基于STM32單片機(jī)的自動(dòng)循跡小車

摘 要：本設(shè)計(jì)利用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)循跡小車。小車以STM32單片機(jī)為控制核心，控制裝有LDC1000電感傳感器的擺臂左右擺動(dòng)，進(jìn)行金屬探測(cè)，并沿金屬自動(dòng)循跡。該金屬探測(cè)小車探測(cè)精度高，測(cè)量信息準(zhǔn)確、穩(wěn)定，而且成本低，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，在軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景

關(guān)鍵詞： LDC1000 L298N 單片機(jī) 金屬循跡探測(cè)

一、系統(tǒng)方案

此設(shè)計(jì)主要由電源模塊，單片機(jī)控制模塊，L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，LDC1000循跡模塊，測(cè)速模塊以及顯示模塊組成。下面分別論述這幾個(gè)模塊的選擇以及組成。

1.1 電源模塊

采用4節(jié)3.7V充電鋰電池，經(jīng)過LM7812模塊降壓并穩(wěn)壓給電機(jī)供電，然后經(jīng)LM7805模塊降壓并穩(wěn)壓給測(cè)速模塊，L298模塊，舵機(jī)等供電，然后經(jīng)LM117-3.3模塊降壓并穩(wěn)壓給STM32單片機(jī)供電。

1.2 循跡模塊

采用TI公司的LDC1000模塊對(duì)地面布置的鐵絲進(jìn)行循跡。LDC1000將線圈和彈簧用作電感傳感器，使它能在更低的系統(tǒng)成本下，保持和實(shí)現(xiàn)更高的分辨率、可靠性以及靈活性。LDC1000不僅可以測(cè)量位置，運(yùn)動(dòng)。或者金屬和導(dǎo)體的構(gòu)成，甚至可以檢測(cè)彈簧的壓縮、擴(kuò)張與扭曲度。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇

方案一：分立組件組成的平衡式驅(qū)動(dòng)電路

此電路可以由單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行控制，但由于分立組件占空間較大，考慮到電機(jī)的體積問題，還需要繼電器，此方案不夠理想。

方案二：LMD1820

此驅(qū)動(dòng)峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A，具有溫度報(bào)警和過熱與短路保護(hù)功能，抗干擾性強(qiáng)，但價(jià)格比較高，故此不選擇。

方案三：L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

此模塊工作較穩(wěn)定，且編程簡單，體積小，內(nèi)部集成了兩個(gè)H橋，可以同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)。硬件實(shí)現(xiàn)較簡單且控制效果不錯(cuò)。

考慮到軟硬件的控制的簡便性以及性價(jià)比，采用方案三。

1.4 主控芯片的選擇

方案一：

采用傳統(tǒng)的51單片機(jī)。傳統(tǒng)的51單片機(jī)為8位機(jī)，價(jià)格便宜，控制簡單，但是控制速度慢，片內(nèi)資源和存儲(chǔ)容量較少，計(jì)算精度不高，增加了外圍電路的不可靠性。

方案二：采用STM32F103ZET6作為主控芯片

STM32系列單片機(jī)是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。它具有512K片內(nèi)FLASH，64K片內(nèi)RAM，片內(nèi)FLASH支持在線編程（IAP），多達(dá)80個(gè)IO（大部分兼容5V邏輯），4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，2個(gè)基本定時(shí)器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等豐富的資源。

所以選擇STM332作為主控芯片。

1.5 測(cè)速模塊的選擇

方案一：光電測(cè)速傳感器

原理是傳感器開口圓盤的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸相連接，光源的光通過開孔盤的空隙反射到光敏元件上，開口盤隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光敏元件上照到光的次數(shù)等于盤上的開口數(shù)，從而算出旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)速度，靈敏度較高，但容易受外界光源影響。

方案二：測(cè)速發(fā)電機(jī)

原理是旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，適合測(cè)量速度較高的旋轉(zhuǎn)物體的速度，采用電磁感應(yīng)的原理，市場(chǎng)上測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用于低壓市場(chǎng)的比較少，而且都比較重，不適合用于模型車。

方案三：霍爾傳感器

原理是利用霍爾元件測(cè)轉(zhuǎn)速，在待測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上裝上一個(gè)圓盤，在圓盤上裝上若干小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾元件放置在小磁鋼附近，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體以角速度M旋轉(zhuǎn)時(shí)，每日當(dāng)一個(gè)小磁鋼經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的速度。

綜上，避免光干擾，且測(cè)速發(fā)電機(jī)不適用，故選擇方案三。

1.6 顯示模塊的選擇

方案一：采用1602液晶模塊程序簡單，成本較低，但是局限于其無法對(duì)漢字進(jìn)行顯示，及顯示的點(diǎn)陣像素有限，為了滿足各功能間的切換及操作的簡單就需要文字性的說明，而1602就無法滿足。

方案二：使用液晶屏顯示。LCD具有輕薄短小、低耗電量、影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫面效果好，顯示信息量大，分辨率高且抗干擾性強(qiáng)；外圍電路少，使用方便。

綜合考慮以上兩種方案，選擇采用方案二。

二、理論分析與設(shè)計(jì)

2.1 LDC1000模塊設(shè)計(jì)

LDC1000的電感中加上一個(gè)交變電流，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，這時(shí)如果有金物體進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)則會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流（感應(yīng)電流）。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)跟線圈的電磁場(chǎng)方向相反。渦流是金屬物體的距離，大小，成分的函數(shù)。

渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)跟線圈耦合在一起，就像是有另一個(gè)次級(jí)線圈存在一樣。這樣LDC1000的線圈作為初級(jí)線圈，渦流效應(yīng)作為次級(jí)線圈，就形成了一個(gè)變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級(jí)線圈這一側(cè)就可以檢測(cè)到次級(jí)線圈的參數(shù)。

下圖中 Ls 是初級(jí)線圈電感值，Rs 是初級(jí)線圈的寄生電阻。L（d）是互感值，R（d）是互感 的寄生電阻，括號(hào)中用 d 是因?yàn)樗鼈兪蔷嚯x的函數(shù)。

交變電流如果只加在電感上（初級(jí)線圈），則在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的同時(shí)也會(huì)消耗大量的能量。這時(shí)將一個(gè)電容并聯(lián)在電感上，由于 LC 的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，能量只會(huì)損耗在 Rs 和R（d）上。可以看出檢測(cè)到R（d）的損耗就可以間接的檢測(cè)到d。

LDC1000并不是直接檢測(cè)串聯(lián)的電阻，而是檢測(cè)等效并聯(lián)電阻。不同的測(cè)試對(duì)象和距離會(huì)產(chǎn)生不同的損耗，也是Rp的范圍不同。所以應(yīng)用中需要配置。我們不斷調(diào)試得出Rp的Min和Max值。

3.2 工作流程

此系統(tǒng)使用開環(huán)控制。舵機(jī)擺動(dòng)控制LCD1000檢測(cè)金屬，返回值經(jīng)過數(shù)字濾波，確定出鐵絲所在的角度值，返回給單片機(jī)，單片機(jī)將角度換算成兩個(gè)電機(jī)的差速，然后計(jì)算成占空比來控制L298N芯片輸出一定電壓從而控制小車。

四、總結(jié)：

在現(xiàn)實(shí)生活中金屬探測(cè)小車具有很強(qiáng)的實(shí)用性和很好的發(fā)展，這里本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易與控制，性能良好，有著一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 學(xué)做智能車[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 卓晴， 2007

作者簡介：金千航，出生年月：1996年3月30日，性別：男，民族：漢族，籍貫：浙江省臨海市，學(xué)歷：本科，研究方向：單片機(jī)。