基于電感式接近開關自動循跡小車的設計

車璽 孟青 中北大學（朔州校區）

前言：近幾年來，隨著計算機技術的迅速發展以及人們對生活方式快捷便利的需求，人工智能得到了迅速發展。智能小車也是人工智能的一個重要組成部分。智能小車可運用于智能家具、搬運設備等多個領域。例如智能掃地機器人，使忙碌的上班族不再因打掃衛生而煩惱，大大提高了人們的生活質量和水平。為更好地激發在校大學生參與智能小車研究的熱情，智能小車一直是近幾年來各種電子設計競賽的熱點話題。本設計則是對2018年山西省電子設計大賽自動循跡小車的設計與實現。

1 整體方案設計

圖1 整體方案設計

該系統由STC89C52單片機、L298N電機驅動模塊、電感式接近開關、測速傳感器、直流減速電機、LCD12864液晶顯示屏、蜂鳴器、DC-DC可調穩壓模塊組成。通過電感式接近開關檢測金屬的有無，并將此信號傳給單片機，經單片機處理后控制L298N電機驅動模塊驅動電機的正轉與反轉以及蜂鳴器的工作狀態，從而實現循跡功能以及硬幣的檢測。通過單片機定時器對小車運行進行精確計時，通過外部中斷對測速傳感器的脈沖數進行精確計數從而對小車進行實時測距，最終由LCD1286實時顯示小車的運行時間、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

本設計采用的金屬傳感器為浙江滬工科技有限公司生產的電感式接近開關。其型號為LJ18A3-8-Z/BX，輸出形式為NPN三線直流常開，有效檢測距離為8mm，所需電壓為DC6-36V，本設計中右3節3.7V鋰電池串聯為其供電。可以穩定地檢測鐵、鎳等磁性金屬，當檢測到金屬時向單片機傳回低電平，無金屬時傳回高電平。電感式接近開關引出的棕色線接正極，蘭色線接負極，黑色線接單片機的I/O口。

2.1.2 循跡算法

當鐵絲位于左右兩個電感式接近開關下方時，小車直行。當鐵絲位于左側電感式接近開關下方時，小車左轉，直到鐵絲位于中間的電感式接近開關下方，小車恢復直行。當鐵絲位于右側電感式接近開關下方時，小車右轉，直到鐵絲位于中間的電感式接近開關下方，小車恢復直行。

2.2 驅動系統方案

本設計的驅動系統由4個直流減速電機、2個L298N電機驅動模塊、3節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3.7V鋰電池串聯后，經LM2596S直流降壓模塊降壓后輸出6-8V的電壓向L298N電機驅動模塊供電，每個L298N電機驅動模塊驅動2個直流減速電機。通過調節PWM波的占空比來調節直流減速電機的轉速，由L298N電機驅動模塊的ENA和ENB兩個使能端控制電機的轉動與停止。由2對信號輸入端IN1、IN2、IN3、IN4控制電機的正轉與反轉。

2.3 硬幣檢測方案

2.3.1 硬幣檢測方法

通過使用電感式接近開關來實現循跡鐵絲，我們發現電感式接近開關，性能穩定且操作簡單，所以硬幣檢測的實現仍然采用電感式接近開關。檢測辦法為采用有效檢測距離為4mm，直徑為10mm的電感式接近開關。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關直徑的2倍，所以當兩個電感式接近開關同時檢測到硬幣時，刺激蜂鳴器發聲，從而實現硬幣檢測的功能。

2.3.2 傳感器布局

此設計采用的電感式接近開關的外部構造由一根螺柱和兩個螺母構成，為了增加兩個電感式接近開關同時檢測到硬幣的概率，將兩個螺母去掉，把電感式接近開關緊挨著并排固定在一塊洞洞板上，與地面保持有效檢測距離，并用熱熔膠加固。

為了以最低的成本實現最理想的設計效果，我們先用三個電感式接近開關并排固定在一起進行第一次實驗，往后每進行一次實驗加一個電感式接近開關，直到達到最理想的設計效果。經實驗驗證，當6個電感式接近開關并排放置時，效果較為理想。

2.4 信息顯示方案

2.4.1 顯示屏

此設計當中對于時間、距離、速度的實時顯示采用Nokia 5110液晶顯示屏，它可以顯示15個漢字、30個字符。接口簡單，僅5根I/O線就可以驅動，工作電壓為3.3V。

2.4.2 時間、距離、速度計量方案

此設計對于時間的計量采用單片機的內部資源定時器；距離和速度的測量采用光電測速傳感器模塊。它可以輸出脈沖信號，一個脈沖信號中斷一次。此設計當中，測速碼盤共20個小格，小車輪胎直徑22cm。所以單片機每接受一次中斷，小車前進了（1.1±0.02）cm。

當采用內圈測距時，所測數值偏小；采用外圈測距時，所測數值偏大。為了精確地對小車行駛距離進行測量，此設計采用兩個測速傳感器分別測量內圈和外圈地行駛距離，最后求平均值。

計算公式為：（motor1+motor2）/2*（1.1±0.02）

對于速度的測量，則采用單片機定時計數器，計算出小車每秒所前進的距離即為小車的速度。

3 總體電路結構

本設計由循跡系統、信息顯示系統、硬幣檢測系統組成。各模塊由3節3.7V鋰電池串聯組成的直流電源降壓后供電。由于51單片機的主頻較慢，為了更好地達到設計效果，本設計采用3塊單片機作為每個系統的控制核心。

4 程序設計

本設計的程序分為3個部分，分別是循跡程序、信息顯示程序和硬幣檢測程序。程序首先進行初始化，循跡程序設計思路為單片機對金屬傳感器傳回的高低電平做出判斷，以確定小車的實時位置，然后根據循跡算法對小車的行駛狀態做出相應調整使小車始終沿預定軌道行駛 。硬幣檢測程序設計思路為當任意相鄰2個金屬傳感器同時傳回低電平時，刺激蜂鳴器發聲以提示檢測到硬幣。信息顯示程序設計思路為由定時器0中斷對小車運行時間進行精確計時，定時器1對小車運行速度進行顯示，外部中斷0測速傳感器的脈沖數進行計數以計算出小車的運行距離。各部分程序結構如下圖所示。

圖2 循跡程序框圖

圖3 硬幣檢測程序框圖

圖4 信息顯示程序框圖