2016TI杯電子設(shè)計(jì)大賽C題金屬循跡小車

1、2016年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽自動(dòng)循跡小車（C題）【本科組】摘要：該系統(tǒng)以STM32F103VET6和89C52單片機(jī)為控制核心，采用了比賽指定的LDC1000電感傳感器來探測(cè)鐵絲和硬幣，通過單片機(jī)產(chǎn)生的PWM和LM298模塊控制電機(jī)，通過光耦傳感器測(cè)量小車輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)圈速，并應(yīng)用LCD1602顯示模塊，以LM2596S為核心的電源電路為系統(tǒng)供電，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)小車循跡、檢測(cè)到硬幣后蜂鳴器發(fā)出聲響和實(shí)時(shí)顯示小車行駛的距離和運(yùn)行時(shí)間等功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，可靠性能高，多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果滿足基本要求和大部分發(fā)揮部分的要求。關(guān)鍵詞：STM32F103VET6 89C52 LDC1000 智

2、能小車一、 方案論證1.方案選擇1.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇 方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)小車進(jìn)行調(diào)整，此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，易損壞，壽命較短，可靠性不高。 方案二：采用專用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)，它相應(yīng)頻率高，一塊L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。用該模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 因此決定采用方案二。1.2電機(jī)的選擇 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動(dòng)和停止能力，其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比較昂貴，且該實(shí)驗(yàn)對(duì)小車速度等沒有特殊要求，

3、因而，不選取該方案。 方案二：采用普通的直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便。調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)?？梢詽M足實(shí)驗(yàn)要求。 因此選擇方案二1.4探測(cè)線圈的選擇方案一：使用TI公司生產(chǎn)的LDC1000模塊自帶的PCB線圈，其優(yōu)點(diǎn)是布線精致，感應(yīng)靈敏，但其探測(cè)范圍小，對(duì)小車探測(cè)載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高。方案二；使用自制線圈，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)范圍大，但其精度不夠高，且繞制難度較高。綜合考慮，選擇方案一。1.5主控芯片的選擇方案一:采用51單片機(jī)，操作簡(jiǎn)單，功耗低，廉價(jià)，但I(xiàn)O口不足，運(yùn)行速率較低，無法控制LDC1000。方案二：采用

4、STM32單片機(jī)，高性能，低功耗，還有較多IO口，但操作相對(duì)較難。經(jīng)過綜合評(píng)測(cè)，采用STM32控制小車循跡，51控制小車的實(shí)時(shí)顯示的方案。2.方案描述根據(jù)題目的要求，設(shè)計(jì)任務(wù)是通過使用TI公司生產(chǎn)的LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為循跡傳感器，在規(guī)定的平面跑道上自動(dòng)按順時(shí)針方向循跡前進(jìn)，并對(duì)沿路檢測(cè)到的硬幣產(chǎn)生聲光提示，而且實(shí)時(shí)顯示路程與時(shí)間。為了完成上述功能，將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四個(gè)基本模塊，電機(jī)控制模塊，信號(hào)采集與檢測(cè)模塊，檢測(cè)提醒模塊實(shí)時(shí)路程與時(shí)間顯示模塊，其中電機(jī)控制模塊由穩(wěn)壓電源電路，L298N驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成，信號(hào)采集與檢測(cè)模塊由小車正前方的掃描載體和LDC1000傳感器構(gòu)成的金屬探頭

5、組成，檢測(cè)提醒模塊包括聲光報(bào)警電路，實(shí)時(shí)路程與時(shí)間顯示模塊是通過光耦傳感器采集實(shí)時(shí)路程傳輸給ST89C52，通過處理使LCD1602顯示路程與時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)的總框圖如下圖所示STC89C52STM32F103VET6光耦傳感器L298N驅(qū)動(dòng)蜂鳴器與小燈LCD1602小車LDC1000傳感器圖1 系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)核心模塊是信號(hào)采集與檢測(cè)模塊，機(jī)械架構(gòu)的穩(wěn)定性決定了金屬探頭采集的精確度，采用將LDC1000使用螺母固定在小車的正前方的結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性并可以根據(jù)鐵絲的高度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)探頭的高度，檢測(cè)裝置的，結(jié)構(gòu)和控制算法相對(duì)較為簡(jiǎn)單。2、 理論分析與計(jì)算2.1探測(cè)器組成方案與工作原理分析 LDC1

6、000的原理就是電磁感應(yīng)，其只需要外接一個(gè)PCB線圈或者自制線圈就可以實(shí)現(xiàn)非接觸式電磁檢測(cè)。在PCB線圈或者自制線圈中加上交變電流，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。這時(shí)，如果有金屬物體的進(jìn)入磁場(chǎng)，將會(huì)在金屬的表面產(chǎn)生渦流。渦流電流跟線圈的電流方向相反，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的相反。所以，渦流是金屬物體距離，大小，成分的函數(shù)。渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)與線圈耦合在一起，就象是有另一個(gè)次先線圈一樣，這樣就形成一個(gè)變壓器。由變壓器的互感作用，在初級(jí)線圈的這一側(cè)就可以檢測(cè)到次級(jí)線圈的參數(shù)。所以當(dāng)有金屬物體接近時(shí)，就會(huì)使傳感器的數(shù)值發(fā)生變化，對(duì)這一變化進(jìn)行判斷便可得知小車是否在正確的軌道上。2.2檢測(cè)與控制算法上電后

7、，先檢測(cè)傳感器返回的數(shù)值并保存，以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下傳感器返回?cái)?shù)值不同的情況，然后比較保存的數(shù)值與設(shè)定好的值（即探頭感應(yīng)到鐵絲的阻抗）比較，若不相等則通過STM32輸出PWM波進(jìn)而控制輪子的轉(zhuǎn)速，使得小車左右掃描，找到合適的數(shù)值即鐵絲的位置進(jìn)而繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)遇到硬幣的時(shí)候，由于所保存的參數(shù)會(huì)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而進(jìn)行聲光提示，即可順利循跡。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，在電機(jī)一側(cè)安裝了光耦傳感器，可以實(shí)時(shí)返回光柵的遮光次數(shù)，通過STC89C52的處理，即可輸出實(shí)時(shí)路程，通過內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行對(duì)時(shí)間的計(jì)時(shí)，即可在LCD1602上顯示實(shí)時(shí)路程與時(shí)間。3、 電路與程序設(shè)計(jì)1.電路設(shè)計(jì)圖2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3 1602顯示屏電路圖4 STM32F103VET6連接電路圖5 LDC1000連接電路2程序設(shè)計(jì)開始運(yùn)行判斷ADC碼值是否大于設(shè)定值增加擺動(dòng)角度否小車左轉(zhuǎn)一個(gè)幅度，再右轉(zhuǎn)回來繼續(xù)右轉(zhuǎn)一個(gè)幅度，在左轉(zhuǎn)回來轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)是判斷是否達(dá)到硬幣設(shè)定值否判斷ADC碼值是否大于設(shè)定值是是進(jìn)行聲光提示直行 圖6 程序流程圖4、 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1. 軟件仿真測(cè)試圖7 無鐵絲情況下檢測(cè)到的ADC碼值圖8 有鐵絲情況下檢測(cè)到的ADC碼值2. 實(shí)際運(yùn)行測(cè)試在地面上使用0.7mm鐵絲模擬賽道；在沿賽道隨機(jī)擺放硬幣，測(cè)