物體與線圈之間的距離都會影響感應(yīng)電流的大小。金屬物體與線圈的距離越近，LDC傳感器采得的值Proximity data越大。當(dāng)金屬距離線圈越遠(yuǎn)，LDC傳感器采得的值Proximity data越小。

2.3 金屬循跡模塊

本設(shè)計采用TI推出的首款電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器LDC1000。利用4線制SPI連接方式將LDC1000與STM32單片機(jī)相連接，通過SPI串行總線實現(xiàn)對LDC1000的控制，完成時序定義和數(shù)據(jù)讀取。金屬循跡模塊電路圖如圖3所示。

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

2.5 液晶顯示模塊

本設(shè)計采用LCD1602液晶顯示屏，顯示屏的DB0～DB7接單片機(jī)P0口，RS，RW，LCD?E分別接P2.0，P2.1，P2.2口。

2.6 報警模塊

報警采用蜂鳴器，當(dāng)小車經(jīng)過硬幣時，能夠發(fā)現(xiàn)硬幣，蜂鳴器報警。

2.7 電源模塊

電源模塊采用靈活方便的單電源供電模式，為所有模塊供電，小車采用7.2 V鎳鎘充電電池供電。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 檢測與控制算法

上電后，先檢測傳感器返回的數(shù)值并保存，不同環(huán)境下傳感器返回的數(shù)值會不同。將LDC1000傳感器放到小車車底的前方，當(dāng)小車在鐵絲軌跡上運行時，LDC1000傳感器會采集相應(yīng)的數(shù)值；當(dāng)小車前進(jìn)過程中遇到硬幣時，LDC1000傳感器采集的數(shù)值會明顯變大；當(dāng)小車偏離運行軌道時，金屬傳感器采集的數(shù)值會明顯變小。由于LDC傳感器采集的數(shù)值和線圈距離金屬的遠(yuǎn)近有關(guān)，所以可依此來決定小車是前行、左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

首先初始化 I/O，然后整個系統(tǒng)開始運行， 用 LDC1000進(jìn)行信號采集，把采集到的信號送入STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)信號傳給51單片機(jī)，51單片機(jī)對信號進(jìn)行處理，然后根據(jù)信號的大小控制小車進(jìn)行報警、直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作，當(dāng)檢測到硬幣后發(fā)出聲音信號，如此重復(fù)上述步驟。

3.3 PWM調(diào)速代碼

4 實物測試與結(jié)果分析

4.1 測試方案

1） 采用軟硬件聯(lián)調(diào)方法進(jìn)行測試。在整個測試過程中，對系統(tǒng)進(jìn)行多次檢查，確定硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同。檢查無誤后，確保硬件電路無虛焊，電機(jī)工作正常，顯示模塊數(shù)據(jù)正確，傳感器準(zhǔn)確探測物體位置。

2） 自制符合要求的跑道，采用直徑為0.6～0.9 mm的細(xì)鐵絲作為跑道標(biāo)識，用透明膠帶貼在跑道上。同時，在任意位置放置硬幣，實現(xiàn)報警功能的檢測。

4.2 測試結(jié)果

小車總體性能良好，發(fā)現(xiàn)硬幣能及時地進(jìn)行報警提示，直行路段運行良好，轉(zhuǎn)彎程序能夠轉(zhuǎn)彎，基本達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計利用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使其工作在高頻反射式電渦流傳感器狀態(tài)，對金屬進(jìn)行檢測，運用STM32和STC51兩種芯片，觸發(fā)外圍模塊，實現(xiàn)小車的循跡和硬幣檢測。通過實驗室試驗，小車能很好地完成所有功能，且運行穩(wěn)定。

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