張 菁，趙 鵬

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

一種電感數(shù)字傳感器的循跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 菁，趙 鵬

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

針對(duì)傳統(tǒng)的以紅外反射式傳感器為主的循跡小車存在受強(qiáng)光干擾不靈敏、循跡線的鋪設(shè)色差及線寬要求較高的缺點(diǎn)，提出了以單片機(jī)為控制器，LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器和外接線圈作為循跡傳感器，結(jié)合光電測(cè)速電路、驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路等，實(shí)現(xiàn)在跑道標(biāo)識(shí)為一根直徑為0.9 mm的細(xì)鐵絲的平面跑道上穩(wěn)定運(yùn)行;具備在運(yùn)行途中檢測(cè)跑道上的金屬片，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和計(jì)數(shù)功能；具備實(shí)時(shí)顯示小車運(yùn)行時(shí)間、速度和距離的功能;實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)集測(cè)量精度高、顯示直觀及工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，采用的非接觸、無磁體的感應(yīng)技術(shù)對(duì)以導(dǎo)體為循跡標(biāo)識(shí)的小車的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

單片機(jī)；循跡小車；電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器；循跡傳感器

0 引言

智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能為一體的控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于高溫、高壓及有毒害氣體等人難以現(xiàn)場(chǎng)工作的特殊環(huán)境下的救援及輔助探測(cè)等工作。市面上廣泛存在的循跡小車的循跡模塊采用的是紅外對(duì)射反射式光電傳感器，其主要工作于具有白底黑線的跑道上，根據(jù)黑白顏色的反射系數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)循黑線行走，在一些特殊場(chǎng)合的使用受到限制[1]。本設(shè)計(jì)利用電感數(shù)字傳感器，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，使小車按鋪設(shè)的鐵絲為引導(dǎo)軌跡前進(jìn)，同時(shí)兼具金屬檢測(cè)功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)循跡小車的不足。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

小車選用后輪為兩輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，前方為萬向輪起支撐作用，根據(jù)后輪的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的控制；控制器采用國(guó)產(chǎn)宏晶科技的STC系列單片機(jī)，其中，電源電路為鋰離子電池供電；時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘基準(zhǔn)，是單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提；復(fù)位電路具備上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種功能；報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)循跡小車在運(yùn)行過程中檢測(cè)到金屬片后的報(bào)警提示；轉(zhuǎn)速測(cè)量電路用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的檢測(cè)；LCD顯示電路用來實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行時(shí)間、速度、距離及檢測(cè)到的金屬片的數(shù)量；循跡傳感器用來搜尋跑道上的金屬線；驅(qū)動(dòng)電路則用來提高單片機(jī)I/O的帶負(fù)載能力[2-3]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 理論分析與計(jì)算

2.1 檢測(cè)原理分析

LDC1000的電感檢測(cè)原理的實(shí)質(zhì)為電磁感應(yīng)。在LDC1000的線圈上加交變電流，線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)范圍內(nèi)的金屬表面會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流的電流與線圈電流方向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也相反。同時(shí)，渦流是金屬物體的距離、大小、成分的函數(shù)。如果交變電流只加在線圈上，則在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的同時(shí)會(huì)消耗較大的能量，采用將電容并聯(lián)在線圈上構(gòu)成LC并聯(lián)諧振電路，從而明顯降低能量損耗[4-5]。設(shè)計(jì)中通過檢測(cè)LDC000的等效并聯(lián)阻抗RP的大小確定線圈與金屬線的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬線的循跡和對(duì)金屬片的檢測(cè)功能。

2.2 小車運(yùn)行距離的計(jì)算

轉(zhuǎn)速測(cè)量電路是由光電傳感器發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻擋時(shí)，接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號(hào)。由于光電傳感器的輸出為脈沖信號(hào)，單位時(shí)間內(nèi)輸出脈沖的數(shù)量即小車運(yùn)行的轉(zhuǎn)數(shù)，利用車輪周長(zhǎng)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積就可以求出小車運(yùn)行的距離。

3 軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包含時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、LCD顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路、光電測(cè)速電路及報(bào)警電路。其中時(shí)鐘頻率為12 MHz；復(fù)位電路是為了預(yù)防程序跑飛而設(shè)計(jì)的，可使單片機(jī)及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作，本系統(tǒng)具備上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩個(gè)功能，其中上電復(fù)位利用電容的沖放電實(shí)現(xiàn)，手動(dòng)復(fù)位利用按鍵觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)為給單片機(jī)RST引腳一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期；LCD顯示電路采用圖形液晶顯示器LCD12864，為了節(jié)省單片機(jī)的I/O資源，設(shè)計(jì)中采用LCD的串行連接方式；光電測(cè)速電路采用凹槽式光耦，中間為齒盤與小車電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，經(jīng)過對(duì)紅外發(fā)射光的阻斷和導(dǎo)通，其輸出端就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電平變化，通過單片機(jī)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的轉(zhuǎn)速[6]；報(bào)警電路則利用PNP三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到金屬片時(shí)發(fā)出提示音。具體電路如圖2所示。

圖2 控制電路

3.2 數(shù)據(jù)采集電路

LDC1000在工作時(shí)使用線圈作為感應(yīng)元件，來測(cè)量導(dǎo)電目標(biāo)內(nèi)的渦流損耗和總電感，其中導(dǎo)電目標(biāo)可以是任何導(dǎo)體。在使用LDC1000設(shè)計(jì)時(shí)，由于傳感器可以為繞線、PCB上的線圈、用導(dǎo)電油墨印刷的線圈，甚至可以是簡(jiǎn)單的彈簧，而且無需接觸，避免磁體間的磨損，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。設(shè)計(jì)中采用0.9 mm的鐵絲作為循跡軌跡，2 mm厚的不銹鋼金屬片作為待檢測(cè)的金屬片，LDC1000的線圈采用雙層PCB線圈，直徑為14 mm，間距和線寬均為4mil。LDC1000對(duì)CFA與CFB引腳間的濾波電容的選擇較為苛刻，需要選擇低泄露，溫度穩(wěn)定性好，壓電噪聲低的電容，最優(yōu)的電容值在 20 pF 到 100 nF 之間。電容值由 LC 的諧振時(shí)間常數(shù)決定，設(shè)計(jì)中選用溫度特性較好的I類陶瓷電容其容值為20 pF，耐壓值大于10 V[7-8]。為了減小寄生參數(shù)，濾波電容應(yīng)該盡量靠近芯片且走線要短，數(shù)字地與模擬地分開并最終匯聚于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力。具體電路如圖3所示。

3.3 主程序設(shè)計(jì)

主程序是程序的入口，單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)采集電路中采集的等效并聯(lián)阻抗RP的值，判斷是否為金屬線，如果偏離金屬線則作出相應(yīng)控制[9]，運(yùn)行時(shí)間的計(jì)數(shù)通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。具體流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

為確保等效并聯(lián)阻抗RP的值在采樣區(qū)間內(nèi)，同時(shí)又保證足夠的精度，必須通過寄存器RPMAX和RPMIN合理設(shè)置RP的取值范圍。對(duì)于金屬線的循跡RPMAX的設(shè)置則通過置于小車底盤的LDC1000的線圈距離金屬線最遠(yuǎn)處，此時(shí)渦流損耗最小，RPMAX的值逐漸減小，code值接近3000時(shí)選擇此時(shí)的RPMAX的值；RPMIN的設(shè)置則通過將線圈放置于金屬線最近處，此時(shí)渦流最大，RPMIN的值逐漸增大，code值接近25000時(shí)選擇此時(shí)的RPMIN的值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)質(zhì)為驅(qū)動(dòng)輸出電流，小車的運(yùn)行速度與小車底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和工作電壓較為密切，但過高的電壓可能對(duì)驅(qū)動(dòng)器L298芯片和電機(jī)的正常工作產(chǎn)生影響。調(diào)試階段，采用直流24 V開關(guān)電源供電，雖然滿足電機(jī)的工作電壓，同時(shí)也未達(dá)到L298的最高工作電壓46 V，瞬間峰值電流3 A，持續(xù)工作電流2 A，額定功率25 W的要求，但上電瞬間L298驅(qū)動(dòng)芯片燒毀，原因在于采用開關(guān)電源供電，上電瞬間電壓大于L298的耐壓值，導(dǎo)致芯片被擊穿。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)加散熱卡，避免長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的過熱保護(hù)。同時(shí)，不同品牌的L298耐壓值有差異，設(shè)計(jì)中建議選擇正規(guī)廠家的產(chǎn)品。

4.2 PWM調(diào)速

系統(tǒng)速度的設(shè)置采用PWM調(diào)速的原理，利用單片機(jī)定時(shí)器T0，設(shè)定脈沖寬度為t，脈沖周期為T，D=t/T為占空比。則小車運(yùn)行速度為：

Vd=Vmax×D

(1)

其中:Vmax為小車電機(jī)的最大速度。利用Proteus軟件對(duì)占空比可調(diào)的波形進(jìn)行仿真，其仿真圖如圖5所示。

圖5 PWM調(diào)速仿真圖

對(duì)于小車速度控制符合經(jīng)典控制理論的基本特點(diǎn),其中利用轉(zhuǎn)速測(cè)量電路檢測(cè)當(dāng)前速度,利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)其速度的穩(wěn)定控制,其PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 PID控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)小車的特性得出電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓、運(yùn)行速度的傳遞函數(shù)，利用單片機(jī)軟件結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)其速度的穩(wěn)定控制[10]。

4.3 小車的運(yùn)行檢測(cè)

以一根直徑為0.9 mm的鐵絲為循跡對(duì)象，在直道上最大運(yùn)行速度為0.1 m/s，在圓弧半徑為20厘米的彎道上，運(yùn)行速度最大為0.03 m/s。小車在運(yùn)行途中無偏離跑道的現(xiàn)象，實(shí)時(shí)速度及運(yùn)行距離顯示正常，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。具體運(yùn)行實(shí)物如圖7所示。

圖7 小車實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、理論分析與計(jì)算、軟硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試的角度對(duì)基于電感數(shù)字傳感器的循跡小車的控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的介紹，利用仿真和實(shí)物測(cè)試相結(jié)合的形式證明了系統(tǒng)的可行性。電感數(shù)字傳感器LDC1000對(duì)是否偏離金屬線鋪設(shè)的跑道的檢測(cè)，實(shí)質(zhì)是對(duì)等效并聯(lián)阻抗RP大小的判斷，如果跑道所鋪設(shè)的金屬線的材質(zhì)、直徑或LDC1000的線圈與跑道的垂直距離任何一個(gè)發(fā)生變化，必須重新設(shè)置RP的取值范圍。如果RP超出設(shè)置范圍就會(huì)被鉗位，如果RP的范圍設(shè)置過大，而RP的實(shí)際取值范圍過小則會(huì)浪費(fèi)LDC1000內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的精度，必要時(shí)要使用阻抗分析儀。

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Control System Design of Tracking Car with Digital Inductance Sensor

Zhang Jing, Zhao Peng

(School of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China)

With regard to the disadvantages, such as insensitivity under the interference of highlights, the high requirements of the tracking line’s chromatic aberration and line width, of the traditional tracking car, which is mainly based on reflected infrared sensors, this article proposes a control system design which uses Micro Control Unit as a controller, LDC1000 digital inductance converter and external coil as tracking sensor, combines opto-electronic testing velocity circuit, drive circuit and LCD display circuit, etc. Such control system could realize a stable running on a flat runway with a runway identification of a thin wire whose diameter is 0.9 mm. The control system has the function of detecting sheet metals on the runway while running, could realize the alarming and counting functions; and has the function of the real-time display of the car's running time, speed and distance. The experiment indicates that this system has the advantages like a high precision, a clear display and a stable performance, adopts the non-contact, non-magnet sensor technology and has a certain guiding significance to the design of the cars using conductor as tracking identifications.

micro control unit; tracking car; digital inductance converter; tracking sensor

2016-09-08；

2016-12-23。

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃(15JK1864)。

張 菁(1979-)，女，陜西府谷人，講師，碩士，主要從事電路設(shè)計(jì)與故障診斷方向的研究。

1671-4598(2017)05-0080-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.022

TP273

A