基于電感式接近開(kāi)關(guān)自動(dòng)循跡小車的設(shè)計(jì)

車璽 孟青 中北大學(xué)（朔州校區(qū)）

前言：近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)生活方式快捷便利的需求，人工智能得到了迅速發(fā)展。智能小車也是人工智能的一個(gè)重要組成部分。智能小車可運(yùn)用于智能家具、搬運(yùn)設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。例如智能掃地機(jī)器人，使忙碌的上班族不再因打掃衛(wèi)生而煩惱，大大提高了人們的生活質(zhì)量和水平。為更好地激發(fā)在校大學(xué)生參與智能小車研究的熱情，智能小車一直是近幾年來(lái)各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的熱點(diǎn)話題。本設(shè)計(jì)則是對(duì)2018年山西省電子設(shè)計(jì)大賽自動(dòng)循跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

圖1 整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電感式接近開(kāi)關(guān)、測(cè)速傳感器、直流減速電機(jī)、LCD12864液晶顯示屏、蜂鳴器、DC-DC可調(diào)穩(wěn)壓模塊組成。通過(guò)電感式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)金屬的有無(wú)，并將此信號(hào)傳給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)以及蜂鳴器的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)循跡功能以及硬幣的檢測(cè)。通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器對(duì)小車運(yùn)行進(jìn)行精確計(jì)時(shí)，通過(guò)外部中斷對(duì)測(cè)速傳感器的脈沖數(shù)進(jìn)行精確計(jì)數(shù)從而對(duì)小車進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，最終由LCD1286實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行時(shí)間、距離以及速度。

2 方案選擇

2.1 循跡鐵絲方案

2.1.1 金屬傳感器

本設(shè)計(jì)采用的金屬傳感器為浙江滬工科技有限公司生產(chǎn)的電感式接近開(kāi)關(guān)。其型號(hào)為L(zhǎng)J18A3-8-Z/BX，輸出形式為NPN三線直流常開(kāi)，有效檢測(cè)距離為8mm，所需電壓為DC6-36V，本設(shè)計(jì)中右3節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)為其供電。可以穩(wěn)定地檢測(cè)鐵、鎳等磁性金屬，當(dāng)檢測(cè)到金屬時(shí)向單片機(jī)傳回低電平，無(wú)金屬時(shí)傳回高電平。電感式接近開(kāi)關(guān)引出的棕色線接正極，蘭色線接負(fù)極，黑色線接單片機(jī)的I/O口。

2.1.2 循跡算法

當(dāng)鐵絲位于左右兩個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)下方時(shí)，小車直行。當(dāng)鐵絲位于左側(cè)電感式接近開(kāi)關(guān)下方時(shí)，小車左轉(zhuǎn)，直到鐵絲位于中間的電感式接近開(kāi)關(guān)下方，小車恢復(fù)直行。當(dāng)鐵絲位于右側(cè)電感式接近開(kāi)關(guān)下方時(shí)，小車右轉(zhuǎn)，直到鐵絲位于中間的電感式接近開(kāi)關(guān)下方，小車恢復(fù)直行。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)直流減速電機(jī)、2個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、3節(jié)3.7V鋰電池以及LM2596S直流降壓模塊固定在一塊亞克力板上組成。3節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)后，經(jīng)LM2596S直流降壓模塊降壓后輸出6-8V的電壓向L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，每個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流減速電機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的ENA和ENB兩個(gè)使能端控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。由2對(duì)信號(hào)輸入端IN1、IN2、IN3、IN4控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2.3 硬幣檢測(cè)方案

2.3.1 硬幣檢測(cè)方法

通過(guò)使用電感式接近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡鐵絲，我們發(fā)現(xiàn)電感式接近開(kāi)關(guān)，性能穩(wěn)定且操作簡(jiǎn)單，所以硬幣檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)仍然采用電感式接近開(kāi)關(guān)。檢測(cè)辦法為采用有效檢測(cè)距離為4mm，直徑為10mm的電感式接近開(kāi)關(guān)。而1角硬幣的直徑為19.50mm，由于1角硬幣的直徑幾乎為電感式接近開(kāi)關(guān)直徑的2倍，所以當(dāng)兩個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)同時(shí)檢測(cè)到硬幣時(shí)，刺激蜂鳴器發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)硬幣檢測(cè)的功能。

2.3.2 傳感器布局

此設(shè)計(jì)采用的電感式接近開(kāi)關(guān)的外部構(gòu)造由一根螺柱和兩個(gè)螺母構(gòu)成，為了增加兩個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)同時(shí)檢測(cè)到硬幣的概率，將兩個(gè)螺母去掉，把電感式接近開(kāi)關(guān)緊挨著并排固定在一塊洞洞板上，與地面保持有效檢測(cè)距離，并用熱熔膠加固。

為了以最低的成本實(shí)現(xiàn)最理想的設(shè)計(jì)效果，我們先用三個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)并排固定在一起進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)，往后每進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)加一個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)，直到達(dá)到最理想的設(shè)計(jì)效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)6個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)并排放置時(shí)，效果較為理想。

2.4 信息顯示方案

2.4.1 顯示屏

此設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)于時(shí)間、距離、速度的實(shí)時(shí)顯示采用Nokia 5110液晶顯示屏，它可以顯示15個(gè)漢字、30個(gè)字符。接口簡(jiǎn)單，僅5根I/O線就可以驅(qū)動(dòng)，工作電壓為3.3V。

2.4.2 時(shí)間、距離、速度計(jì)量方案

此設(shè)計(jì)對(duì)于時(shí)間的計(jì)量采用單片機(jī)的內(nèi)部資源定時(shí)器；距離和速度的測(cè)量采用光電測(cè)速傳感器模塊。它可以輸出脈沖信號(hào)，一個(gè)脈沖信號(hào)中斷一次。此設(shè)計(jì)當(dāng)中，測(cè)速碼盤共20個(gè)小格，小車輪胎直徑22cm。所以單片機(jī)每接受一次中斷，小車前進(jìn)了（1.1±0.02）cm。

當(dāng)采用內(nèi)圈測(cè)距時(shí)，所測(cè)數(shù)值偏小；采用外圈測(cè)距時(shí)，所測(cè)數(shù)值偏大。為了精確地對(duì)小車行駛距離進(jìn)行測(cè)量，此設(shè)計(jì)采用兩個(gè)測(cè)速傳感器分別測(cè)量?jī)?nèi)圈和外圈地行駛距離，最后求平均值。

計(jì)算公式為：（motor1+motor2）/2*（1.1±0.02）

對(duì)于速度的測(cè)量，則采用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器，計(jì)算出小車每秒所前進(jìn)的距離即為小車的速度。

3 總體電路結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由循跡系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、硬幣檢測(cè)系統(tǒng)組成。各模塊由3節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)組成的直流電源降壓后供電。由于51單片機(jī)的主頻較慢，為了更好地達(dá)到設(shè)計(jì)效果，本設(shè)計(jì)采用3塊單片機(jī)作為每個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

4 程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的程序分為3個(gè)部分，分別是循跡程序、信息顯示程序和硬幣檢測(cè)程序。程序首先進(jìn)行初始化，循跡程序設(shè)計(jì)思路為單片機(jī)對(duì)金屬傳感器傳回的高低電平做出判斷，以確定小車的實(shí)時(shí)位置，然后根據(jù)循跡算法對(duì)小車的行駛狀態(tài)做出相應(yīng)調(diào)整使小車始終沿預(yù)定軌道行駛 。硬幣檢測(cè)程序設(shè)計(jì)思路為當(dāng)任意相鄰2個(gè)金屬傳感器同時(shí)傳回低電平時(shí)，刺激蜂鳴器發(fā)聲以提示檢測(cè)到硬幣。信息顯示程序設(shè)計(jì)思路為由定時(shí)器0中斷對(duì)小車運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)時(shí)，定時(shí)器1對(duì)小車運(yùn)行速度進(jìn)行顯示，外部中斷0測(cè)速傳感器的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)以計(jì)算出小車的運(yùn)行距離。各部分程序結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖2 循跡程序框圖

圖3 硬幣檢測(cè)程序框圖

圖4 信息顯示程序框圖