基于LDC1314電感數(shù)字傳感器的智能循跡小車控制與設(shè)計(jì)

王宇欣

摘要：自動(dòng)循跡智能小車?yán)脗鞲衅鱈DC1314掃描式檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)送至12單片機(jī)進(jìn)行處理，從而準(zhǔn)確控制直流電機(jī)的速度及聲光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)按鐵絲軌道循跡并檢測(cè)硬幣。同時(shí)采用編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，將信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，得到行駛距離，并和時(shí)間一起在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)性，循跡穩(wěn)定，硬幣識(shí)別準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)顯示距離及時(shí)間效果好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)提出的各項(xiàng)要求。

關(guān)鍵詞：STC12LE5A60S2；LDC1314；直流電機(jī)；舵機(jī)

1 引言

國(guó)外很多高校和科研機(jī)構(gòu)研究智能車較早，已有許多技術(shù)成熟的產(chǎn)品，我國(guó)進(jìn)行智能車的研究起步較晚，但經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展必將為智能車的研究提供一個(gè)更加廣闊的前景。通過應(yīng)用自動(dòng)控制原理、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和傳感器技術(shù)等相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)金屬軌道自動(dòng)循跡和識(shí)別硬幣的小車控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)以C12單片機(jī)作為控制核心，使用金屬傳感器 LDC1314和測(cè)速光電編碼器來采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，對(duì)智能小車進(jìn)行了硬軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小車沿著金屬軌道快速直行、轉(zhuǎn)彎、測(cè)距和記時(shí)及識(shí)別硬幣的功能。

2 系統(tǒng)的方案論證

本設(shè)計(jì)制作了一個(gè)自動(dòng)循跡智能小車，該小車在規(guī)定的直徑為0.6～0.9mm的細(xì)鐵絲跑道上自動(dòng)循跡前進(jìn)，同時(shí)顯示小車行駛的距離和時(shí)間，并對(duì)跑道上任意放置的硬幣進(jìn)行檢測(cè)并發(fā)出提示音。跑道示意圖如圖1所示，圖中所有圓弧的半徑均為為20cm±2cm。根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)要求，對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的比較論證，具體如下：

2.1電機(jī)選擇

方案一：選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行接口方便，它的精度較好，在執(zhí)行過程中沒有累計(jì)誤差，且步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)是通過脈沖數(shù)量來控制的，因此它定位較精準(zhǔn)，但反應(yīng)速度卻不是特別快。

方案二：選擇普通直流電機(jī)。其定位雖不及步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)，但速度很容易控制，且反應(yīng)快，但本次設(shè)計(jì)要求對(duì)小車行駛的距離進(jìn)行顯示，如果選用普通直流電機(jī)，需加測(cè)速模塊，增加了硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

方案三：選擇直流電機(jī)外加編碼器測(cè)速。簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，且同時(shí)具有普通直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。因此，選擇方案三，電機(jī)具體型號(hào)為540，驅(qū)動(dòng)采用RZ7886芯片驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，測(cè)速用E6A2-CW3C編碼器實(shí)現(xiàn)。

2.2傳感器選擇

（1）本次設(shè)計(jì)需要小車對(duì)鐵絲軌道進(jìn)行探測(cè)并循跡，同時(shí)還需要檢測(cè)硬幣，可以采用TI公司LDC1314或LDC1000任意一款傳感器。據(jù)查資料了解到LDC1314傳感器功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，且能滿足系統(tǒng)檢測(cè)要求，最終設(shè)計(jì)中選定了LDC1314傳感器。

（2） 為實(shí)時(shí)顯示小車運(yùn)行距離，采用了霍爾編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速（直流電機(jī)中自帶），通過將編碼器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)進(jìn)行具體計(jì)算得到距離值并加以顯示。

2.3鐵絲及硬幣檢測(cè)方案

方案一：將傳感器LDC1314直接固定在車體底部并盡量貼近軌道，對(duì)鐵絲和硬幣進(jìn)行檢測(cè)，比較檢測(cè)數(shù)據(jù)值，控制電機(jī)按既定軌道運(yùn)行，此檢測(cè)方法檢測(cè)范圍窄，會(huì)出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致小車運(yùn)行時(shí)偏離軌跡幾率大。

方案二：在車體底部安裝傳感器LDC1314掃描式檢測(cè)，輸入信號(hào)給單片機(jī)，舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過單片機(jī)輸出PWM來控制，當(dāng)PWM值變化時(shí)，可以改變舵機(jī)的位置。檢測(cè)范圍寬，比較的數(shù)值為一個(gè)數(shù)據(jù)段，控制靈活，小車運(yùn)行穩(wěn)定。

經(jīng)不斷試驗(yàn)，選用了方案二，舵機(jī)選用型號(hào)MG-996R

2.4 測(cè)距方案

方案一：檢測(cè)小車運(yùn)行時(shí)霍爾編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，采用適合于低速的T法測(cè)速，計(jì)算得到電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，乘以時(shí)間，計(jì)算得出距離。

方案二：檢測(cè)小車運(yùn)行時(shí)霍爾編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，用測(cè)得的脈沖數(shù)除以車輪運(yùn)行一周的脈沖數(shù)，再乘以車輪的周長(zhǎng)計(jì)算得出距離。

經(jīng)測(cè)試，方案一檢測(cè)出的實(shí)時(shí)距離誤差較小，因此選擇方案一。

2.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于以上方案論證，循跡小車總體結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示：

3 傳感器LDC1314工作原理

導(dǎo)體在與交變電磁（EM）場(chǎng)接觸時(shí)將引起磁場(chǎng)變化，可以采用傳感器中的電感傳感器進(jìn)行檢測(cè)。一個(gè)電感器與一個(gè)電容器可以構(gòu)造一個(gè)L-C振蕩器，可以用來產(chǎn)生電磁場(chǎng)。在一個(gè)LC振蕩器中，當(dāng)電磁場(chǎng)收到干擾時(shí)，可以觀察到電感發(fā)生微小的偏移，與共振頻率存在一定關(guān)系。

利用這個(gè)原理，在LDC1314是一個(gè)電感-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（LDC），通過測(cè)量LC諧振器的振蕩頻率。該器件輸出數(shù)字值與振蕩頻率成比例關(guān)系。此頻率測(cè)量值可以被轉(zhuǎn)換為一個(gè)等效電感。

LDC1314由前端諧振電路驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，其通過一個(gè)多路復(fù)用器的有效通道序列。連接他們到芯片對(duì)傳感器頻率進(jìn)行測(cè)量與數(shù)字化處理。芯片使用基準(zhǔn)頻率來測(cè)量傳感器的頻率，基準(zhǔn)頻率從一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘（振蕩器），或外部提供的時(shí)鐘頻率。

4 軟件設(shè)計(jì)

小車控制程序主要為循跡，檢測(cè)硬幣，測(cè)距測(cè)時(shí)并實(shí)時(shí)顯示，這里主要介紹循跡及硬幣檢測(cè)主程序流程圖，如圖所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1測(cè)試工具

鐵絲軌道；精度1mm的卷尺；精度1s的秒表；一角硬幣。

5.2測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果分析

（1）小車跑完一圈的時(shí)間及鐵絲軌跡偏離小車垂直投影的情況。

將小車放在跑道任意位置，共測(cè)試五次，記錄跑完一圈的時(shí)間及鐵絲偏離小車垂直投影的距離。

（2）小車實(shí)時(shí)顯示測(cè)距，測(cè)試情況。

小車運(yùn)行過程中，LCD顯示屏上清晰可見實(shí)時(shí)顯示的距離和時(shí)間，并與小車實(shí)測(cè)距離時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

（3）一角硬幣檢測(cè)情況。

將多個(gè)硬幣放置在鐵絲軌跡的兩側(cè)，記錄小車通過時(shí)的情況。

6 結(jié)束語

通過測(cè)試，此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)循跡小車基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各項(xiàng)需求，循跡穩(wěn)定。硬幣

識(shí)別穩(wěn)定，且硬幣無論放到任何位置均可檢測(cè)出。設(shè)計(jì)中所用的1314芯片功耗低，靈敏度高，很好的實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能。

通訊作者：岑強(qiáng)