文 湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)高1317班 王嵩淇

電磁感應(yīng)行駛智能車傳感器

文 湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)高1317班 王嵩淇

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)智能車以檢測電磁場信號為基礎(chǔ)，通過單片機(jī)處理信號實(shí)現(xiàn)控制車體準(zhǔn)確沿著預(yù)設(shè)路徑尋跡。

系統(tǒng)電路包括單片機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動電路、電磁傳感器電路等部分，此外系統(tǒng)還需要一些外部設(shè)備，如編碼器測速、伺服器控制轉(zhuǎn)向、直流電機(jī)驅(qū)動車體等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

二、傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

用線圈做的傳感器有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能滿足電磁場檢測的要求，并且容易實(shí)現(xiàn)，適合檢測變化的電磁場。

磁阻以及磁敏三極管對本電磁場信號（20KHz，100mA）響應(yīng)較差，所以本系統(tǒng)采用線圈作為電磁場傳感器，通過串聯(lián)諧振原理，輸出信號較大，并且隨著位置改變，輸出信號也有很明顯的變化。

根據(jù)傳感器總體結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)的傳感器電路圖包括LC串聯(lián)諧振電路感應(yīng)電磁場信號，經(jīng)后級放大電路放大弱小信號，通過半橋檢波和低通濾波器后輸出直流信號。

在選取LC串聯(lián)諧振電路時，采用電感和自制線圈方法，由于自制線圈不易固定其電感值，無法找到匹配電容?？紤]到諸多因素，最終選取10mH電感和6.8nF電容作為LC串聯(lián)諧振電路。

圖2 傳感器電路圖

選取三極管作為放大元件。半波檢波電路通過兩個二極管實(shí)現(xiàn)，經(jīng)試驗(yàn)后本系統(tǒng)采用FR104高速二極管作為檢波二極管，前級輸出半波波形經(jīng)過低通濾波器后輸出直流信號。傳感器電路如圖2所示。

圖3 傳感器位置與直流輸出關(guān)系

圖4 左、右兩個傳感器差值曲線

通過LC串聯(lián)諧振電路感應(yīng)出的波形為頻率20KHz的正弦波，當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離通電漆包線時，其峰-峰值大約為54mV。當(dāng)傳感器靠近漆包線時，其峰-峰值大約為452mV。隨著偏移位置的改變，輸出波形強(qiáng)度會有很大的變化。

在相同距離下，經(jīng)過后級放大、檢波、濾波電路后，輸出直流信號在遠(yuǎn)離通電漆包線時，其直流輸出信號平均值大約為279mV，靠近漆包線時，其直流輸出信號平均值可達(dá)4.32V。

此信號可直接輸入單片機(jī)A/D接口采樣。使用12位A/D進(jìn)行采樣，數(shù)值變化范圍為44～3539。

不同位置最終直流輸出信號的圖形如圖3所示?？v坐標(biāo)Y為直流電壓值，單位是mV，橫坐標(biāo)X是偏移位置，單位是cm。對左右兩個傳感器數(shù)值進(jìn)行差值線性化處理可得到圖4。該曲線展示了一個位置所對應(yīng)的不同電壓數(shù)值，利用該曲線可辨別出車體偏離漆包線的位置。

三、單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)核心控制采用Freescale的MC9S12XS128型號16位單片機(jī)，5V電壓供電。單片機(jī)內(nèi)部資源有128KB的FLASH、8KB的RAM、8KB的DATAFLASH、I/O口有91個、總線頻率為40MHz，內(nèi)部有CAN總線、SCI、SPI，16路12位A/D、8路8位PWM輸出、16位定時器、4路PIT。

其中，16位PWM輸出能很好地控制S3010伺服器工作，實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向。12位A/D工作時鐘最大可達(dá)到8M，滿足信號采樣的需求。4路PIT可實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的上升沿和下降沿捕捉。豐富的I/O口資源能擴(kuò)展外部設(shè)備，如鍵盤、LCD、LED。

本系統(tǒng)使用了單片機(jī)內(nèi)部PWM模塊、脈沖捕捉模塊、A/D模塊、SCI模塊、SPI模塊及I/O。PWM模塊分為三路輸出，其中一路PWM輸出頻率為50Hz，正脈寬約為1.5ms~2.5ms的信號用于控制S3010伺服器。不同的正脈寬對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)向值，恒定某一輸出值后，伺服器會保持轉(zhuǎn)角不變。

另外兩路PWM輸出頻率為1KHz的信號，當(dāng)A路輸出低電平，B路輸出PWM信號時電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，通過改變正脈寬可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)A路輸出PWM信號、B路輸出低電平時則實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，用于減速控制。

脈沖捕捉模塊配置為上升沿、下降沿檢測方式，用于捕捉編碼器輸入脈沖數(shù)，通過測量輸入脈沖得到智能車運(yùn)動速率。

A/D模塊用于對傳感器輸入電壓采樣，獲得傳感器電壓數(shù)值。采用12位精度采樣，時鐘配置為2M/s，配置為4路通道循環(huán)采樣，關(guān)閉中斷采用查詢方式獲取轉(zhuǎn)換數(shù)值。

使用SCI模塊與無線模塊通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)至電腦端，其波特率配置為9600bit/s，大約一秒能發(fā)送1200字節(jié)數(shù)據(jù)。SPI模塊用于讀寫TF卡，速率配置為2M/s，能實(shí)現(xiàn)高速讀寫TF卡，記錄智能車的重要數(shù)據(jù)。

四、傳感器架設(shè)方案

由于電磁傳感器靠被動檢測電磁信號感知道路信息，所以傳感器所在位置感應(yīng)的信號為此位置的信號。為提高車速，必須在小車入彎前感知彎道，并且感知距離（稱為前瞻）越大越好。

電磁傳感器只能通過前移傳感器提高前瞻距離，架設(shè)越靠前則前瞻越大，但過于靠前會影響車體重心，降低車體的機(jī)械性能。最終本系統(tǒng)采用鋁制支架以大約40°傾角伸出，如圖5。

圖5 傳感器架設(shè)圖

最初，采用4個傳感器架設(shè)方案。但4個傳感器在入彎和出彎時切換會有復(fù)雜的耦合過程。采用3個傳感器時直接對最外面兩個傳感器進(jìn)行差值即可得到偏移量，從而消除不同組傳感器切換時帶來的不連續(xù)變化過程。

實(shí)驗(yàn)證明，本方案效果很好，在第九屆全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽中獲得39秒的好成績。

（指導(dǎo)老師：焦暢）