基于電感傳感器的自動循跡小車系統設計

蔡力堅，郭業才,2

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210000; 2.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京 210044)

基于電感傳感器的自動循跡小車系統設計

蔡力堅1，郭業才1,2

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210000; 2.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京 210044)

設計了一種基于電感傳感器的自動循跡小車系統，該系統以MSP430F169為主控芯片，由電感傳感器進行數據采集，實現小車自動循跡功能。系統由光耦隔離電動機驅動模塊、減速電動機模塊、蜂鳴器聲音提示模塊、液晶顯示模塊、編碼器測速模塊、藍牙模塊、電池模塊組成；采用四輪驅動方式，由單片機輸出可變脈沖信號驅動減速直流電動機，控制小車轉向和速度；單片機通過不斷掃描傳感器4個通道輸出的數據，控制小車完成循跡動作。當檢測到障礙物時，單片機控制蜂鳴器模塊發出聲音提示；由單片機定時器模塊實現精確計時，并由編碼器測速裝置測出小車運行的實時速度，將小車的實時運行時間和行駛距離顯示在液晶屏幕上，系統設計精度高、功耗低。

智能小車； 電感檢測； 可變脈沖信號

0 引 言

近年來，智能車輛己成為車輛工程領域研究的熱點和汽車工業增長的新動力，很多發達 國家都將其納入到各自重點發展的智能交通系統當中。目前國內比較常用的循跡導航技術有光電導航、攝像頭導航等，但這些方式的局限性在于會受到白天、黑夜以及天氣狀況等因素的影響，對外部環境依賴性較大[1]。并且在數據處理和算法優化上，這些方式都存在缺陷，不能夠在一定的成本基礎上，實現高精度的要求。

本文設計了一款基于電磁感應原理的新型智能循跡小車系統。在電磁屏蔽系統的保護下，電感傳感器不會受天氣以及一些復雜環境影響，所以電磁導航對外界因素的抗干擾能力要遠遠優于基于光線或影像的導航方式。 此外，在電感傳感器基礎上，提出了一種新型的線圈放置方法及基于此的算法處理。通過調整線圈的擺放位置，在線圈與賽道發生互感效應后，將傳感器數據發送給單片機，單片機采用特定算法處理，從而判斷出小車的位置，繼而控制電動機運轉來進行下一步的運動，最終實現小車的循跡。

1 設計目標和方案選擇

1.1設計目標

該設計能夠基于電感傳感器，實現高精度的自動循跡功能。本系統采用一種新型的算法，對于6個線圈反饋的數據作不同的處理，實現對于小車的精準定位與自動控制。并且該小車能夠對于障礙物作判斷并實現聲音提示功能，還可以在液晶顯示屏上顯示實時速度與行駛距離。

1.2總方案選擇

自動循跡小車總方案如圖1所示。

圖1 自動循跡小車總方案

該設計采用電感數字轉換器作為探測器，通過傳感器探測鐵制循跡線采集數據，經單片機判斷處理后輸出可變周期性脈沖信號，驅動減速直流電動機控制小車轉向和速度[2]。當傳感器檢測到障礙物時，由單片機發出控制信號驅動蜂鳴器模塊發聲提示，在小車運行全程通過定時器實現精確計時，從而實時顯示小車運行時間；單片機通過讀取單位時間內編碼器輸出的脈沖信號個數[3-4]，來測量車輪轉速，從而實現實時顯示行駛距離。

1.3器件選擇

1.3.1單片機

主控器采用MSP430F169單片機，該單片機是一個16位單片機，采用了精簡指令集(RISC)結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令[5]。具有以下特點：①低電壓、超低功耗，工作電壓3.6～1.8 V，正常工作模式280 μA@1MHz，2.2 V，待機1.6 μA，RAM數據保存的掉電模式下0.1 μA。5級節電模式。②快速蘇醒，從待機模式下恢復工作，只需要不到6 μs。③16位精簡指令集MCU，命令周期125 ns。④12位ADC，具有內部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能；具有12位的模數轉換器可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數轉換器給設計電路板帶來的麻煩。⑤2個16位計數器，具有捕獲、門限功能。⑥具有片內比較器。⑦支持ISP(在線系統編程)，方便開發和項目升級。⑧支持序列號，熔絲位燒寫，方便簡單。⑨雙串口。⑩支持超小型封裝，64P-QFP、64P-QFN。這些特點保證了其可編制出高效率的源程序。它具有處理能力強；運算速度快，功耗低，片內資源豐富，捕獲/比較功能強，中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便等優點。

1.3.2電感傳感器

電感傳感器采用LDC1314芯片，該芯片是一種非接觸式、短程傳感技術的電感數字器芯片。通過I2C總線控制，提供了多種運行模式。能夠在灰塵、污垢、油和潮濕環境中實現導體目標的低成本、高分辨率感測，這使得它在惡劣環境中非?？煽?。并且其具有四通道采樣，能夠更方便實現對精度的要求。本系統中用該芯片實現數的采集。

1.3.3電動機驅動模塊及測速模塊

電動機驅動模塊采用ADMH2403ND實現雙路隔離，在實現L298N電動機驅動模塊基礎上通過加入光耦隔離和過流保護模塊，不僅可以減少發熱，而且可以使其輸出電流增加到6 A，使之滿足驅動減速電動機的要求，提高了整體系統的可靠性。

測速模塊則通過在車輪上加裝編碼器，用單片機檢測編碼器單位時間內輸出的脈沖個數來計算車輪的轉速，從而推算出小車的運行速度[6-7]。

2 硬件電路設計

2.1顯示電路設計

LCD12864一共有20個引腳，實際只用了18個。1引腳和20引腳直接接地，2引腳是LCD電源輸入端，19引腳LCD背光正輸入端，都接電源正極，4引腳和5引腳是LCD指令或數據的讀或寫的控制腳，在系統中接到單片機引腳單獨控制，6引腳作為使能信號，控制LCD執行指令或讀寫數據，7～14引腳是LCD的數據口，15引腳是LCD數據的串行/并行工作方式的選擇，顯示電路，如圖2所示。本系統中4、5腳分別接單片機的P4.0和P4.1口，6腳接P4.3口，7～14腳則接單片機的P5.0～P5.7口。

圖2 LCD顯示電路

2.2蜂鳴器電路設計

蜂鳴器模塊用于檢測到障礙物(硬幣)時發出提示聲音。該電路是由PNP三極管驅動蜂鳴器來實現的，由單片機I/O口來控制三極管的基極，單片機I/O口輸出低電平時，三極管導通，然后蜂鳴器正極與電源接通，蜂鳴器發出聲音提示，單片機I/O口輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止工作。本系統中該腳接單片機的P4.3口。蜂鳴器電路，如圖3所示。

圖3 蜂鳴器電路

2.3編碼器測速電路設計

編碼器測速電路是用來測量小車單位時間內的車輪轉速從而獲得小車行距離的器件。內部采用霍爾傳感器感應電動機轉動，然后通過比較器輸出脈沖信號。本系統中反饋腳接單片機的P1.0和P1.1口。編碼器測速電路[8]，如圖4所示。

圖4 編碼器測速電路

2.4電源模塊電路設計

本系統采用的電源模塊利用7805芯片將12 V航模電池電壓穩壓為5 V電壓輸出給單片機供電。電源模塊電路，如圖5所示。

圖5 電源模塊原理圖

2.5LDC1314探測器模塊電路設計

為了能夠正確驅動LDC1314電感數字轉換器，本文通過外加20 MHz晶振，數據口SDA和時鐘口SCL加上拉電阻并輔以相關濾波調理電路，實現LDC1314的正確轉接驅動[9]。探測模塊電路，如圖6所示。

圖6 LDC1314探測器模塊電路設計

INT0、INT1和INT2腳分別對應線圈1、2和3，INT3腳對應線圈4、5、6.單片機通過IIC通信協議對線圈數據進行讀值處理。

3 軟件設計

3.1電感傳感器理論分析與計算

要使LDC1314電感數字轉換器正常工作，需要根據實際應用配置相關寄存器，其中涉及有關計算如下：

LDC1314電感數字轉換器的器件頻率公式

fsensor=1/(2π·sqrt(LC))

(1)

通道參考頻率計算公式

fref=4fsensor

(2)

品質因數計算公式

Q=RP·sqrt(C/L)

(3)

頻率偏移

fOFFSET=CHXFFSET(fREF0/26)

(4)

在寄存器配置過程中還涉及一些注意事項[10]：①傳感器驅動電流設置,使用需要同時注意CONFIG寄存器相關配置；②使用CH0_IDRIVE[15:11]時,Rp Override須打開；③使用CH0_INIT_IDRIVE[10:6]時,保證AUTO_AMP_DIS位不置位。

3.2LDC1314子程序設計

LDC1314四個通道全部使用，采用I2C通信協議。前瞻3個線圈占3個通道，車頭3個線圈串聯占1個通道。若電感傳感器反饋回單片機的數值大于5時，則判斷其檢測到障礙物；若反饋值正常穩定在5以下時，則判斷其在軌道上，從而進行循跡步驟。在小車循跡過程中，傳感器4個通道同時采樣并將數據發送給單片機處理，繼而進行電動機的控制[11-12]。子程序流程圖如圖7所示。

圖7 LDC1314子程序流程圖

3.3定時器中斷子程序模塊

本文通過MSP430f169的定時器B來捕獲編碼器單位時間內輸出的脈沖個數，從而計算出車輪的轉速。定時器B流程圖，如圖8所示。

3.4小車循跡算法設計

為了使小車在循跡過程中保持一定的速度，本文采用了安置前瞻的方案[13-14]。在前瞻中，放置3個線圈并呈“品”字形擺放，如圖9所示。在檢測障礙物(硬幣)時，本文采用在車頭再放置3個線圈的方法，如圖10所示。這種方法能夠充分覆蓋賽道，繼而精確的找到障礙物并報警。

圖8 定時器中斷子程序流程圖

圖9 前瞻中線圈擺放方式圖

圖10 車頭線圈擺放方式圖

為了實現小車的的直行和左右轉彎，本文設計了如下算法：由于當線圈和賽道發生互感效應，及線圈在賽道上時，傳感器返回的數值為負。為了下文論述方便，特將傳感器返回數值為負時，記為某個線圈在軌道上。

(1) 直行。當1號線圈在軌道上，2和3號線圈均不在軌道上時，判斷此時小車的位置在直道上，此時小車應采取直行的動作。直行時，單片機控制電動機保證四輪速度保持一樣。如圖11(a)所示。

圖11 各行車狀態中線圈與軌道的位置圖

(2) 左轉彎。當1號和3號線圈在軌道外，并且2號在軌道上，判斷此時小車的位置在左彎的入彎口，此時小車應采取左轉彎的動作。左轉彎時，單片機控制左前與左后輪靜止不動，右前和右后輪保持原速(由于賽道彎道半徑與小車車身相差不大，故該設計經測試無誤)，如圖11(b)所示。

(3) 右轉彎。當1號和2號線圈在軌道外，并且3號在軌道上，判斷此時小車的位置在右彎的入彎口，此時小車應采取右轉彎的動作。右轉彎時，單片機控制右前與右后輪靜止不動，左前和左后輪保持原速(由于賽道彎道半徑與小車車身相差不大，故該設計經測試無誤)[15]，如圖11(c)所示。

該算法具有如下優點:①在過彎時，由于1號線圈始終在彎道外，小車能夠以簡單的處理，迅速做出判斷執行動作，過彎(尤其是U彎賽道)相比其他車型要更為流暢。②在直道時，由于前瞻的作用，一旦出彎后2或3號線圈將離開軌道，1號進道，立馬采取直行動作，保證速度及流暢性，防止了由于出彎使傳感器數值突然變化而導致的小車擺頭隱患。

4 結 語

該小車基于電感傳感器能夠實現循跡、檢測障礙、測速、顯示行駛距離等功能，在實際測試中，數據基本沒有誤差。后期還可改進硬件結構，對于線圈的數量和擺放還可作進一步調整，從而實現更高精度和處理速度的要求，繼而提高小車應變能力，實現更快的循跡行駛速度。

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IntelligentTrackingCarBasedonInductanceSensors

CAILijian1,GUOYecai1,2

(1.School of Electronic Engineering, Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210000, China; 2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET)，Nanjing 210044，China)

A system of intelligent car is controlled by MSP430F169 microcontroller to realize the car automatic tracking function, inductive sensors are used for data acquisition.The car is made up of coupling isolation motor drive module, geared motor modules, buzzer sound module, LCD module, encoder module, Bluetooth module, battery module.It is a four-wheel driven vehicle, driven by microcontroller which outputs variable pulse signal, and can change steering and speed by DC motor.Microcontroller can continually scan four-channel data outputted by LDC1314 and control the car to complete tracing action.If an obstacle is detected, buzzer module yields voice prompt.It uses timer module for precise timing, uses encoder speed detector to detect the car speed, the elapsed time of the car and driving distances can be displayed on the LCD screen.This paper seeks to complete the system design in high precision and low power consumption.

intelligent car; inductance detection; variable pulse signals

TP 273+.1

A

1006-7167(2017)10-0075-05

2017-02-23

國家自然科學基金項目(61673222)；江蘇高校自然科學基金重大項目(13KJA510001)；江蘇高校品牌專業建設項目(ppzy2015B134)

蔡力堅(1996-)，男，江蘇丹陽人，本科生，主要研究方向為傳感器檢測與處理技術。Tel.:18362086912；E-mail: lmgsl@outlook.com

郭業才(1962-)，男，安徽安慶人，博士，教授，博士生導師，副院長，研究方向為水聲信號處理，通信信號處理，自適應盲均衡技術。Tel.:15195831978; E-mail:guo-yecai@163.com