基于WEMOS芯片的智能金屬探測(cè)小車(chē)設(shè)計(jì)

李紅宇，馬 進(jìn)，趙雨秋，劉 文

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

金屬探測(cè)器（Mental Detector），是一類(lèi)能夠探測(cè)到金屬導(dǎo)體的電子儀器。金屬探測(cè)裝置能夠在旅客進(jìn)入車(chē)站的時(shí)候?qū)ζ渌鶖y帶的包裹進(jìn)行檢測(cè)，以防金屬危險(xiǎn)物品帶入其中[1]。它可以探測(cè)到埋在地下的金屬管道，甚至應(yīng)用在軍事上探測(cè)爆炸物；還能用在建筑行業(yè)中以探測(cè)墻壁中的電線電纜等金屬物體[2]。目前，金屬探測(cè)器已被廣泛應(yīng)用，成為探測(cè)金屬導(dǎo)體物體的重要設(shè)備[3]。實(shí)現(xiàn)了不用人們手動(dòng)操作移動(dòng)金屬探測(cè)器，即可自動(dòng)找到一塊材料里面的金屬。這個(gè)功能將極大節(jié)省人力支出，減少工作成本，對(duì)于彌補(bǔ)金屬探測(cè)器的自動(dòng)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)定位方面功能的空缺，有著較大的意義。

圖1 總體框架圖Fig.1 Overall framework diagram

本文設(shè)計(jì)了一輛具有簡(jiǎn)單智能化的簡(jiǎn)易小車(chē)[4]，該設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的智能控制，控制靈敏度高；采用霍爾傳感器，周?chē)慕饘傥矬w檢測(cè)度高；WEMOS單片機(jī)為核心處理器，檢測(cè)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。對(duì)物體利用超聲波模塊進(jìn)行掃描，當(dāng)小車(chē)距離物體小于某個(gè)閾值，小車(chē)自動(dòng)避障；對(duì)金屬物體的遠(yuǎn)近進(jìn)行規(guī)劃，慢慢地靠近探測(cè)線圈，使磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而電流和阻抗也跟著變化，并通過(guò)探測(cè)報(bào)警的聲音變化來(lái)反應(yīng)金屬的有無(wú)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能：在規(guī)定的范圍，小車(chē)避障，檢測(cè)金屬物體，探測(cè)報(bào)警及該系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的功能。將系統(tǒng)框架分為主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分，主機(jī)完成控制小車(chē)移動(dòng)等功能，從機(jī)完成找尋目標(biāo)和金屬物體探測(cè)報(bào)警等功能[5]。編寫(xiě)一個(gè)程序代碼，并將其導(dǎo)入到手機(jī)里面，通過(guò)操作手機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能金屬探測(cè)操作。使其系統(tǒng)連接緊密，各模塊相互配合，完成工作；然后，從硬件上將系統(tǒng)框架分為金屬探測(cè)模塊、超聲波模塊、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等幾個(gè)部分?？傮w框架圖如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，研究實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能如下：

1）從機(jī)能夠根據(jù)金屬物體的有無(wú)，找尋探測(cè)金屬物體，產(chǎn)生渦流效應(yīng)。

2）設(shè)計(jì)一個(gè)自主報(bào)警電路。

3）將程序代碼導(dǎo)入手機(jī)，通過(guò)手機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

4）操作手機(jī)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前后左右各個(gè)方向的探測(cè)。

5）通過(guò)操作智能小車(chē)，線性霍爾傳感器去探測(cè)金屬物體，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能報(bào)警。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of hardware design

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

金屬探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、金屬探測(cè)模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、WIFI模塊和電源模塊組成[6]。主要完成的功能如下：

1）金屬探測(cè)模塊和報(bào)警模塊完成金屬探測(cè)功能，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2）驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流減速電機(jī)，實(shí)現(xiàn)金屬探測(cè)器的可移動(dòng)功能。

3）WIFI模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，完成手機(jī)對(duì)小車(chē)無(wú)線控制功能。

4）電源模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和電壓穩(wěn)定的功能，為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的工作電壓。

2.2 WIFI模塊

WEMOS芯片集成了一個(gè)ESP8266WIFI模塊，如圖3所示。它有3種編程方式：使用AT指令進(jìn)行操作、LUA語(yǔ)言編程、Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境編程[7]。

ESP8266可以實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：串口透?jìng)?，PWM調(diào)控，GPIO控制[8]。它支持STA、AP等工作模式[9]。其中，將模塊設(shè)置為STA模式，可通過(guò)路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，作為上網(wǎng)設(shè)備使用等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

將WEMOS芯片構(gòu)架為一個(gè)服務(wù)器，等待客戶端接入，若金屬傳感器檢測(cè)到金屬，將數(shù)據(jù)傳入芯片，芯片驅(qū)動(dòng)報(bào)警模塊；同時(shí)，芯片還不斷地掃描是否有數(shù)據(jù)傳來(lái)，利用客戶端的數(shù)據(jù)判斷，驅(qū)動(dòng)小車(chē)。主程序流程圖如圖4所示。

圖3 WIFI模塊圖Fig.3 WIFI module diagram

3.2 架設(shè)WEMOS服務(wù)器程序

WEMOS板載無(wú)線網(wǎng)卡，將其設(shè)置為STA模式[10]，然后WEMOS架設(shè)為一個(gè)FTP服務(wù)器。若將手機(jī)APP作為客戶端連入WEMOS，就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)小車(chē)的控制。

#include＜ESP8266WiFi.h>

char *ssid="D-Link_DIR-612";

char *passward="13473904192";

WiFiServer server(88);

void initwifi(){

WiFi.mode(WIFI_STA);

WiFi.begin(ssid,passward);

while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED){

Serial.print(".");

delay(500);

}

Serial.println(WiFi.localIP());

}

void setup() {

Serial.begin(115200);

initwifi();

pinMode(D5,OUTPUT);

digitalWrite(D5,HIGH);

server.begin();

}

void loop() {

char cmd;

WiFiClient cli=server.available();

while(cli.connected())

while(cli.available()){

cmd=cli.read();

swicth(cmd){

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

case 1:

}

}

}

}

該代碼是整體的一部分，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制。WEMOS芯片作為一個(gè)服務(wù)器，當(dāng)有客戶端接入時(shí)，不斷掃描客戶端是否有數(shù)據(jù)傳來(lái)，可以借助該程序結(jié)合驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的無(wú)線控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)物圖如圖5所示。對(duì)實(shí)物進(jìn)行了調(diào)試，測(cè)試金屬探測(cè)小車(chē)是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬物體的探測(cè)功能，測(cè)試小車(chē)能否實(shí)現(xiàn)避障功能。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)探測(cè)觸頭調(diào)到10cm左右時(shí)，探測(cè)器的靈敏度高，精確度高，誤差比較小。因此，把它的探測(cè)觸頭調(diào)在10cm范圍。調(diào)好范圍之后，需要探測(cè)記錄數(shù)據(jù)。將1元硬幣、5角硬幣和1個(gè)自己制作的小鐵塊，分別放置于一定的地方，然后操作智能小車(chē)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，每種金屬分別探測(cè)5次，得到的探測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

金屬物體探測(cè)器調(diào)試結(jié)果基本都是正確的，但因探測(cè)模塊只有一定的探測(cè)范圍，以及硬件設(shè)備不良，都會(huì)影響儀器工作的調(diào)試，存在一定的誤差。當(dāng)小車(chē)超聲波探頭與地面物體距離小于3cm，小車(chē)自動(dòng)后退。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，避障功能基本成功，但由于超聲波模塊的感測(cè)精度以及芯片的計(jì)算速度的影響，存在一定誤操作。

表1 探測(cè)結(jié)果Table 1 Detection results

圖5 實(shí)物圖Fig.5 Physical image