【摘" 要】基于STC32G12K128單片機，研究設(shè)計一種電磁循跡智能小車。該智能車通過采集道路中線鋪設(shè)的載流導(dǎo)線發(fā)出的電磁信號，確定小車在道路的相對位置，然后向舵機和電機輸出PWM信號，來控制小車的方向和速度，從而實現(xiàn)循跡自動行駛功能。文章首先對電磁循跡智能小車系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，然后對硬件電路中的STC32G核心板、主控電路板、電源模塊、電磁信號采集模塊和電機驅(qū)動模塊等關(guān)鍵問題提出相應(yīng)的解決方案，最后提出軟件控制程序的具體流程。

【關(guān)鍵詞】單片機；智能車；電磁尋跡；PWM；電路設(shè)計

中圖分類號：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）08-0001-05

Design of Electromagnetic Tracking Intelligent Car Based on STC32G SCM*

WANG Yingjie

（Branch of Suzhou Construction amp; Communications，Jiangsu Union Technical Institute，Suzhou 215000，China）

【Abstract】Based on the STC32G12K128 single-chip microcomputer，an electromagnetic tracking intelligent car was researched and designed. The intelligent car determines the relative position of the car on the road by collecting electromagnetic signals emitted by current-carrying wires laid on the road centerline，and then outputs PWM signals to the servo and motor to control the direction and speed of the car，thus achieving the function of automatic tracking and driving. This article firstly makes an overall design of the electromagnetic tracking intelligent car system，and then proposes corresponding solutions to key issues in the hardware circuit，such as the STC32G core board，main control circuit board，power module，electromagnetic signal acquisition module，and motor drive module. Finally，the specific process of the software control program is proposed.

【Key words】single-chip microcomputer；intelligent car；electromagnetic track；PWM；circuit design

作者簡介

王英杰（1988—），男，講師，碩士，主要從事汽車智能技術(shù)專業(yè)教育研究工作。

1" 引言

智能車輛是一個綜合系統(tǒng)，集成了環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能。它運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通信、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體[1-2]。近年來，智能車輛已成為世界車輛工程領(lǐng)域的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，許多發(fā)達(dá)國家都將其納入智能交通系統(tǒng)的重點發(fā)展領(lǐng)域[3]。

目前，在自動化控制中的智能運輸領(lǐng)域，電磁尋跡智能小車已經(jīng)開始應(yīng)用，用來代替人工完成流水式工作，從而實現(xiàn)自動化作業(yè)模式。電磁循跡的最大優(yōu)勢在于受到晝夜以及天氣等因素影響較小，對外界因素的抗干擾能力強[4]。本文采用STC（宏晶）公司的STC32G12K128單片機為主控芯片，對芯片外圍電路進(jìn)行設(shè)計，輔助軟件開發(fā)，最終實現(xiàn)一輛電磁尋跡智能小車的工程制作。STC32G系列單片機是STC新推出的32位8051單片機，不需要外部晶振和外部復(fù)位，具有超強抗干擾能力的同時兼具超低價格、高速及低功耗等特點，在相同的工作頻率下，STC32G系列單片機比傳統(tǒng)的8051約快70倍[5-6]。本文的電磁循跡指在道路中線鋪設(shè)帶有20kHz、100mA可變交流電源的載流導(dǎo)線，智能小車?yán)秒姶鸥袘?yīng)原理，通過電感傳感器檢測載流導(dǎo)線產(chǎn)生的交變磁場，來確定小車在道路上的相對位置，通過計算前方導(dǎo)線偏離車體中心的距離來進(jìn)行相應(yīng)的方向控制，從而實現(xiàn)智能小車的自動循跡行駛[7]。

2" 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計的電磁循跡智能小車希望通過電感采集電磁信號，經(jīng)過整流檢波并放大后傳入STC32G單片機，進(jìn)一步處理后獲得主要的車道信息，進(jìn)而控制舵機進(jìn)行車輛的轉(zhuǎn)向；通過編碼器檢測車速，并利用單片機進(jìn)行正交解碼，計算脈沖以獲得速度和路程；利用霍爾傳感器記圈和獲得停車入庫的時機，選擇TOF紅外模塊進(jìn)行測距，利用陀螺儀獲取車身姿態(tài)實現(xiàn)出入車庫，控制車身轉(zhuǎn)角，提高判斷的穩(wěn)定性；另外利用無線串口模塊、獨立按鍵模塊、撥碼開關(guān)模塊和OLED顯示模塊進(jìn)行輔助設(shè)置和調(diào)試。因此本設(shè)計的電磁循跡智能小車系統(tǒng)硬件除車體的機械部分以外，還應(yīng)包括：STC32G核心板（單片機最小系統(tǒng)）、主控電路板、電源模塊、電磁信號采集模塊、編碼器、陀螺儀、TOF紅外測距模塊、霍爾傳感器模塊、舵機、電機驅(qū)動模塊、電機、無線串口模塊、獨立按鍵模塊、撥碼開關(guān)模塊和OLED顯示模塊，如圖1所示。

3" 硬件電路設(shè)計

對于循跡智能車這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，硬件電路設(shè)計是非常關(guān)鍵的一部分。一個優(yōu)秀的硬件電路系統(tǒng)能夠為整個工程的成功提供堅實的基礎(chǔ)。在圖1所示的電磁循跡智能小車系統(tǒng)總體框架中，編碼器、陀螺儀、TOF紅外測距模塊、霍爾傳感器模塊、舵機、電機、無線串口模塊、獨立按鍵模塊、撥碼開關(guān)模塊和OLED顯示模塊等不需要單獨設(shè)計，可以直接選用成品，只要在主控電路板中預(yù)留好接口即可，因此該小車硬件電路設(shè)計的關(guān)鍵是STC32G核心板、主控電路板、電源模塊、電磁信號采集模塊和電機驅(qū)動模塊的設(shè)計。

3.1" STC32G核心板

STC32G核心板即STC32G單片機的最小系統(tǒng)板，是智能車設(shè)計的核心部件，該核心板對STC32G12K128-LQFP64芯片引腳進(jìn)行扇出，使用MDK for C251進(jìn)行編譯。該核心板共有49個中斷源，4級中斷優(yōu)先級，最大128kB Flash程序存儲器（ROM，Read-Only Memory），用于存儲用戶代碼，支持IIC、SPI、PWM、ADC等常見外設(shè)，最多可達(dá)60個GPIO可供使用。該核心板對于基于電磁尋跡智能小車的制作具有體積小、功能強、成本低的特點。STC32G核心板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2" 電源電路

為了給循跡小車提供適當(dāng)?shù)墓╇姡捎昧?節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V的18650鋰電池進(jìn)行串聯(lián)連接。同時，主控芯片和其他關(guān)鍵部件的工作電壓要求為5V，而轉(zhuǎn)向舵機則需要6V的供電電壓。因此，為了滿足不同組件的電力需求，電源部分需要對電壓進(jìn)行降壓處理。具體而言，需要將7.2V的輸出電壓轉(zhuǎn)換為一路5V用于供應(yīng)主控電路板，一路6V用于舵機，以及一路7.2V直接輸出用于給直流電機供電。電源電路圖如圖3所示。

在電源設(shè)計中，為了提供充足的電流并降低電源的紋波，采用德州儀器公司推出的一款Buck型開關(guān)電源調(diào)節(jié)器芯片TPS5450DDAR。該芯片具有寬輸入電壓范圍，介于5.5～36V之間，使得它能夠在不同的電壓條件下正常工作。更為重要的是，其連續(xù)輸出電流能力高達(dá)5A，峰值輸出電流更可達(dá)6A，這樣的特性確保了電源能夠為負(fù)載提供充足且穩(wěn)定的電流。在設(shè)計過程中，電阻R2端并聯(lián)了2個調(diào)試電阻，這種設(shè)計策略旨在方便后期調(diào)試，確保電源輸出的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時，為了避免計算誤差以及方便后續(xù)的優(yōu)化調(diào)整，本設(shè)計特意將電阻R5與R8保留未焊接狀態(tài)。本電源設(shè)計策略不僅考慮到了電源的基本性能要求，還兼顧了后期調(diào)試與優(yōu)化的需求，展現(xiàn)出較高的實用性和靈活性。

3.3" 主控電路板

主控電路板上集成了STC32G核心板、按鍵、撥碼開關(guān)、OLED、運載放大電路、無線串口模塊和陀螺儀模塊。這種集成設(shè)計大大提高了系統(tǒng)的緊湊性和功能性。值得注意的是，電源模塊被單獨分離成一塊板子。這種設(shè)計策略旨在減少電源模塊對其他模塊的干擾。此外，主控電路板上的接口設(shè)計非常全面，包括供電接口、電磁電感接口、舵機接口和TOF測距接口，確保了智能車在各種應(yīng)用場景下的靈活性和適應(yīng)性。在主控電路板布局和外形設(shè)計方面，本研究特別考慮了與供電板的關(guān)聯(lián)性。主控板的外形設(shè)計和固定孔的擺放與供電板相互配合，使得整體設(shè)計更加和諧統(tǒng)一。更為重要的是，為了提高智能車的穩(wěn)定性，主板布局時盡可能貼近底盤，從而有效降低重心。這種設(shè)計思路有助于提高循跡小車在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和操控性。主控電路板設(shè)計電路圖如圖4所示。

3.4" 電磁信號采集模塊

電磁信號采集模塊由電感電路和運算放大電路組成。

1）電感電路。在循跡智能小車系統(tǒng)中，準(zhǔn)確可靠的路徑識別是實現(xiàn)路徑跟蹤的關(guān)鍵所在。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，筆者使用了基于工字電感采集電感數(shù)值的路徑識別技術(shù)。工字電感作為一種能夠測量磁場變化的傳感器，被廣泛應(yīng)用于智能車的環(huán)境感知系統(tǒng)。在路徑識別過程中，工字電感被布置在智能車的底部，隨著智能車的移動，它會不斷采集周圍環(huán)境中的電感數(shù)值。這些電感數(shù)值的變化能夠精確反映智能車周圍磁場的分布情況。當(dāng)智能車行駛在不同路徑上時，由于不同路徑下磁場的特征差異，電感數(shù)值也會呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化。通過對這些電感數(shù)值的采集和分析，可以獲取關(guān)于路徑特征的重要信息。然而，直接采集到的電感數(shù)值往往包含了一定的噪聲和干擾，這會對路徑識別的準(zhǔn)確性造成一定的影響。為了解決這個問題，筆者引入了一種校準(zhǔn)電容濾波處理技術(shù)。這種濾波技術(shù)能夠有效地去除電感數(shù)值中的噪聲和干擾成分，進(jìn)而提高信號的信噪比。通過校準(zhǔn)電容濾波處理后的電感數(shù)值，能夠更加準(zhǔn)確地反映路徑的磁場特征。通過對這些數(shù)值的分析和比對，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識別出當(dāng)前循跡智能小車所處的路徑，并據(jù)此控制舵機轉(zhuǎn)向，進(jìn)行相應(yīng)的路徑跟蹤操作。電感電路圖如圖5所示。

2）運算放大電路。經(jīng)過濾波處理后的電磁信號即電感數(shù)值還需要經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大處理，以便將微弱的電感信號轉(zhuǎn)化為幅度更大的電信號，這有助于提高后續(xù)電路對信號的識別度和處理效率。放大處理完成后，經(jīng)過放大的電感數(shù)值被傳回核心板。通過對電感數(shù)值的分析和比較，核心板能夠確定循跡智能小車行駛路徑，從而實現(xiàn)循跡智能小車的路徑跟蹤。運算放大電路采用簡單的同向比例放大電路，這種電路具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。放大電路通過電位計調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，從而補償電感、電容的硬件誤差，這種調(diào)節(jié)機制有助于提高電路的整體性能和穩(wěn)定性。運算放大電路如圖6所示。

3.5" 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊是循跡智能小車的電機控制重要組成部分，它負(fù)責(zé)驅(qū)動2個直流電機，使智能車能夠按照預(yù)定的速度移動。本設(shè)計對電機驅(qū)動模塊單獨設(shè)計了一個電路板，其具體設(shè)計電路如圖7所示。

在電機驅(qū)動板上，左右2個端子分別連接2個直流電機，這使得電機能夠接收到來自驅(qū)動模塊的控制信號，并據(jù)此轉(zhuǎn)動。在電機驅(qū)動板的上方，接線端子與供電相連，這確保了驅(qū)動模塊能夠獲得所需的電源供應(yīng)。同時，排針與主控板相連，這種連接方式實現(xiàn)了主控電路板和電機驅(qū)動板之間的數(shù)據(jù)傳輸和信號交流，使得主控電路板能夠直接給電機驅(qū)動板供電并對其進(jìn)行控制。

在電機驅(qū)動板的左下角設(shè)置了一個紅燈，這個紅燈的亮滅代表是否有供電電壓。當(dāng)紅燈亮起時，表示電機驅(qū)動板正常工作，具有供電電壓；當(dāng)紅燈熄滅時，則說明電機驅(qū)動板沒有供電。這樣的設(shè)計使得使用者可以直觀地了解電機驅(qū)動板的工作狀態(tài)。為了方便循跡智能小車的調(diào)試工作，電機驅(qū)動板電路上還設(shè)置了一個開關(guān)。這個開關(guān)位于右下角，通過它可以控制電機驅(qū)動電路的通斷。當(dāng)開關(guān)接通時，右邊的藍(lán)燈會亮起，表示電機驅(qū)動電路正常工作；當(dāng)開關(guān)斷開時，藍(lán)燈熄滅，表示電機驅(qū)動電路關(guān)閉。這樣的設(shè)計極大地便利了調(diào)試過程，使得調(diào)試人員可以輕松地控制電機驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。

電機驅(qū)動模塊采用DRV8701E作為主要控制芯片來驅(qū)動電機。DRV8701E是一個H橋柵極驅(qū)動器，它集成了場效應(yīng)管柵極驅(qū)動器，用于控制4個外部NMOS場效應(yīng)管。通過這個芯片，可以實現(xiàn)對電機的精確控制，確保循跡智能小車的正常運作。

4" 軟件設(shè)計

電磁循跡智能小車在控制程序中用到的硬件資源有：PWM模塊、AD模塊、增量式編碼器、普通I/O口，整車?yán)肁D模塊采集電磁電感數(shù)據(jù)并作為判斷條件，利用PWM模塊驅(qū)動舵機和電機，其中轉(zhuǎn)向舵機采用PD控制，驅(qū)動電機采用PI控制，通過增量式編碼器進(jìn)行速度的測量反饋給處理器，構(gòu)成速度的閉環(huán)。由于電磁電感、陀螺儀、編碼器等一系列傳感器需要不斷地刷新信號，因此，大部分關(guān)鍵的感知、控制的程序放在了定時器中斷中，定時器中斷可以確保這些任務(wù)在特定的時間間隔內(nèi)被準(zhǔn)確地執(zhí)行，無論主循環(huán)中的其他任務(wù)是否正在執(zhí)行，用于不斷更新信號并作出相應(yīng)的處理。對實時性要求不高的按鍵讀取、串口收發(fā)數(shù)據(jù)、屏幕顯示刷新等部分程序放置在主循環(huán)內(nèi)。這些任務(wù)通常不需要精確的定時，而且當(dāng)它們被觸發(fā)時，例如按鍵被按下或數(shù)據(jù)從串口接收，它們可能需要一些處理時間。將這些任務(wù)放在主循環(huán)中可以確保它們在需要時能夠被處理，而不會因為被高優(yōu)先級的定時器中斷打斷而錯過。軟件控制程序的流程圖如圖8所示。

5" 結(jié)束語

電磁循跡智能小車的設(shè)計涉及到多個領(lǐng)域的知識，包括電子工程、機械工程、計算機科學(xué)等。在這個工程中，軟件和硬件的相互配合是至關(guān)重要的。在硬件方面，電磁循跡智能小車的設(shè)計需要考慮到多個因素，如車體的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、傳感器等。驅(qū)動系統(tǒng)則需要選擇合適的電機和驅(qū)動器，以確保智能車能夠按照預(yù)定的路徑快速而穩(wěn)定地移動。電源系統(tǒng)需要提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，以確保智能車的持續(xù)運行。同時，傳感器是智能車中的關(guān)鍵部件，它們能夠感知周圍環(huán)境的變化，為智能車提供路徑跟蹤的依據(jù)。該設(shè)計方案已在第十八屆全國大學(xué)生智能車競賽中應(yīng)用并取得較好成績，證明該方案切實有效，完全達(dá)到設(shè)計預(yù)期，為智能車輛技術(shù)在實際應(yīng)用中提供了有益的參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張麗霞，田碩，潘福全，等. 基于MPC的智能車輛路徑規(guī)劃與跟蹤控制[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，45（1）：1-11，117.

[2] 張德宇，侯立剛，張曉勇，等. 基于MC9S12XS128單片機的多功能智能小車系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2014，22（11）：100-102，106.

[3] 楊飛，張榮. 依托智能汽車競賽的新工科人才培養(yǎng)模式探索[J]. 教育現(xiàn)代化，2018，5（34）：1-2.

[4] 秦磊，王佳宇，黃名揚，等. 基于單片機的電磁循跡智能車系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（7）：102-104，109.

[5] 楊亞男，姚世豪，吳振輝. 基于STC32G/STC8H系列單片機的多功能開發(fā)學(xué)習(xí)板[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（10）：159-162.

[6] 李蔣. 基于51單片機的汽車用LED流水燈仿真設(shè)計[J]. 汽車電器，2023（1）：28-31，35.

[7] 肖玉萌，程登良，楊文俊. 電磁循跡智能小車設(shè)計[J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2021，35（1）：75-80.

（編輯" 楊凱麟）