杜青 乔延华 韩淼 苗艳华 蔡乙男
摘 要： 为解决当前跟踪车性能稳定性差的问题，提出了基于金属检测的智能跟踪车设计方法。采用LDC1000设计了一款金属跟踪智能汽车，介绍了系统的整体设计框架、硬件设计和软件设计。采用STM32单片机处理LDC1000电感数字转换器采集的路面信息，并通过串口通信将数据传给STC51单片机由51单片机处理数据，实现报警、显示和电机驱动模块的控制，使汽车沿金属铁丝轨道自动行驶，实现汽车自动搜索的目的。试验结果表明，整个系统的电路结构简单，性能稳定，实现了预期的智能汽车循环功能，具有较高的应用性。
关键词： STC51单片机； 传感器； 报警； 智能跟踪车； 金属检测； LDC1000
中图分类号： TN02?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X(2018)17?0119?04
Abstract： A design method of intelligent tracking car based on metal detection is proposed to improve the stability of the available tracking car. The LDC1000 is used to design a metal intelligent tracking vehicle. The overall design framework， hardware design and software design of the system are introduced. The STM32 microcontroller is adopted to process the road information acquired by LDC1000 inductance digital converter， and send the data to the STC51 microcontroller through serial communication. The STC51 microcontroller is used to process the data， control the alarming， display and motor driving module， which can make the car travel along the metal wire path automatically， and realize the purpose of car automatic tracing. The test results show that the whole system has simple circuit structure， stable performance and high applicability， and realizes the expected function of intelligent car tracking.
Keywords： STC51 microcontroller； sensor； alarming； intelligent tracking car； metal detection； LDC1000
0 引 言
自动搜索汽车是一种利用传感器、单片机、信号处理、电机驱动和自动控制技术实现环境感知和自动驾驶的高科技综合体。由于其成本低、电路结构简单、可靠性高、抗干扰性高，可应用于无人机动车、无人工厂、仓库、服务机器人等领域[12]。
目前市面上的自动搜索车大多是基于光电传感器，黑色胶带粘在白色地板上作为导向。本文试图用金属铁丝作为导向和使用LDC1000电感数字转换器作为跟踪传感器的感知导线，并将硬币放置在导线旁边。汽车应能够检测硬币[34]。图1为汽车跟踪操作示意图。
本设计采用STM32单片机处理LDC1000电感数字转换器的数据，处理后的数据通过串口通信传输到STC51单片机由51单片机控制报警、显示和电机驱动模块[57]。当汽车在跑道上检测到硬币时，蜂鸣器发出报警提示，液晶显示屏显示汽车的运行时间和金属传感器的值[8]。
1 系统总体设计方案
自动搜索搜索系统采用模块化设计理念，主要由控制模块、金属跟踪模块、电机驱动模块、液晶显示模块、报警模块和电源模块组成。系统总体框图如图2所示。
各模块主要完成的功能有：控制模块实现对小车的行驶、报警、显示的控制；金属循迹模块采用LDC1000检测金属信息；电机驱动模块使汽车向前、左右转；显示模块显示汽车的运行时间和金属传感器采集的值；当汽车检测到硬币时，报警模块可以发出声音提示；电源模块为整个系统提供电源。
2 设计硬件系统
2.1 控制模块
采用STC51单片机作为主控芯片， STM32单片机作为辅控芯片。STM32单片机控制金属循环模块进行数据采集，并将数据传输给STC51单片机由51单片机控制电机、显示和报警模块。
2.2 LDC10000电感测原理
LDC1000电感探头的原理是选择自制线圈连接交变电流，形成交变电磁场。当金属物体进入磁场时，金属物体会产生感应电流[910]。感应电流的方向与线圈电流的方向相反，线圈磁场的方向电流产生的感应磁场方向相反。金属材料与线圈之间的体积、材料成分和距离会影响感应电流的大小。金属物体离线圈越近，LDC传感器获得的值Proximity data越大。金属离线圈越远，LDC传感器获得的值Proximity data越小。
2.3 金属循环模块
本设计采用TI首款电感数字转换器推出LDC1000。利用4线制SPI连接方式将LDC1000与STM通过32单片机连接SPI串行总线是对的LDC控制1000，完成时序定义和数据读取。如图3所示。
2.4 电机驱动模块
2.5 液晶显示模块
本设计采用LCD1602液晶显示屏，显示屏DB0～DB7接单片机P0口，RS，RW，LCD?E分别接P2.0，P2.1，P2.2口。
2.6 报警模块
用蜂鸣器报警，当汽车经过硬币时，可以找到硬币，蜂鸣器报警。
2.7 电源模块
电源模块采用灵活方便的单电源供电模式，为所有模块供电，汽车7.2 V镍镉充电电池供电。
3 设计软件系统
3.1 检测和控制算法
上电后，检测并保存传感器返回的值，传感器返回的值在不同环境下会有所不同。将LDC当汽车在铁丝轨道上运行时，将1000传感器放在汽车前方，LDC1000传感器将收集相应的值；当汽车前进时遇到硬币时，LDC1000传感器采集的值会明显增加；当汽车偏离运行轨道时，金属传感器采集的值会明显减小。由于LDC传感器采集的值与线圈与金属的距离有关，因此可以决定汽车是向前、左转还是右转。
3.2 程序流程图
如图5所示，系统流程图。
首先初始化 I/O，然后整个系统开始运行， 用 LDC1000信号采集，发送采集到的信号STM32单片机，STM32单片机通过串口通信将收集到的数据信号传输给51单片机，51单片机处理信号，然后根据信号大小控制汽车报警、直、左、右转，检测硬币后发出声音信号，重复上述步骤。
3.3 PWM调速代码
4 物理测试和结果分析
4.1 测试方案
1) 测试采用软硬件联合调整方法。在整个测试过程中，多次检查系统，确定硬件电路与系统原理图完全相同。检查正确后，确保硬件电路无虚焊，电机正常工作，显示模块数据正确，传感器准确检测物体位置。
2) 符合要求的自制跑道直径为0.6～0.9 mm细铁丝作为跑道标志，用透明胶带粘贴在跑道上。同时，在任何位置放置硬币，检测报警功能。
4.2 测试结果
汽车整体性能良好，发现硬币可及时报警，直接路段运行良好，转弯程序可转弯，基本满足设计要求。
5 结 语
本文设计利用LDC1000电感数字转换器在高频反射式涡流传感器状态下工作，检测金属并使用STM32和STC51两个芯片触发外围模块，实现汽车跟踪和硬币检测。通过实验室试验，汽车可以很好地完成所有功能，并稳定运行。
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