遙控避障金屬探測小車

朱浩洋 解鴻林 關詩文 閆嘯風 徐翠艷

摘 ?要：本項目設計制作一個遙控避障金屬探測小車，利用霍爾效應原理和畢奧-薩伐爾定律，實現遙控避障金屬探測小車裝置。采用小車和金屬探測器兩者結合的方式，實現遙控操縱小車探測金屬，同時遇到障礙物小車自動躲避的功能。

關鍵詞：避障;霍爾效應;金屬探測器;遙控操縱

中圖分類號：TM764.2 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0039-02

Abstract： This project designs and makes a remote control obstacle avoidance metal detection trolley， using the principle of Hall Effect and Biot-Savart Law to realize the remote control obstacle avoidance metal detection trolley device. The combination of the trolley and the metal detector is used to realize the function of remotely operating the trolley to detect the metal and avoiding the car automatically when it encounters obstacles at the same time.

Keywords： obstacle avoidance; Hall Effect; metal detector; remote control

1 項目研究目的和意義

在我們日常生活中，各種自然災害或者意外事故時有發生。對于災后如何順利救援，避免再次受害以及采取有效措施進行救援有著重要的意義。大學物理霍爾效應測磁場實驗中，霍爾效應不但可以測定半導體材料參數，而且利用該效應能制成霍爾器件。霍爾器件具有結構簡單、小型、頻率響應寬（從直流到微波）、輸出電壓變化大、自然壽命長等優點。已被廣泛用于非電量測量、自動控制和信息處理等方面。該裝置主要是利用線性霍爾元器件，以單片機為核心，實現遙控避障金屬探測小車。采用小車和金屬探測器兩者結合的方式，實現遙控操縱小車探測金屬，同時遇到障礙物小車自動躲避的功能。主要運用領域包括軍事偵察與環境檢測、探測危險與排除險情，能體現現代科技的作用。

2 設計原理

主要是利用霍爾效應原理和畢奧-薩瓦爾定律，實現遙控避障金屬探測小車裝置。采用小車和金屬探測器兩者結合的方式，實現遙控操縱小車探測金屬，同時遇到障礙物小車自動躲避的功能。

利用555定時器構成一個多諧振蕩器，產生一頻率為24kHz的脈沖信號，再通過共射極放大電路形成頻率穩定度更高、功率較大的脈沖信號。將該信號輸入到探測線圈中，使線圈周圍產生恒定的交變磁場。由畢奧-薩伐爾定律可計算求得線圈中心軸線上某點的磁感應強度B。將霍爾元件置于該點。由于金屬靠近時，會導致介質磁導率的變化或者由于金屬的渦流效應削弱原磁場的作用，使霍爾元件上產生的電壓與無金屬產生的電壓不同。霍爾元件輸出電壓經放大濾波后由單片機通過AD轉換獲得，將之與無金屬獲得電壓進行對比，判斷有無金屬。

實驗儀器與裝置如圖2所示。

3 實驗方法

如圖1整個裝置是由線圈振蕩電路、霍爾檢測放大電路、AD轉換電路、單片機處理電路以及小車控制電路組成。

線圈振蕩電路由555定時器產生脈沖信號在探測線圈中產生一穩定的交變磁場，且該磁場在中心點的磁感應強度恒定，放置在該點的霍爾元件產生靜態輸出電壓。

霍爾檢測放大電路采用了線性霍爾傳感器UGN3503，檢測通電線圈周圍磁場的變化。該傳感器是依據霍爾效應（在一塊半導體薄片上兩端通以電流，并加上和薄片表面垂直的磁場B時，在薄片橫向兩側會出現一個電壓）制成的元件。由于該霍爾元件采集到的電壓信號是一個毫伏級的信號，信號十分微弱，所以對其進行處理時需要進行放大并且需通過峰值檢波和后級緩沖放大電路，將采集到的微弱信號放大至0-5V，以滿足AD轉換器所要求的輸入電壓變換范圍。

AD轉換電路選用了經濟實用的ADC0809型A/D轉換器來完成模數轉換。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉換器，片內有8路模擬開關，可對8路模擬電壓量分時轉換，轉換速度為100us。

金屬探測和小車控制單元采用STC公司生產STC89C52芯片。由于金屬檢測電路和小車是分立的，所以采用兩塊STC89C52芯片。當金屬探測器探測到金屬時，會在相應引腳輸出一脈沖。小車控制單元通過中斷檢測這一脈沖以實現簡單的信息傳送。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字節系統可編程Flash存儲器同時STC89C52使用經典的MCS-51內核，經濟實用并且可用C語言編程。

4 數據測量與分析（表1）

在金屬橫截面積小于3.14cm2時，小車能夠探測到，但是成功率較低，達到50%。金屬橫截面積大于6cm2時，小車探測成功率基本是100%，也就是金屬障礙物橫截面積越大越容易探測。

5 結論

該裝置以單片機為核心，采用線性霍爾元件作為傳感器，同時搭載在小車上，實現移動遙控探測同時兼具避障的效果，在生產生活實際中可大范圍的應用。但是由于外界環境變量較多，導致該探測裝置有稍微的誤差。在以后的應用中可根據實際情況進一步改進，以實現大規模應用。

參考文獻：

[1]邱忠媛，徐翠艷，等.大學物理實驗[M].沈陽：東北大學出版社，2016.

[2]李世光，申夢茜，肖佳宜，等.新型無線遙控機器人控制系統設計[J].現代電子技術，2016（18）：110-113.

[3]徐元文，張婧婧，陳寧.基于Arduino的無線環境探測小車的設計[J].計算機與現代化，2015（6）：119-121+126.