基于金屬檢測的智能循跡小車設計

杜青 喬延華 韓淼 苗艷華 蔡乙男

摘 要： 為解決當前循跡小車存在性能穩定性差的問題，提出一種基于金屬檢測的智能循跡小車設計方法。采用LDC1000設計一種金屬循跡智能小車，介紹系統總體設計框架、硬件設計和軟件設計。采用STM32單片機處理LDC1000電感數字轉換器采集的路面信息，并通過串口通信將數據傳給STC51單片機，由51單片機對數據進行處理，實現對報警、顯示及電機驅動模塊的控制，從而使小車能夠沿著金屬鐵絲軌跡自動行駛，實現小車自動尋跡的目的。試驗結果表明，整個系統的電路結構簡單，性能穩定，實現了預期的智能小車循跡功能，具有很高的應用性。

關鍵詞： STC51單片機； 傳感器； 報警； 智能循跡小車； 金屬檢測； LDC1000

中圖分類號： TN02?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 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

自動尋跡小車是一個運用傳感器、單片機、信號處理、電機驅動及自動控制等技術實現環境感知和自動行駛的高新技術綜合體。因其成本低，電路結構簡單，可靠性高，抗干擾，可應用于無人駕駛機動車、無人工廠、倉庫、服務機器人等領域[1?2]。

目前，市面上的自動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引，本文嘗試采用金屬鐵絲作為引導，使用LDC1000電感數字轉換器作為循跡傳感器感知導引線，并在鐵絲旁放置硬幣，小車要能實現對硬幣的檢測[3?4]。圖1為小車循跡運行示意圖。

本設計采用STM32單片機處理LDC1000電感數字轉換器的數據，并通過串口通信將處理后的數據傳給STC51單片機，由51單片機實現對報警、顯示及電機驅動模塊的控制[5?7]。當小車在跑道上探測到硬幣時，蜂鳴器發出報警提示，液晶顯示屏可以顯示小車運行的時間及金屬傳感器采得的數值[8]。

1 系統總體設計方案

自動尋跡小車系統采用模塊化的設計思想，主要由控制模塊、金屬循跡模塊、電機驅動模塊、液晶顯示模塊、報警模塊和電源模塊組成，系統總體框圖如圖2所示。

各模塊主要完成的功能有：控制模塊實現對小車的行駛、報警、顯示的控制；金屬循跡模塊采用LDC1000檢測金屬信息；電機驅動模塊使小車實現前進、左轉和右轉動作；顯示模塊顯示小車的運行時間和金屬傳感器采集的數值；報警模塊可在小車檢測到硬幣時發出聲音提示；電源模塊為整個系統提供電源。

2 硬件系統的設計

2.1 控制模塊

采用STC51單片機作為主控制芯片， STM32單片機作為輔控制芯片。由STM32單片機控制金屬循跡模塊進行數據采集，并將數據傳給STC51單片機，由51單片機控制電機、顯示及報警等模塊。

2.2 LDC1000電感感測原理

LDC1000電感感測探頭的原理為：選取一個自制線圈，將其連接交變電流，形成一個交變電磁場，當金屬材質物體進入該磁場時，金屬材質物體就會產生感應電流[9?10]。感應電流的方向同線圈電流方向相反，線圈磁場方向與感應電流產生的感應磁場方向也相反。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影響感應電流的大小。金屬物體與線圈的距離越近，LDC傳感器采得的值Proximity data越大。當金屬距離線圈越遠，LDC傳感器采得的值Proximity data越小。

2.3 金屬循跡模塊

本設計采用TI推出的首款電感數字轉換器LDC1000。利用4線制SPI連接方式將LDC1000與STM32單片機相連接，通過SPI串行總線實現對LDC1000的控制，完成時序定義和數據讀取。金屬循跡模塊電路圖如圖3所示。

2.4 電機驅動模塊

2.5 液晶顯示模塊

本設計采用LCD1602液晶顯示屏，顯示屏的DB0～DB7接單片機P0口，RS，RW，LCD?E分別接P2.0，P2.1，P2.2口。

2.6 報警模塊

報警采用蜂鳴器，當小車經過硬幣時，能夠發現硬幣，蜂鳴器報警。

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 軟件系統的設計

3.1 檢測與控制算法

上電后，先檢測傳感器返回的數值并保存，不同環境下傳感器返回的數值會不同。將LDC1000傳感器放到小車車底的前方，當小車在鐵絲軌跡上運行時，LDC1000傳感器會采集相應的數值；當小車前進過程中遇到硬幣時，LDC1000傳感器采集的數值會明顯變大；當小車偏離運行軌道時，金屬傳感器采集的數值會明顯變小。由于LDC傳感器采集的數值和線圈距離金屬的遠近有關，所以可依此來決定小車是前行、左轉還是右轉。

3.2 程序流程圖

系統流程圖如圖5所示。

首先初始化 I/O，然后整個系統開始運行， 用 LDC1000進行信號采集，把采集到的信號送入STM32單片機，STM32單片機通過串口通信將采集到的數據信號傳給51單片機，51單片機對信號進行處理，然后根據信號的大小控制小車進行報警、直行、左轉、右轉等動作，當檢測到硬幣后發出聲音信號，如此重復上述步驟。

3.3 PWM調速代碼

4 實物測試與結果分析

4.1 測試方案

1） 采用軟硬件聯調方法進行測試。在整個測試過程中，對系統進行多次檢查，確定硬件電路與系統原理圖完全相同。檢查無誤后，確保硬件電路無虛焊，電機工作正常，顯示模塊數據正確，傳感器準確探測物體位置。

2） 自制符合要求的跑道，采用直徑為0.6～0.9 mm的細鐵絲作為跑道標識，用透明膠帶貼在跑道上。同時，在任意位置放置硬幣，實現報警功能的檢測。

4.2 測試結果

小車總體性能良好，發現硬幣能及時地進行報警提示，直行路段運行良好，轉彎程序能夠轉彎，基本達到了設計要求。

5 結 語

本文設計利用LDC1000電感數字轉換器，使其工作在高頻反射式電渦流傳感器狀態，對金屬進行檢測，運用STM32和STC51兩種芯片，觸發外圍模塊，實現小車的循跡和硬幣檢測。通過實驗室試驗，小車能很好地完成所有功能，且運行穩定。

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