杜庆乔艳华韩淼苗艳华蔡亦南
摘要：针对目前循迹小车性能稳定性差的问题，提出了一种基于金属探测的智能循迹小车的设计方法。采用LDC1000设计金属循迹智能小车，介绍了系统总体设计框架、硬件设计和软件设计。利用STM32单片机对LDC1000电感数字转换器采集的道路信息进行处理，将数据通过串行通信传输给STC51单片机，51单片机对数据进行处理实现对报警、显示和电机驱动模块的控制，使小车沿金属线轨道自动行驶，实现小车自动循迹的目的。实验结果表明，整个系统电路结构简单，性能稳定，实现了预期的智能小车循迹功能，具有较高的适用性。
关键词：STC51单片机；传感器；报警器；智能循迹小车；金属探测；LDC1000
中图分类号：TN02?34;TP273 文献标识码：A 文章编号：1004?373X(2018)17?0119?04
摘要：为提高现有循迹小车的稳定性，提出一种基于金属探测的智能循迹小车的设计方法，采用LDC1000设计一种金属智能循迹小车，介绍了系统总体设计框架、硬件设计和软件设计。采用STM32单片机对LDC1000电感数字转换器采集的道路信息进行处理，并通过串口通信将数据发送给STC51单片机，STC51单片机对数据进行处理并控制报警、显示及电机驱动模块，使小车自动沿金属线路径行驶，实现小车自动循迹的目的。测试结果表明，整个系统电路结构简单、性能稳定、适用性强，实现了智能小车循迹的预期功能。
关键词： STC51单片机； 传感器； 报警； 智能跟踪小车； 金属探测； LDC1000
0 前言
自动循迹小车是利用传感器、单片机、信号处理、电机驱动和自动控制等技术实现环境感知和自动驾驶的高科技综合体，具有成本低、电路结构简单、可靠性高、抗干扰等特点，可应用于无人驾驶汽车、无人工厂、仓库、服务机器人等领域[1-2]。
目前市场上的自动循迹小车大多采用光电传感器，用黑色胶带粘贴在白色地板上作为引导。本文尝试采用金属导线作为引导，用LDC1000电感数字转换器作为循迹传感器感应引导导线，在导线旁边放置一枚硬币，小车必须能检测到硬币[3-4]。图1为小车循迹运行示意图。
本设计采用STM32单片机对LDC1000电感数字转换器的数据进行处理，并通过串口通信将处理后的数据传送给STC51单片机，51单片机控制报警、显示、电机驱动模块[5-7]，当小车在跑道上检测到硬币时，蜂鸣器发出报警声，液晶屏可显示小车的运行时间以及金属传感器采集到的数值[8]。
1 系统总体设计
自动循迹小车系统采用模块化设计理念，主要由控制模块、金属追踪模块、电机驱动模块、液晶显示模块、报警模块和电源模块组成，系统总体框图如图2所示。
各个模块的主要功能为：控制模块实现小车的行驶、报警及显示的控制；金属追踪模块采用LDC1000检测金属信息；电机驱动模块使小车能够前进、左转和右转；显示模块显示小车的运行时间和金属传感器采集的数值；报警模块当小车检测到硬币时，可发出声音提示；电源模块为整个系统提供电源。
2 硬件系统设计
2.1 控制模块
图片尺寸 5E383C399BB356967BB301111Cd48300
采用STC51单片机作为主控制芯片，STM32单片机作为辅控制芯片，STM32单片机控制金属跟踪模块采集数据并将数据传输给STC51单片机，STC51单片机控制电机、显示、报警等模块。
2.2 LDC1000电感传感原理
LDC1000电感式传感探头的原理是：选取自制线圈，通上交流电，形成交变电磁场，当有金属物体进入磁场时，金属物体就会产生感应电流[9-10]，感应电流的方向与线圈电流方向相反，线圈磁场的方向也与感应电流产生的感应磁场方向相反。金属物体与线圈的体积、材料成分、距离都会影响感应电流的大小。金属物体与线圈距离越近，LDC传感器采集到的Proximity数据值越大。金属距离线圈越远，LDC传感器采集到的Proximity数据值越小。
2.3 金属追踪模块
本设计采用TI公司推出的第一款电感数字转换器LDC1000，LDC1000与STM32单片机采用4线SPI连接，通过SPI串行总线控制LDC1000完成时序定义和数据读取，金属跟踪模块电路图如图3所示。
图像由 ae8dce7fe28285cd8b16081cd4c79a72 提供。
2.4 电机驱动模块
2.5 液晶模块
本设计采用LCD1602液晶显示屏，显示屏的DB0~DB7接在单片机的P0口上，RS、RW、LCD?E分别接在P2.0、P2.1、P2.2口上。
2.6 报警模块
报警器采用的是蜂鸣器，当汽车经过硬币时，能检测到硬币，蜂鸣器就会发出报警声。
2.7 电源模块
电源模块采用灵活、方便的单电源供电方式为所有模块供电，小车采用7.2V镍镉充电电池供电。
3.软件系统设计
3.1 检测与控制算法
图像
通电后首先检测传感器返回的数值并保存，在不同环境下传感器返回的数值会有所不同。将LDC1000传感器放置于小车底部前方，当小车在钢丝轨道上行驶时，LDC1000传感器会采集到相应的数值；当小车在前进过程中遇到硬币时，LDC1000传感器采集到的数值会明显变大；当小车偏离运行轨道时，金属传感器采集到的数值会明显变小。由于LDC传感器采集到的数值与线圈与金属的距离有关，因此可以通过其来判断小车是应该前进、左转还是右转。
3.2 程序流程图
系统流程图如图5所示。
首先初始化I/O，然后整个系统开始运行。使用LDC1000进行信号采集，并将采集到的信号发送给STM32单片机，STM32单片机通过串口通信将采集到的数据信号传输给51单片机，51单片机对信号进行处理然后根据信号的大小控制小车报警、直行、左转、右转等。当检测到硬币时，发出声音信号，重复以上步骤。
3.3 PWM调速代码
4 物理测试与结果分析
4.1 测试计划
1）采用软硬件联调的方式进行测试。整个测试过程中，多次检查系统，确认硬件电路与系统原理图完全一致。检查后确保硬件电路无虚焊，电机工作正常，显示模块数据正确，传感器准确检测物体位置。
2）自制符合要求的跑道，用直径0.6～0.9mm的细铁丝作为跑道标记，用透明胶带粘贴在跑道上。同时在任意位置放置一枚硬币，即可检测报警功能。
4.2 测试结果
小车整体性能良好，发现硬币能及时报警，直行路段运行良好，转弯程序能转弯，基本达到设计要求。
5 结论
本文设计使用LDC1000电感数字转换器工作在高频反射式涡流传感器状态来检测金属，利用STM32和STC51两款芯片触发外围模块来实现小车的循迹和硬币检测，经过实验室测试，小车能很好的完成各项功能，运行稳定。
参考
[1]莫嘉业.基于LDC1314的导线跟踪小车设计与实现[J].广西职业技术学院学报,2017,10(3):17-20.
莫嘉业.基于LDC1314的导线跟踪小车设计与实现[J].广西职业技术学院学报,2017,10(3):17-20.
[2] 吕云芳,陈帅帅,郝兴森,等.基于C51高级语言程序控制的智能循迹小车设计与实现[J].实验室研究与探索,2015,34(3):142-145.
吕云芳，陈帅帅，郝兴森，等. 基于C51高级语言程序控制的智能循迹小车设计与实现[J]. 实验室研究与探索，2015，34(3): 142~145.
[3] 程聪聪,田伟民,秦蕾. 基于单片机的智能循迹小车[J]. 山东工业技术，2017,32(7):2.
程聪聪,田伟民,秦蕾. 基于单片机的智能循迹小车[J]. 山东工业技术，2017,32(7):2.
[4]齐悦.基于STC90C52的智能循迹小车设计[J].太原师范学院学报(自然科学版),2016,15(3):23-26.
齐悦. 基于STC90C52的智能循迹小车设计[J]. 太原师范学院学报(自然科学版), 2016, 15(3): 23-26.
[5]尹杰,杨宗帅,聂海,等.基于红外反射的智能循迹遥控小车系统设计[J].电子设计工程,2013,21(23):178-180.
尹杰,杨宗帅,聂海,等.基于红外反射式遥控车智能跟踪系统设计[J].电子设计工程,2013,21(23):178-180.
[6] 魏娅.基于蓝牙控制的循迹智能小车设计与研究[J].自动化与仪表，2016，45(4):88-89.
魏娅. 基于蓝牙的智能车辆追踪系统研究与设计[J]. 自动化与仪表，2016, 45(4): 88-89.
[7] 雷永刚, 吴文静. 基于图像的智能追踪车设计[J]. 农机使用与维修, 2015, 17(5): 30-32.
雷永刚, 吴文静. 基于图像的智能循迹小车设计[J]. 农机使用与维修, 2015, 17(5): 30-32.
[8] 高振新, 孙建红. 基于MSP430的智能跟踪物料运输车设计[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(8): 71-74.
高振新,孙建红. 基于MSP430的智能追踪物料小车设计[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(8): 71-74.
[9] 辛颖, 梁华伟, 梅婷. 一种新型自主车辆动态避障系统[J]. 国际机器人与自动化杂志, 2015, 30(3): 278-288.
[10]朱丹.基于激光传感器的智能循迹小车设计[J].电子技术与软件工程,2016,45(22):254.
朱丹. 基于激光传感器的智能循迹小车设计[J]. 电子技术与软件工程, 2016, 45(22): 254.
