曾憲陽1,楊紅莉2,鄭子超1
(1.南京工程學院 工業中心，江蘇 南京 211167；2.南京工程學院 數理部，江蘇 南京 211167)
摘要：智能小車穩定快速循跡一直是學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定快速循跡已成為研究的難點。選用STM32高速單片機作為控制核心，選用LDC1314結合四組電感線圈形成四路金屬檢測循跡傳感器，根據傳感器返回數據參數的不同即可識別區分金屬絲與硬幣，從而實現循跡與報警兩種不同的任務。給出了快速循跡的算法思路。實驗結果表明，設計的智能小車可以穩定快速循跡，在遇到硬幣后能發出聲光報警信號，并且小車能實時顯示行駛速度、里程與時間。
關鍵詞：智能小車；STM32單片機；LDC1314；金屬絲；快速循跡
中圖分類號：TP216+.1文獻標識碼：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計［J］.微型機與應用，2016,35（24）：101-104.
0引言
機器人循跡小車一直是國內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、省大學生電子設計競賽以及機器人大賽等，都涉及了循跡機器人小車題型。該題型學生容易上手，控制思路明確，學生對此興趣十分濃厚。其中機器人小車在金屬絲圍成的軌道上循跡是2016年新出現的研究方向，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，并且控制系統還要具有較強的穩定性。基于此，本文設計了一套滿足要求的金屬絲智能機器人循跡小車，并且給出了一定的分析與論證。
1系統設計思路
選用STM32單片機組成最小系統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橋作為電機驅動電路；OLED液晶模塊用來實時顯示小車當前行駛的時間、里程、速度等信息［12］，因此系統主要由控制核心模塊、電機驅動模塊、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，系統框圖如圖1所示。
2硬件電路設計
2.1主控制系統模塊設計
方案比較與選擇：
方案一：選用目前較常用的51單片機作為控制核心進行控制。51單片機雖然比較常用，但控制速度較慢，且實際控制中對單片機片內資源要求較高，如PWM脈寬調制模塊在51單片機內部并不具備，因此需要占用單片機定時器，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［35］進行控制。該方案使用時下較為流行的STM32單片機作為主控芯片，其片內集成了非常豐富的外設，非常利于資源開發，因此本方案采用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，設計的電路如圖2所示。
2.2驅動電路模塊設計
方案比較與選擇：
方案一：選用L298N電機驅動模塊。雖然L298N電機驅動模塊比較常用，但是該方案在實踐過程中發現，由于電機所需電流較大，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定現象，還會引起單片機頻繁復位，所以該方案不可取。
方案二：選用TB6612電機驅動模塊。它是一款新型直流電機驅動器件，內部具有大電流MOSFETH橋結構，能獨立控制2個直流電機的正反轉，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、小型化的電機控制系統中，它可以作為理想的電機驅動器件，無論在性能和體積上都占絕對優勢，綜合考慮選擇使用該電機驅動模塊。
2.3 金屬絲檢測電路模塊設計［6-8］
方案比較與選擇：
方案一：選用TI公司生產的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公司生產的LDC1314電路。該方案中，LDC1314同樣是TI公司推出的金屬檢測感應線圈，相對于LDC1000來說，它具有4個檢測通道，可同時外接4個感應線圈作為傳感器，對于循跡來說，非常合適，能夠達到循跡的目的。綜合考慮選擇LDC1314模塊電路，設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，產生的阻抗會改變該磁場數值的大小，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，從而區分鐵絲與硬幣。
2.4聲光報警電路模塊設計
選用有源蜂鳴器及發光二極管作為聲光報警裝置，考慮到I/O口驅動能力，單片機將以灌電流形式控制蜂鳴器發聲，因此采用8550三極管作為驅動，設計的原理圖如圖4所示。當單片機I/O口為低電平時，蜂鳴器發聲，發光二極管發光，高電平時，蜂鳴器停止發聲，二極管熄滅。
2.5顯示電路模塊設計
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I/O口電平匹配。其電路原理圖如圖5所示。
2.6計數模塊電路設計［9 10］
計數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，結合碼盤完成計數檢測，由運放LM393組成比較器對檢測到的波形進行整形，后經電容濾波得到脈沖信號，送給單片機計數引腳。單片機在一定的時間內通過檢測脈沖信號的個數來計算小車行駛的速度，結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，設計的計數測速模塊電路如圖6所示。
3軟件程序設計
單片機軟件系統要完成的任務主要包括初始化、傳感器數據讀取與處理、循跡控制、速度里程檢測與計算、實時顯示、聲光報警等任務，由于傳感器數據讀取與處理、循跡控制任務為緊急任務，并且具有一定的周期性，因此將此任務放在定時器T0中斷程序中執行，但須保證程序執行時間遠遠小于定時器的中斷周期。考慮到數據讀取與處理、循跡控制任務的執行總時間約為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放在另一定時器中斷中進行，實時顯示及報警任務通過主程序循環調用執行，其中主程序流程圖如圖7所示。
4系統測試與分析
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行測試，LDC1314能夠正常起振時方可進行下一步調試，如果不能正常工作，應當重新調整初始化參數，結合示波器觀察，使其達到最佳工作效果。
4.2軟件仿真測試
使用STLINK作為仿真器，當LDC1314在檢測金屬的有無、硬幣的有無時，將檢測到的數據進行對比，然后在軟件中設置變化閾值，進行大概的區分判別，用以識別鐵絲與硬幣。
使用STLINK仿真器對電機輸出的PWM波進行調試，查看PWM波變化范圍是否滿足需要，增減量是否符合常理，會不會出現大的波動。通過設置發現，當基礎PWM（滿PWM為1 000）分別設置為 220、300、400時，PWM的波動情況均符合控制要求。
4.3軟硬件聯調測試
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，手握小車，使用傳感器檢測鐵絲和硬幣，查看小車轉動的變化邏輯，以及檢測到硬幣時蜂鳴器是否正常發聲，如果不符合要求，需重新對閾值進行修改，直至滿足要求為止。
4.4快速循跡算法設計與分析［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，那么小車應當重復上次的運行狀態。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，此時小車應重復上一次的運行狀態，并且需要做大角度轉向。
如果小車正好處在左邊第二個線圈上，那么一個輪子應作適當加速，另一個輪子應適當減速，進行狀態校正。
如果小車在左邊第一個線圈上偏離出去，那么可以認為小車屬于正常狀態，因此加速前進，在基礎油門上，增加120個PWM占空比油門，這時可以保證極為穩定的循跡和較為快速前進。右邊線圈與鐵絲的位置狀態分析與此類似。
圖8為本文設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。
5結論
采用LDC1314四通道金屬檢測感應傳感器對0.8 mm直徑的鐵絲形成的跑道進行了快速循跡，對幾個模塊的選型進行了比較與論證，分析了各個模塊的工作原理，對循跡算法做了詳細設計與分析，保證了循跡的可靠性，同時也提升了小車循跡的速度。最終結果表明，設計的循跡小車可以快速穩定地循跡，在檢測到硬幣時能發出報警聲，而且小車在行駛過程中可實時顯示行駛速度、里程與時間，滿足設計要求。
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