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(jì)方法。采用LDC1000設(shè)計(jì)一種金屬循跡智能小車，介紹系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)對報(bào)警、顯示及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制，從而使小車能夠沿著金屬鐵絲軌跡自動(dòng)行駛，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，實(shí)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(bào)警； 智能循跡小車； 金屬檢測； LDC1000

中圖分類號(hào)： TN02?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dòng)尋跡小車是一個(gè)運(yùn)用傳感器、單片機(jī)、信號(hào)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對硬幣的檢測[3?4]。圖1為小車循跡運(yùn)行示意圖。

本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對報(bào)警、顯示及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制[5?7]。當(dāng)小車在跑道上探測到硬幣時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示，液晶顯示屏可以顯示小車運(yùn)行的時(shí)間及金屬傳感器采得的數(shù)值[8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要由控制模塊、金屬循跡模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊、報(bào)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(shí)現(xiàn)對小車的行駛、報(bào)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(dòng)模塊使小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)動(dòng)作；顯示模塊顯示小車的運(yùn)行時(shí)間和金屬傳感器采集的數(shù)值；報(bào)警模塊可在小車檢測到硬幣時(shí)發(fā)出聲音提示；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(bào)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(gè)自制線圈，將其連接交變電流，形成一個(gè)交變電磁場，當(dāng)金屬材質(zhì)物體進(jìn)入該磁場時(shí)，金屬材質(zhì)物體就會(huì)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(huì)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(jì)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(shí)現(xiàn)對LDC1000的控制，完成時(shí)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(dòng)模塊

2.5 液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)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(bào)警模塊

報(bào)警采用蜂鳴器，當(dāng)小車經(jīng)過硬幣時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)硬幣，蜂鳴器報(bào)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(jì)

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(huì)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(yùn)行時(shí)，LDC1000傳感器會(huì)采集相應(yīng)的數(shù)值；當(dāng)小車前進(jìn)過程中遇到硬幣時(shí)，LDC1000傳感器采集的數(shù)值會(huì)明顯變大；當(dāng)小車偏離運(yùn)行軌道時(shí)，金屬傳感器采集的數(shù)值會(huì)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(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行， 用 LDC1000進(jìn)行信號(hào)采集，把采集到的信號(hào)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(hào)傳給51單片機(jī)，51單片機(jī)對信號(hào)進(jìn)行處理，然后根據(jù)信號(hào)的大小控制小車進(jìn)行報(bào)警、直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，當(dāng)檢測到硬幣后發(fā)出聲音信號(hào)，如此重復(fù)上述步驟。

3.3 PWM調(diào)速代碼

4 實(shí)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(gè)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(shí)，用透明膠帶貼在跑道上。同時(shí)，在任意位置放置硬幣，實(shí)現(xiàn)報(bào)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(shí)地進(jìn)行報(bào)警提示，直行路段運(yùn)行良好，轉(zhuǎn)彎程序能夠轉(zhuǎn)彎，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)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(yùn)用STM32和STC51兩種芯片，觸發(fā)外圍模塊，實(shí)現(xiàn)小車的循跡和硬幣檢測。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，小車能很好地完成所有功能，且運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 莫家業(yè).基于LDC1314的金屬絲循跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，10（3）：17?20.

MO Jiaye. Design and implementation of wire tracking car based on LDC1314 [J]. Journal of Guangxi Vocational and Technical College， 2017， 10（3）： 17?20.

[2] 呂云芳，陳帥帥，郝興森，等.基于C51高級語言程序控制的智能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（3）：142?145.

L? Yunfang， CHEN Shuaishuai， HAO Xingsen， et al. Design and implementation of intelligent tracking car based on C51 advanced language program control [J]. Research and exploration in laboratory， 2015， 34（3）： 142?145.

[3] 程叢叢，田為民，秦雷.基于單片機(jī)的智能循跡小車[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017，32（7）：2.

CHENG Congcong， TIAN Weimin， QIN Lei. Intelligent tracking car based on MCU [J]. Shandong industrial technology， 2017， 32（7）： 2.

[4] 齊悅.基于STC90C52智能循跡小車的設(shè)計(jì)[J].太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，15（3）：23?26.

QI Yue. Design of intelligent tracking car based on STC90C52 [J]. Journal of Taiyuan Normal University （natural science edition）， 2016， 15（3）： 23?26.

[5] 尹杰，楊宗帥，聶海，等.基于紅外反射式智能循跡遙控小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（23）：178?180.

YIN Jie， YANG Zongshuai， NIE Hai， et al. Intelligent tracking based on infrared reflection type telecontrol car system design [J]. Electronic design engineering， 2013， 21（23）： 178?180.

[6] 魏雅.基于藍(lán)牙控制的循跡智能小車的設(shè)計(jì)與研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016，45（4）：88?89.

WEI Ya. The research and design of intelligent vehicle tracking system based on Bluetooth [J]. Automation & instrumentation， 2016， 45（4）： 88?89.

[7] 雷永剛，吳文靜.基于圖像的智能循跡小車設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2015，17（5）：30?32.

LEI Yonggang， WU Wenjing. Design of intelligent tracking car based on image [J]. Farm machinery using & maintenance， 2015， 17（5）： 30?32.

[8] 高振新，孫建紅.基于MSP430的智能循跡運(yùn)料小車設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（8）：71?74.

GAO Zhenxin， SUN Jianhong. Design of intelligent tracking material car based on MSP430 [J]. Research and exploration in laboratory， 2016， 35（8）： 71?74.

[9] XIN Y， LIANG H W， MEI T. A new dynamic obstacle collision avoidance system for autonomous vehicles [J]. International journal of robotics & automation， 2015， 30（3）： 278?288.

[10] 朱丹.基于激光傳感器的智能循跡小車設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016，45（22）：254.

ZHU Dan. Design of intelligent tracking car based on laser sensor [J]. Electronic technology and software engineering， 2016， 45（22）： 254.