基于STM32單片機的自動循跡小車

摘 要：本設(shè)計利用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計了一個自動循跡小車。小車以STM32單片機為控制核心，控制裝有LDC1000電感傳感器的擺臂左右擺動，進行金屬探測，并沿金屬自動循跡。該金屬探測小車探測精度高，測量信息準確、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 金屬循跡探測

一、系統(tǒng)方案

此設(shè)計主要由電源模塊，單片機控制模塊，L298驅(qū)動電機模塊，LDC1000循跡模塊，測速模塊以及顯示模塊組成。下面分別論述這幾個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)壓給電機供電，然后經(jīng)LM7805模塊降壓并穩(wěn)壓給測速模塊，L298模塊，舵機等供電，然后經(jīng)LM117-3.3模塊降壓并穩(wěn)壓給STM32單片機供電。

1.2 循跡模塊

采用TI公司的LDC1000模塊對地面布置的鐵絲進行循跡。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，保持和實現(xiàn)更高的分辨率、可靠性以及靈活性。LDC1000不僅可以測量位置，運動。或者金屬和導體的構(gòu)成，甚至可以檢測彈簧的壓縮、擴張與扭曲度。

1.3 電機驅(qū)動的選擇

方案一：分立組件組成的平衡式驅(qū)動電路

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

方案二：LMD1820

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

方案三：L298N電機驅(qū)動模塊

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H橋，可以同時控制兩個電機。硬件實現(xiàn)較簡單且控制效果不錯。

考慮到軟硬件的控制的簡便性以及性價比，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。傳統(tǒng)的51單片機為8位機，價格便宜，控制簡單，但是控制速度慢，片內(nèi)資源和存儲容量較少，計算精度不高，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80個IO（大部分兼容5V邏輯），4個通用定時器，2個高級定時器，2個基本定時器，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 測速模塊的選擇

方案一：光電測速傳感器

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：測速發(fā)電機

原理是旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化成電信號，適合測量速度較高的旋轉(zhuǎn)物體的速度，采用電磁感應(yīng)的原理，市場上測速發(fā)電機應(yīng)用于低壓市場的比較少，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轉(zhuǎn)速，在待測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上裝上一個圓盤，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，當旋轉(zhuǎn)體以角速度M旋轉(zhuǎn)時，每日當一個小磁鋼經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的速度。

綜上，避免光干擾，且測速發(fā)電機不適用，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漢字進行顯示，及顯示的點陣像素有限，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，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；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

2.1 LDC1000模塊設(shè)計

LDC1000的電感中加上一個交變電流，線圈周圍就會產(chǎn)生交變電磁場，這時如果有金物體進入這個電磁場則會在金屬物體表面產(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)電磁場跟線圈的電磁場方向相反。渦流是金屬物體的距離，大小，成分的函數(shù)。

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

下圖中 Ls 是初級線圈電感值，Rs 是初級線圈的寄生電阻。L（d）是互感值，R（d）是互感 的寄生電阻，括號中用 d 是因為它們是距離的函數(shù)。

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

LDC1000并不是直接檢測串聯(lián)的電阻，而是檢測等效并聯(lián)電阻。不同的測試對象和距離會產(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。舵機擺動控制LCD1000檢測金屬，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，單片機將角度換算成兩個電機的差速，然后計算成占空比來控制L298N芯片輸出一定電壓從而控制小車。

四、總結(jié)：

在現(xiàn)實生活中金屬探測小車具有很強的實用性和很好的發(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：

[1] 學做智能車[M]. 北京航空航天大學出版社 ， 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，學歷：本科，研究方向：單片機。