关志艳，张振宇,何茂荣，杨晓蕾

(山西大学商务学院信息学院，山西 太原 030031)

1 概述

依据2018年8月全国大学生电子设计大赛山西赛区题目—自动循迹小车，2015年、2016年的全国大学生电子大赛均有智能小车题目，区别在于循迹的依据不同，如依据黑线循迹等，刚刚结束的2018年全国大学生电子大赛是以铁丝为循迹依据。智能车控制是典型的软硬件技术的结合体，对于电子专业和物联网专业的学生而言，智能小车是一个很好的检验单片机、模拟电子、C语言等课程的实际开发例子，对于提高学生的实际动手能力有很大的促进作用[1]。

1.1 题目要求

设计制作一个自动循迹小车，由一根直径0.6～0.9 mm的细铁丝围成的跑道，小车能够识别铁丝并按时按方向跑完一圈，具体要求如下：

1) 在所规定区域小车所在的直线区任意指定一起点(终点)，小车依据跑道上设置的铁丝标识，自动绕跑道跑完一圈。时间不得超过10 min。小车运行时必须保证轨迹位于铁丝垂直投影之下；

2) 实时显示小车行驶的距离和运行时间；

3) 在任意直线段铁丝上放置4个第五套人民币的1角硬币，硬币边缘紧贴铁丝，小车路过硬币时能够发现并发出声音提示。

1.2 整体框图

如图1所示，当LDC1000传感器探测到金属值实时传给单片机，多次测定弯道金属值变化范围，单片机判定金属值变化区间来给予电机驱动高低电平，进行左右转。随后，从单片机通过改变输出给驱动模块的PWM信号来对小车进行前进和转向速度进行控制。

图1 整体框图

2 方案比较、思路分析和模块选择

2.1 总体思路

总体思路：小车驱动部分采用左右电机驱动，利用万向轮的灵活性以及左右电机的转速来控制小车的左右转弯。利用LDC1000传感器来检测铁丝方向、硬币等，使小车不断按着铁丝路线进行前进，同时在LCD1602液晶显示器上进行显示行走距离与所用时间。

2.2 主控制器方案比较

方案一：选用STC89C52RC单片机。采用宏晶公司的STC89C52RC单片机作为主控制器，价格便宜，控制简单，为我们平时实验所熟用；对于单片机初学者，STC89C52RC虽然内部资源有限，但在短时间掌握其他型号单片机又不太可能[2]。

方案二：STM32单片机则是ST公司使用ARM公司的Cortex-M为核心生产的32bit系列的单片机，他的内部资源(寄存器和外设功能)较8051都要多的多，但是同学们现在的单片机掌握程度不易采用，且价格昂贵，难操作[2]。

综合考虑，自动循迹小车主控制器选方案一。

2.3 金属探测传感器模块选择

方案一：LDC1000可通过16位共振阻抗及24位电感值，在位置传感应用中实现亚微米级分辨率；提供非接触传感技术避免受油污尘土等非导电污染物的影响，可延长设备使用寿命；采用低成本传感器及传导目标，无需磁体[4]。

方案二：LDC1314是4通道12位的电感传感器，性能稳定，但是价格比LDC1000贵。

鉴于以上分析，选用方案一。

2.4 测速模块选择

方案一:选择主要芯片型号为SM100K红外对射计数器，其搭配D型孔码盘，红外对射计数器是否被遮挡光线，从而输出脉冲信号触发计数电路[5]。

方案二：采用测速发电机原理，但实现难度较大，需要将旋转机械能转换成电信号，采用电磁感应原理，对电机加以改动。

综合以上，选用方案一

2.5 电机选择

方案一：采用直流电机。直流电机转动力矩大，响应迅速，体积小，重量轻，具有优良的调速特性；调速平滑、方便、调整范围广；能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜[6]。

方案二：采用步进电机。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器[6]。

综上所述，采用方案一

2.6 显示模块选择

方案一：采用LCD1602液晶显示。LCD1602液晶是我们在上单片机课程中要求学生必须掌握的一种输出设备，它可以显示32个字符，对于本参赛题目要显示的内容能够完全显示[5]。

方案二：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，但显示的位数有限。

因此，综合考虑选用方案一。

3 系统硬件设计

3.1 左右LDC1000探测铁丝模块

该循迹小车用了两个LDC1000与主单片机连接来进行方向判断，LDC1000的原理就是电磁感应，其只需要外接一个PCB线圈或者自制线圈就可以实现非接触式电磁检测。在PCB线圈或者自制线圈中加上交变电流，线圈周围就会产生交变磁场。如果有金属物体进入磁场，将会在金属的表面产生涡流。所以当有金属物体接近时，就会使传感器的数值发生变化，对这一变化进行判断便可得知小车是否在正确的轨道上。

经过实验测定，在线圈上并联100Pf电容，再将并联出来的线连接到LDC1000的INA和INB引脚上，左LDC1000的MISO、MOSI、CSN和SCK分别与主单片机的P2.0、P2.1、P1.6和P1.7连接；右LDC1000的MISO、MOSI、CSN和SCK分别与主单片机的P3.0、P3.1、P2.2和P3.2连接,如图2所示。

图2 LDC1000引脚

3.2 测速模块

SM100K测速传感器是一款宽电压、高分辨率、短响应速度、开关量输出的测速模组，配合黑色码盘可以测量电机转速。在小车上，有两路轮子是没有加装齿轮的，通过使用D型孔码盘可以测速，如图4所示；使用20线的码盘，小车车轮直径为6.68 cm，小车车轮转动带动码盘转动，每次码盘空隙经过传感器就会输出低电平，就会有一个下降沿，传感器的OUT引脚连接主单片机的外部中断1，每个下降沿就会触发单片机的外部中断，通过对外部中断1次数计数，每20次就是一圈，从而可以计算车轮转动的圈数，进而计算出行驶距离。

3.3 电机模块

电机驱动芯片选择L293D。L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区。L293D通过内部逻辑生成使能信号。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转。

3.4 整体硬件

图3 整体电路

4 系统软件设计

本小车编程主要采用C51语言来编译程序。循迹小车最重要的功能是循迹，图4是小车循迹的主要程序流程图。

5 测试方案与测试结果

5.1 测试仪器

一根直径0.6～0.9 mm的细铁丝围成的跑道，LCD1602液晶显示器，自动小车。

5.2 测试方法

通过小车行驶路线，来观察LCD1602液晶显示器上的各类数值。

5.3 测试结果

表1 LDC1000测试结果数据表

表2 循迹小车测量数据结果

图4 循迹程序流程

6 问题分析与总结

问题分析：LDC1000检测的数据不稳定，应该与线圈离地面位置、数据线接口处、电容焊接处、金属丝摆放位置等有关系，需要尽可能地固定住；红外

对射计数器测距时使用的格码盘，可以处理剩一个小格，减小计算压力。

总结：从测试结果来看，该小车系统实现了题目基本部分的要求，PWM技术能够极大地提高电动机的驱动效率，通过传感器接收模块解决了小车严格按照轨迹运行的问题，而传感器也能够精确测量小车与硬币之间的距离。从运行情况看，采用本系统设计制作的自动寻迹小车，系统可靠性较高，运行稳定，达到了设计要求；但是自动循迹的功能还需要进一步完善，使得系统更趋于智能化、人性化的特点。