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(jī)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(jī)；LDC1314；金屬絲；快速循跡
中圖分類號：TP216+.1文獻(xiàn)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(jī)與應(yīng)用，2016,35（24）：101-104.
0引言
機(jī)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(jī)器人大賽等，都涉及了循跡機(jī)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(jī)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(qiáng)的穩(wěn)定性?；诖?，本文設(shè)計了一套滿足要求的金屬絲智能機(jī)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(jī)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(jī)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［12］，因此系統(tǒng)主要由控制核心模塊、電機(jī)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(jī)作為控制核心進(jìn)行控制。51單片機(jī)雖然比較常用，但控制速度較慢，且實際控制中對單片機(jī)片內(nèi)資源要求較高，如PWM脈寬調(diào)制模塊在51單片機(jī)內(nèi)部并不具備，因此需要占用單片機(jī)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(jī)［35］進(jìn)行控制。該方案使用時下較為流行的STM32單片機(jī)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(jī)作為主控芯片，設(shè)計的電路如圖2所示?！?/p>
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(jī)驅(qū)動模塊。雖然L298N電機(jī)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(jī)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(jī)頻繁復(fù)位，所以該方案不可取。
方案二：選用TB6612電機(jī)驅(qū)動模塊。它是一款新型直流電機(jī)驅(qū)動器件，內(nèi)部具有大電流MOSFETH橋結(jié)構(gòu)，能獨立控制2個直流電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)中，它可以作為理想的電機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行整形，后經(jīng)電容濾波得到脈沖信號，送給單片機(jī)計數(shù)引腳。單片機(jī)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(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行測試，LDC1314能夠正常起振時方可進(jìn)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(dá)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(jìn)行對比，然后在軟件中設(shè)置變化閾值，進(jìn)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(jī)輸出的PWM波進(jìn)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(jī)，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(jìn)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(jìn)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(rèn)為小車屬于正常狀態(tài)，因此加速前進(jìn)，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(jìn)。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(jìn)行了快速循跡，對幾個模塊的選型進(jìn)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(xì)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。
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