遙控避障金屬探測小車

朱浩洋 解鴻林 關(guān)詩文 閆嘯風(fēng) 徐翠艷

摘 ?要：本項目設(shè)計制作一個遙控避障金屬探測小車，利用霍爾效應(yīng)原理和畢奧-薩伐爾定律，實現(xiàn)遙控避障金屬探測小車裝置。采用小車和金屬探測器兩者結(jié)合的方式，實現(xiàn)遙控操縱小車探測金屬，同時遇到障礙物小車自動躲避的功能。

關(guān)鍵詞：避障;霍爾效應(yīng);金屬探測器;遙控操縱

中圖分類號：TM764.2 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0039-02

Abstract： This project designs and makes a remote control obstacle avoidance metal detection trolley， using the principle of Hall Effect and Biot-Savart Law to realize the remote control obstacle avoidance metal detection trolley device. The combination of the trolley and the metal detector is used to realize the function of remotely operating the trolley to detect the metal and avoiding the car automatically when it encounters obstacles at the same time.

Keywords： obstacle avoidance; Hall Effect; metal detector; remote control

1 項目研究目的和意義

在我們?nèi)粘Ｉ钪校鞣N自然災(zāi)害或者意外事故時有發(fā)生。對于災(zāi)后如何順利救援，避免再次受害以及采取有效措施進行救援有著重要的意義。大學(xué)物理霍爾效應(yīng)測磁場實驗中，霍爾效應(yīng)不但可以測定半導(dǎo)體材料參數(shù)，而且利用該效應(yīng)能制成霍爾器件。霍爾器件具有結(jié)構(gòu)簡單、小型、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、輸出電壓變化大、自然壽命長等優(yōu)點。已被廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。該裝置主要是利用線性霍爾元器件，以單片機為核心，實現(xiàn)遙控避障金屬探測小車。采用小車和金屬探測器兩者結(jié)合的方式，實現(xiàn)遙控操縱小車探測金屬，同時遇到障礙物小車自動躲避的功能。主要運用領(lǐng)域包括軍事偵察與環(huán)境檢測、探測危險與排除險情，能體現(xiàn)現(xiàn)代科技的作用。

2 設(shè)計原理

主要是利用霍爾效應(yīng)原理和畢奧-薩瓦爾定律，實現(xiàn)遙控避障金屬探測小車裝置。采用小車和金屬探測器兩者結(jié)合的方式，實現(xiàn)遙控操縱小車探測金屬，同時遇到障礙物小車自動躲避的功能。

利用555定時器構(gòu)成一個多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24kHz的脈沖信號，再通過共射極放大電路形成頻率穩(wěn)定度更高、功率較大的脈沖信號。將該信號輸入到探測線圈中，使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場。由畢奧-薩伐爾定律可計算求得線圈中心軸線上某點的磁感應(yīng)強度B。將霍爾元件置于該點。由于金屬靠近時，會導(dǎo)致介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化或者由于金屬的渦流效應(yīng)削弱原磁場的作用，使霍爾元件上產(chǎn)生的電壓與無金屬產(chǎn)生的電壓不同。霍爾元件輸出電壓經(jīng)放大濾波后由單片機通過AD轉(zhuǎn)換獲得，將之與無金屬獲得電壓進行對比，判斷有無金屬。

實驗儀器與裝置如圖2所示。

3 實驗方法

如圖1整個裝置是由線圈振蕩電路、霍爾檢測放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路以及小車控制電路組成。

線圈振蕩電路由555定時器產(chǎn)生脈沖信號在探測線圈中產(chǎn)生一穩(wěn)定的交變磁場，且該磁場在中心點的磁感應(yīng)強度恒定，放置在該點的霍爾元件產(chǎn)生靜態(tài)輸出電壓。

霍爾檢測放大電路采用了線性霍爾傳感器UGN3503，檢測通電線圈周圍磁場的變化。該傳感器是依據(jù)霍爾效應(yīng)（在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通以電流，并加上和薄片表面垂直的磁場B時，在薄片橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓）制成的元件。由于該霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號十分微弱，所以對其進行處理時需要進行放大并且需通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱信號放大至0-5V，以滿足AD轉(zhuǎn)換器所要求的輸入電壓變換范圍。

AD轉(zhuǎn)換電路選用了經(jīng)濟實用的ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可對8路模擬電壓量分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為100us。

金屬探測和小車控制單元采用STC公司生產(chǎn)STC89C52芯片。由于金屬檢測電路和小車是分立的，所以采用兩塊STC89C52芯片。當金屬探測器探測到金屬時，會在相應(yīng)引腳輸出一脈沖。小車控制單元通過中斷檢測這一脈沖以實現(xiàn)簡單的信息傳送。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器同時STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，經(jīng)濟實用并且可用C語言編程。

4 數(shù)據(jù)測量與分析（表1）

在金屬橫截面積小于3.14cm2時，小車能夠探測到，但是成功率較低，達到50%。金屬橫截面積大于6cm2時，小車探測成功率基本是100%，也就是金屬障礙物橫截面積越大越容易探測。

5 結(jié)論

該裝置以單片機為核心，采用線性霍爾元件作為傳感器，同時搭載在小車上，實現(xiàn)移動遙控探測同時兼具避障的效果，在生產(chǎn)生活實際中可大范圍的應(yīng)用。但是由于外界環(huán)境變量較多，導(dǎo)致該探測裝置有稍微的誤差。在以后的應(yīng)用中可根據(jù)實際情況進一步改進，以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

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