馮 洋

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西渭南714099)

基于金屬探測器的自動(dòng)循跡小車設(shè)計(jì)

馮 洋

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西渭南714099)

針對(duì)目標(biāo)金屬物的非接觸式探測定位和移動(dòng)的具體要求，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)循跡小車。該小車以MSP430F5529為控制核心，采用TI公司的LDC1000作為循跡傳感器，實(shí)現(xiàn)了在規(guī)定的具有0.6～0.9 mm細(xì)鐵絲標(biāo)識(shí)的平面跑道上自動(dòng)按順時(shí)針方向循跡前進(jìn)的功能，在行進(jìn)過程中同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)硬幣的檢測和報(bào)警。多次測試表明，該循跡小車達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想，基本完成了各項(xiàng)要求，具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

MSP430F5529;LDC1000;循跡

根據(jù)目標(biāo)金屬物的非接觸式探測定位和移動(dòng)的具體要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)循跡小車。小車的軌跡如圖1所示，軌跡由0.6～0.9 mm細(xì)鐵絲標(biāo)識(shí)，同時(shí)在軌道上隨機(jī)出現(xiàn)4枚硬幣，要求小車能夠沿鐵絲跑道準(zhǔn)確前進(jìn)并檢測出硬幣［1］。

圖1 小車行走路徑圖

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

1 總體設(shè)計(jì)方案

為了達(dá)到要求，設(shè)計(jì)采用MSP430F5529單片機(jī)作為控制核心、采用LDC1000傳感器實(shí)現(xiàn)金屬的檢測，同時(shí)結(jié)合舵機(jī)、直流電機(jī)、測速模塊、12864液晶顯示屏、蜂鳴器等模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡前進(jìn)、顯示、報(bào)警等功能［2－4］。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

小車動(dòng)力部分采用HC02－48型直流電機(jī)和PWM控制方式以保證較低的功耗和對(duì)車速的精準(zhǔn)控制，同時(shí)利用舵機(jī)帶動(dòng)LDC1000傳感器在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行平面掃描測量，再通過單片機(jī)的SPI接口實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，從而順利實(shí)現(xiàn)小車在設(shè)定軌道上的準(zhǔn)確運(yùn)行。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 PWM調(diào)速原理及算法

設(shè)計(jì)采用MSP430F5529作為主控芯片，該芯片自帶PWM脈沖輸出端口，通過設(shè)定使其工作在8位PWM模式下，通過設(shè)置輸出占空比達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。采用PWM調(diào)速，即通過改變平均電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速:

電機(jī)裝好后，β是個(gè)常數(shù)，改變電機(jī)電壓，可以保持機(jī)械特性曲線平行下移，而硬件不改變。通過對(duì)單片機(jī)編程可控制脈沖的占空比，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。當(dāng)需要拐彎時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)不同占空比的脈沖，由左右速率差來進(jìn)行拐彎，能實(shí)現(xiàn)90°以上的大角度快速拐彎，通過控制轉(zhuǎn)輪的速率和方向確定小車的行進(jìn)軌道。［5－6］

2.2 最優(yōu)速度控制算法

速度與控制算法可以分為3個(gè)部分:直行、直行偏離微調(diào)、轉(zhuǎn)彎。

直行速度控制:結(jié)合設(shè)計(jì)要求及小車定性，將左右輪設(shè)置同一最大值。根據(jù)傳感器傳回的信號(hào)判斷，若車體發(fā)生偏移，則調(diào)用車身調(diào)整函數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

直行偏離微調(diào):若檢測到左偏，右側(cè)電機(jī)減速;否則左側(cè)電機(jī)減速。

轉(zhuǎn)彎控制:當(dāng)檢測到金屬線，并且舵機(jī)一直左轉(zhuǎn)時(shí)，左輪速度減慢，右輪速度保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度后，直行并循線檢測前行，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)同理。

2.3 循線檢測算法設(shè)計(jì)

循線檢測的實(shí)施實(shí)際上是使用了一種簡單的算法進(jìn)行金屬源尋找，即直接使舵機(jī)的轉(zhuǎn)角與金屬源的位置成比例，在檢測金屬確定位置時(shí)設(shè)置13個(gè)位置進(jìn)行掃描巡點(diǎn)，使用金屬傳感器檢測小車是否一直在鐵絲軌道上運(yùn)行。金屬源位置掃描定位圖如圖3所示。

圖3 金屬源位置定位

金屬源的檢測采用LDC1000傳感器，該傳感器是TI公司推出的一款全新的電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，利用了電磁感應(yīng)原理，LDC實(shí)際上是一個(gè)特殊的ADC，外接一個(gè)傳感線圈。［7］LDC1000是通過檢測等效并聯(lián)電阻RP來測定金屬物體是靠近還是遠(yuǎn)離線圈，當(dāng)有金屬物體接近線圈時(shí)，就會(huì)使傳感器的數(shù)值發(fā)生變化，對(duì)這一變化進(jìn)行判斷便可得知小車是否在正確的軌道上，同時(shí)通過對(duì)金屬源檢測位置的定位檢測可以得到當(dāng)前前進(jìn)的方向是否偏離，以便糾正。［8］同時(shí)當(dāng)傳感器檢測為鐵絲時(shí)，由于鐵絲的表面積較小，單片機(jī)讀出LDC1000采集回來的數(shù)據(jù)就小;當(dāng)檢測為硬幣時(shí)，由于硬幣的面積比鐵絲大多了，所以采集回來的數(shù)據(jù)將比之前大很多。因此，可通過多次實(shí)驗(yàn)人為交互式地設(shè)定一個(gè)閾值來區(qū)分鐵絲與硬幣。

3 主要電路設(shè)計(jì)

3.1 LDC1000傳感器與單片機(jī)的連接

本設(shè)計(jì)采用LDC1000來判斷小車是否行走在細(xì)鐵絲上。LDC1000收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過計(jì)算后再判斷小車下一步的行走方向。

MSP430F5529與LDC1000的硬件連接如圖4所示。通過SDI、SDO、SCLK 3根數(shù)據(jù)線互連實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送。其中MSP430F5529對(duì)LDC1000進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫采用SPI通信，首先將片選信號(hào)CSB置低，然后MSP430F5529通過SDI線向LDC1000寫入訪問寄存器地址，最高位為0表示寫入，為1表示讀出，剩余7位為寄存器地址。如果為讀，SDO線上發(fā)送來自其地址寄存器上的8位數(shù)據(jù);如果為寫，SDI線接收來自MSP430F5529的8位數(shù)據(jù)并且將其寫入寄存器。

圖4 LDC1000與MCU連接圖

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298芯片，其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，具有2套H橋電路，可同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)，工作電壓高，且輸出電流可高達(dá)2 A，能為電機(jī)提供較大的動(dòng)力，以便提高尋找速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.3 液晶顯示與報(bào)警電路

單片機(jī)外接液晶LCD12864用于顯示時(shí)間、距離、檢測數(shù)值等相關(guān)參數(shù)，在檢測到硬幣時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。液晶顯示及報(bào)警電路如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)首先進(jìn)行初始化，然后立刻調(diào)用顯示子函數(shù)，進(jìn)入顯示界面將時(shí)間、距離、舵機(jī)狀態(tài)等信息顯示出來。再根據(jù)不同的功能調(diào)用不同的函數(shù)，核心算法和控制相關(guān)的代碼放在子程序中。在每個(gè)控制周期，讀取傳感器的反饋值，經(jīng)過計(jì)算后，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，從而控制小車的行駛狀態(tài)，并且將傳感器所測的數(shù)據(jù)及時(shí)顯示出來。傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU的計(jì)算用來控制舵機(jī)的動(dòng)作，舵機(jī)執(zhí)行過程中會(huì)產(chǎn)生新的傳感器測量數(shù)值，當(dāng)前測量數(shù)值又作用于小車，從而控制小車轉(zhuǎn)向、直行或后退運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)主流程圖如圖7所示，小車控制流程圖如圖8所示。

圖6 液晶顯示及報(bào)警電路

圖7 系統(tǒng)主流程圖

圖8 小車控制部分程序流程圖

在小車循跡程序設(shè)計(jì)中，對(duì)LDC1000所檢測到的多組數(shù)值求其平均值進(jìn)行處理，并把此均值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)參考值。然后小車開始行進(jìn)，行進(jìn)過程中不斷檢測是否有硬幣(使LDC1000一直來回?cái)[動(dòng)檢測)，若檢測到有硬幣則蜂鳴器報(bào)警，若沒有硬幣則繼續(xù)行駛。行駛過程中依然不斷檢測，若檢測到小車在鐵絲上行走，則說明小車狀態(tài)正常，使其繼續(xù)保持前行。若檢測到小車不在鐵絲正上方，則需要立即判斷鐵絲是處于小車的左邊還是右邊，從而控制小車的轉(zhuǎn)向。若小車已經(jīng)徹底檢測不到任何信號(hào)，說明其已經(jīng)脫軌，立刻使小車后退，直至能檢測到信號(hào)為止。

表1 小車全程用時(shí)數(shù)據(jù)記錄

5 測試方案與測試結(jié)果

小車在賽題要求的標(biāo)準(zhǔn)軌道上進(jìn)行正常運(yùn)行測試，每次跑1圈，全程用時(shí)記錄如表1所示。

在賽題要求的標(biāo)準(zhǔn)軌道直線段上隨機(jī)放置4枚直徑約為19 mm的鍍鎳鋼芯硬幣，再將小車放在軌道上進(jìn)行測試，每次跑1圈，測試硬幣檢測準(zhǔn)確度。因現(xiàn)行硬幣都以鋼芯電鍍其他金屬方式制作，因此LDC1000傳感器可以有效識(shí)別鍍層特征，從而實(shí)現(xiàn)硬幣鑒別。有關(guān)硬幣檢測的檢測結(jié)果如表2所示。

表2 硬幣漏檢率和誤檢率測試

6 結(jié)語

通過數(shù)次測試與改進(jìn)，本系統(tǒng)基本完成了設(shè)計(jì)的要求，通過對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得該小車在直行和轉(zhuǎn)彎過程中基本都能根據(jù)細(xì)鐵絲標(biāo)識(shí)的平面跑道運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確度較高，運(yùn)行速度較快。從調(diào)試結(jié)果來看，該自動(dòng)循跡小車已達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，后續(xù)可通過改進(jìn)算法、優(yōu)化程序等方法提高小車的運(yùn)行速度和測量值的準(zhǔn)確度。

［1］2016年 TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽題 C－自動(dòng)循跡小車［DB/OL］.(2016－07－25)［2017－01－05］.http://nuedc.xidian.edu.cn/uploads/soft/160725/2－160H50J503.zip.

［2］郭志超，何愛龍.自動(dòng)循跡避障尋光智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，(6):61－63.

［3］張猛，丁愛國，陳欣歡.基于單片機(jī)的智能循跡小車設(shè)計(jì)［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2017，(8):281.

［4］劉紅，劉康.基于單片機(jī)的自動(dòng)循跡小車的設(shè)計(jì)與制作［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，(5):198.

［5］程叢叢，田為民，秦雷.基于單片機(jī)的智能循跡小車［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2017，(7):2.

［6］許文卓，顧亭，孫浩諦，等.基于紅外循跡的火災(zāi)報(bào)警小車循跡算法研究［J］.甘肅科技，2017，33(4):11－13.

［7］謝富珍，戈林發(fā).基于51單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)［J］.新余學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，20(4):6－9.

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The Design of Automatic Tracking Car Based on Metal Detector

FENG Yang
(School of Mathematics and Physics，Weinan Normal University，Weinan 714099，China)

An automatic tracking car is designed，according to the specific requirements of positioning and mobile and noncontact detection of metals.The car is controlled by the MSP430F5529 and adopts the LDC1000 of TI company as the tracking sensor，and achieves the function of automatically moving clockwise on the plane runway with the specified 0.6 ～ 0.9mm thin wire marking.During the process，the coin can also be detected and alarmed.Several tests show that the system has reached the expected assumption，completed the requirements basically and had the characteristics of stable performance and strong anti－jamming capability.

MSP430F5529;LDC1000;tracking

TP273

A

1009－5128(2017)24－0033－05

2017－09－04

渭南師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目:單片機(jī)課程項(xiàng)目教學(xué)法研究與實(shí)踐(JG201615)

馮洋(1982—)，女，四川資陽人，渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)研究。

【責(zé)任編輯 牛懷崗】