一種電感數字傳感器的循跡小車控制系統設計

張 菁，趙 鵬

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

一種電感數字傳感器的循跡小車控制系統設計

張 菁，趙 鵬

(榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000)

針對傳統的以紅外反射式傳感器為主的循跡小車存在受強光干擾不靈敏、循跡線的鋪設色差及線寬要求較高的缺點，提出了以單片機為控制器，LDC1000電感數字轉換器和外接線圈作為循跡傳感器，結合光電測速電路、驅動電路、LCD顯示電路等，實現在跑道標識為一根直徑為0.9 mm的細鐵絲的平面跑道上穩定運行;具備在運行途中檢測跑道上的金屬片，實現報警和計數功能；具備實時顯示小車運行時間、速度和距離的功能;實驗證明，該系統集測量精度高、顯示直觀及工作性能穩定等優點，采用的非接觸、無磁體的感應技術對以導體為循跡標識的小車的設計有一定的指導意義。

單片機；循跡小車；電感數字轉換器；循跡傳感器

0 引言

智能小車是一個集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能為一體的控制系統，廣泛應用于高溫、高壓及有毒害氣體等人難以現場工作的特殊環境下的救援及輔助探測等工作。市面上廣泛存在的循跡小車的循跡模塊采用的是紅外對射反射式光電傳感器，其主要工作于具有白底黑線的跑道上，根據黑白顏色的反射系數不同，實現循黑線行走，在一些特殊場合的使用受到限制[1]。本設計利用電感數字傳感器，根據電磁感應原理，使小車按鋪設的鐵絲為引導軌跡前進，同時兼具金屬檢測功能，彌補了傳統循跡小車的不足。

1 系統結構及原理

小車選用后輪為兩輪驅動結構，前方為萬向輪起支撐作用，根據后輪的轉速調節實現轉向的控制；控制器采用國產宏晶科技的STC系列單片機，其中，電源電路為鋰離子電池供電；時鐘電路為單片機提供穩定的時鐘基準，是單片機系統正常運行的前提；復位電路具備上電復位和手動復位兩種功能；報警電路實現循跡小車在運行過程中檢測到金屬片后的報警提示；轉速測量電路用來實現運行速度的檢測；LCD顯示電路用來實時顯示小車的運行時間、速度、距離及檢測到的金屬片的數量；循跡傳感器用來搜尋跑道上的金屬線；驅動電路則用來提高單片機I/O的帶負載能力[2-3]。具體結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 理論分析與計算

2.1 檢測原理分析

LDC1000的電感檢測原理的實質為電磁感應。在LDC1000的線圈上加交變電流，線圈周圍產生交變磁場，該磁場范圍內的金屬表面會產生渦流，渦流的電流與線圈電流方向相反，產生的感應磁場也相反。同時，渦流是金屬物體的距離、大小、成分的函數。如果交變電流只加在線圈上，則在產生交變磁場的同時會消耗較大的能量，采用將電容并聯在線圈上構成LC并聯諧振電路，從而明顯降低能量損耗[4-5]。設計中通過檢測LDC000的等效并聯阻抗RP的大小確定線圈與金屬線的距離，實現對金屬線的循跡和對金屬片的檢測功能。

2.2 小車運行距離的計算

轉速測量電路是由光電傳感器發出的光被目標反射或阻擋時，接收器感應出相應的電信號。由于光電傳感器的輸出為脈沖信號，單位時間內輸出脈沖的數量即小車運行的轉數，利用車輪周長與轉數的乘積就可以求出小車運行的距離。

3 軟硬件設計

3.1 控制電路設計

硬件電路主要包含時鐘電路、復位電路、LCD顯示電路、驅動電路、光電測速電路及報警電路。其中時鐘頻率為12 MHz；復位電路是為了預防程序跑飛而設計的，可使單片機及系統各部件處于確定的初始狀態，并從初態開始工作，本系統具備上電復位和手動復位兩個功能，其中上電復位利用電容的沖放電實現，手動復位利用按鍵觸發實現，其實質為給單片機RST引腳一個高電平并維持2個機器周期；LCD顯示電路采用圖形液晶顯示器LCD12864，為了節省單片機的I/O資源，設計中采用LCD的串行連接方式；光電測速電路采用凹槽式光耦，中間為齒盤與小車電機轉軸相連，經過對紅外發射光的阻斷和導通，其輸出端就會產生相應的電平變化，通過單片機計數器的計數和數據處理轉換為相應的轉速[6]；報警電路則利用PNP三極管驅動蜂鳴器實現，當檢測到金屬片時發出提示音。具體電路如圖2所示。

圖2 控制電路

3.2 數據采集電路

LDC1000在工作時使用線圈作為感應元件，來測量導電目標內的渦流損耗和總電感，其中導電目標可以是任何導體。在使用LDC1000設計時，由于傳感器可以為繞線、PCB上的線圈、用導電油墨印刷的線圈，甚至可以是簡單的彈簧，而且無需接觸，避免磁體間的磨損，延長系統的使用壽命。設計中采用0.9 mm的鐵絲作為循跡軌跡，2 mm厚的不銹鋼金屬片作為待檢測的金屬片，LDC1000的線圈采用雙層PCB線圈，直徑為14 mm，間距和線寬均為4mil。LDC1000對CFA與CFB引腳間的濾波電容的選擇較為苛刻，需要選擇低泄露，溫度穩定性好，壓電噪聲低的電容，最優的電容值在 20 pF 到 100 nF 之間。電容值由 LC 的諧振時間常數決定，設計中選用溫度特性較好的I類陶瓷電容其容值為20 pF，耐壓值大于10 V[7-8]。為了減小寄生參數，濾波電容應該盡量靠近芯片且走線要短，數字地與模擬地分開并最終匯聚于一個節點，有利于提高系統的抗干擾能力。具體電路如圖3所示。

3.3 主程序設計

主程序是程序的入口，單片機根據數據采集電路中采集的等效并聯阻抗RP的值，判斷是否為金屬線，如果偏離金屬線則作出相應控制[9]，運行時間的計數通過單片機內部定時器實現。具體流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

為確保等效并聯阻抗RP的值在采樣區間內，同時又保證足夠的精度，必須通過寄存器RPMAX和RPMIN合理設置RP的取值范圍。對于金屬線的循跡RPMAX的設置則通過置于小車底盤的LDC1000的線圈距離金屬線最遠處，此時渦流損耗最小，RPMAX的值逐漸減小，code值接近3000時選擇此時的RPMAX的值；RPMIN的設置則通過將線圈放置于金屬線最近處，此時渦流最大，RPMIN的值逐漸增大，code值接近25000時選擇此時的RPMIN的值。

4 系統測試

4.1 驅動電路的測試

驅動電路的實質為驅動輸出電流，小車的運行速度與小車底盤驅動電機轉速和工作電壓較為密切，但過高的電壓可能對驅動器L298芯片和電機的正常工作產生影響。調試階段，采用直流24 V開關電源供電，雖然滿足電機的工作電壓，同時也未達到L298的最高工作電壓46 V，瞬間峰值電流3 A，持續工作電流2 A，額定功率25 W的要求，但上電瞬間L298驅動芯片燒毀，原因在于采用開關電源供電，上電瞬間電壓大于L298的耐壓值，導致芯片被擊穿。設計過程中應加散熱卡，避免長時間運行導致的過熱保護。同時，不同品牌的L298耐壓值有差異，設計中建議選擇正規廠家的產品。

4.2 PWM調速

系統速度的設置采用PWM調速的原理，利用單片機定時器T0，設定脈沖寬度為t，脈沖周期為T，D=t/T為占空比。則小車運行速度為：

Vd=Vmax×D

(1)

其中:Vmax為小車電機的最大速度。利用Proteus軟件對占空比可調的波形進行仿真，其仿真圖如圖5所示。

圖5 PWM調速仿真圖

對于小車速度控制符合經典控制理論的基本特點,其中利用轉速測量電路檢測當前速度,利用PID控制算法實現對其速度的穩定控制,其PID控制系統結構如圖6所示。

圖6 PID控制結構圖

根據小車的特性得出電機轉速與電壓、運行速度的傳遞函數，利用單片機軟件結合PID算法實現其速度的穩定控制[10]。

4.3 小車的運行檢測

以一根直徑為0.9 mm的鐵絲為循跡對象，在直道上最大運行速度為0.1 m/s，在圓弧半徑為20厘米的彎道上，運行速度最大為0.03 m/s。小車在運行途中無偏離跑道的現象，實時速度及運行距離顯示正常，系統運行穩定。具體運行實物如圖7所示。

圖7 小車實物圖

5 結論

本文從系統結構、理論分析與計算、軟硬件設計及系統測試的角度對基于電感數字傳感器的循跡小車的控制系統進行深入的介紹，利用仿真和實物測試相結合的形式證明了系統的可行性。電感數字傳感器LDC1000對是否偏離金屬線鋪設的跑道的檢測，實質是對等效并聯阻抗RP大小的判斷，如果跑道所鋪設的金屬線的材質、直徑或LDC1000的線圈與跑道的垂直距離任何一個發生變化，必須重新設置RP的取值范圍。如果RP超出設置范圍就會被鉗位，如果RP的范圍設置過大，而RP的實際取值范圍過小則會浪費LDC1000內部A/D轉換器的精度，必要時要使用阻抗分析儀。

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[2] 王 玲，張 強，李雪梅.智能自主尋跡小車測控系統的研究與設計[J].中國工程科學，2014，16(3)：92-98.

[3] 尤 揚.基于模糊控制的新型循跡智能小車設計[D].沈陽：沈陽工業大學，2015.

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[10] 廖先浩.智能小車彎道控制的研究與實現[D].重慶：重慶大學，2014.

Control System Design of Tracking Car with Digital Inductance Sensor

Zhang Jing, Zhao Peng

(School of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China)

With regard to the disadvantages, such as insensitivity under the interference of highlights, the high requirements of the tracking line’s chromatic aberration and line width, of the traditional tracking car, which is mainly based on reflected infrared sensors, this article proposes a control system design which uses Micro Control Unit as a controller, LDC1000 digital inductance converter and external coil as tracking sensor, combines opto-electronic testing velocity circuit, drive circuit and LCD display circuit, etc. Such control system could realize a stable running on a flat runway with a runway identification of a thin wire whose diameter is 0.9 mm. The control system has the function of detecting sheet metals on the runway while running, could realize the alarming and counting functions; and has the function of the real-time display of the car's running time, speed and distance. The experiment indicates that this system has the advantages like a high precision, a clear display and a stable performance, adopts the non-contact, non-magnet sensor technology and has a certain guiding significance to the design of the cars using conductor as tracking identifications.

micro control unit; tracking car; digital inductance converter; tracking sensor

2016-09-08；

2016-12-23。

陜西省教育廳專項科研計劃(15JK1864)。

張 菁(1979-)，女，陜西府谷人，講師，碩士，主要從事電路設計與故障診斷方向的研究。

1671-4598(2017)05-0080-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.022

TP273

A