電子設(shè)計(jì)大賽C題金屬循跡小車

2016年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽自動循跡小車〔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)，通過光耦傳感器測量小車輪胎轉(zhuǎn)動圈速，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)了電動小車循跡、檢測到硬幣后蜂鳴器發(fā)出聲響和實(shí)時顯示小車行駛的距離和運(yùn)行時間等功能。整個系統(tǒng)的電路構(gòu)造簡單明了，可靠性能高，屢次實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足根本要求和大局部發(fā)揮局部的要求。關(guān)鍵詞：STM32F103VET689C52LDC1000智能小車方案論證1.方案選擇1.1電機(jī)驅(qū)動方案的選擇方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)展控制，通過開關(guān)的切換對小車進(jìn)展調(diào)整，此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢，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。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動，它相應(yīng)頻率高，一塊L298N可以分別控制兩個直流電機(jī)。用該模塊驅(qū)動電機(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)具有快速啟動和停頓能力，其轉(zhuǎn)換靈敏度比擬高，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比擬昂貴，且該實(shí)驗(yàn)對小車速度等沒有特殊要求，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、制動和反轉(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，但其探測圍小，對小車探測載體的機(jī)械構(gòu)造要求較高。方案二；使用自制線圈，其優(yōu)點(diǎn)是檢測圍大，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)，操作簡單，功耗低，廉價(jià)，但I(xiàn)O口缺乏，運(yùn)行速率較低，無法控制LDC1000。方案二：采用STM32單片機(jī)，高性能，低功耗，還有較多IO口，但操作相對較難。經(jīng)過綜合評測，采用STM32控制小車循跡，51控制小車的實(shí)時顯示的方案。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按順時針方向循跡前進(jìn)，并對沿路檢測到的硬幣產(chǎn)生聲光提示，而且實(shí)時顯示路程與時間。為了完成上述功能，將整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四個根本模塊，電機(jī)控制模塊，信號采集與檢測模塊，檢測提醒模塊實(shí)時路程與時間顯示模塊，其中電機(jī)控制模塊由穩(wěn)壓電源電路，L298N驅(qū)動電路兩局部組成，信號采集與檢測模塊由小車正前方的掃描載體和LDC1000傳感器構(gòu)成的金屬探頭組成，檢測提醒模塊包括聲—光報(bào)警電路，實(shí)時路程與時間顯示模塊是通過光耦傳感器采集實(shí)時路程傳輸給ST89C52，通過處理使LCD1602顯示路程與時間。整個系統(tǒng)的總框圖如下列圖所示STC89C52STM32F103VET6STC89C52STM32F103VET6光耦傳感器L298N光耦傳感器L298N驅(qū)動蜂鳴器與小燈蜂鳴器與小燈LCD1602小車LCD1602小車LDC1000LDC1000傳感器圖1系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)核心模塊是信號采集與檢測模塊，機(jī)械架構(gòu)的穩(wěn)定性決定了金屬探頭采集的準(zhǔn)確度，采用將LDC1000使用螺母固定在小車的正前方的構(gòu)造具有很好的穩(wěn)定性并可以根據(jù)鐵絲的高度實(shí)時調(diào)節(jié)探頭的高度，檢測裝置的，構(gòu)造和控制算法相對較為簡單。理論分析與計(jì)算2.1探測器組成方案與工作原理分析LDC1000的原理就是電磁感應(yīng)，其只需要外接一個PCB線圈或者自制線圈就可以實(shí)現(xiàn)非接觸式電磁檢測。在PCB線圈或者自制線圈中加上交變電流，線圈周圍就會產(chǎn)生交變磁場。這時，如果有金屬物體的進(jìn)入磁場，將會在金屬的外表產(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)生的反向磁場與線圈耦合在一起，就象是有另一個次先線圈一樣，這樣就形成一個變壓器。由變壓器的互感作用，在初級線圈的這一側(cè)就可以檢測到次級線圈的參數(shù)。所以當(dāng)有金屬物體接近時，就會使傳感器的數(shù)值發(fā)生變化，對這一變化進(jìn)展判斷便可得知小車是否在正確的軌道上。2.2檢測與控制算法上電后，先檢測傳感器返回的數(shù)值并保存，以應(yīng)對不同環(huán)境下傳感器返回?cái)?shù)值不同的情況，然后比擬保存的數(shù)值與設(shè)定好的值〔即探頭感應(yīng)到鐵絲的阻抗〕比擬，假設(shè)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，找到適宜的數(shù)值即鐵絲的位置進(jìn)而繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)遇到硬幣的時候，由于所保存的參數(shù)會發(fā)生較大的變化，進(jìn)而進(jìn)展聲光提示，即可順利循跡。當(dāng)小車前進(jìn)時，在電機(jī)一側(cè)安裝了光耦傳感器，可以實(shí)時返回光柵的遮光次數(shù)，通過STC89C52的處理，即可輸出實(shí)時路程，通過部定時器進(jìn)展對時間的計(jì)時，即可在LCD1602上顯示實(shí)時路程與時間。電路與程序設(shè)計(jì)1.電路設(shè)計(jì)圖2L298N電機(jī)驅(qū)動電路圖31602顯示屏電路圖4STM32F103VET6連接電路圖5LDC1000連接電路2程序設(shè)計(jì)開場運(yùn)行開場運(yùn)行判斷判斷ADC碼值是否大于設(shè)定值增加擺動角度否增加擺動角度否小車左轉(zhuǎn)一個幅度，再右轉(zhuǎn)回來小車左轉(zhuǎn)一個幅度，再右轉(zhuǎn)回來繼續(xù)右轉(zhuǎn)一個幅度，在左轉(zhuǎn)回來轉(zhuǎn)動的同時進(jìn)展檢測是是判斷是否到達(dá)硬幣設(shè)定值判斷是否到達(dá)硬幣設(shè)定值否判斷ADC否判斷ADC碼值是否大于設(shè)定值是是是是進(jìn)展聲光提示進(jìn)展聲光提示直行直行圖6程序流程圖測試方案與測試結(jié)果軟件仿真測試圖7無鐵絲情況下檢測到的ADC碼值圖8有鐵絲情況下檢測到的ADC碼值實(shí)際運(yùn)行測試在地面上使用0.7mm鐵絲模擬賽道；在沿賽道隨機(jī)擺放硬幣，測試小車。測試結(jié)果表1測試結(jié)果數(shù)