摘 要：本设计利用LDC1000电感数字转换器设计了一个自动循迹小车。小车以STM32单片机为控制核心，控制装有LDC1000电感传感器的摆臂左右摆动，进行金属探测，并沿金属自动循迹。该金属探测小车探测精度高，测量信息准确、稳定，而且成本低，能适应多种恶劣环境，在军事领域、工业领域和安全领域都有很好的应用前景

关键词： LDC1000 L298N 单片机 金属循迹探测

一、系统方案

此设计主要由电源模块，单片机控制模块，L298驱动电机模块，LDC1000循迹模块，测速模块以及显示模块组成。下面分别论述这几个模块的选择以及组成。

1.1 电源模块

采用4节3.7V充电锂电池，经过LM7812模块降压并稳压给电机供电，然后经LM7805模块降压并稳压给测速模块，L298模块，舵机等供电，然后经LM117-3.3模块降压并稳压给STM32单片机供电。

1.2 循迹模块

采用TI公司的LDC1000模块对地面布置的铁丝进行循迹。LDC1000将线圈和弹簧用作电感传感器，使它能在更低的系统成本下，保持和实现更高的分辨率、可靠性以及灵活性。LDC1000不仅可以测量位置，运动。或者金属和导体的构成，甚至可以检测弹簧的压缩、扩张与扭曲度。

1.3 电机驱动的选择

方案一：分立组件组成的平衡式驱动电路

此电路可以由单片机直接对其进行控制，但由于分立组件占空间较大，考虑到电机的体积问题，还需要继电器，此方案不够理想。

方案二：LMD1820

此驱动峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A，具有温度报警和过热与短路保护功能，抗干扰性强，但价格比较高，故此不选择。

方案三：L298N电机驱动模块

此模块工作较稳定，且编程简单，体积小，内部集成了两个H桥，可以同时控制两个电机。硬件实现较简单且控制效果不错。

考虑到软硬件的控制的简便性以及性价比，采用方案三。

1.4 主控芯片的选择

方案一：

采用传统的51单片机。传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是控制速度慢，片内资源和存储容量较少，计算精度不高，增加了外围电路的不可靠性。

方案二：采用STM32F103ZET6作为主控芯片

STM32系列单片机是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。它具有512K片内FLASH，64K片内RAM，片内FLASH支持在线编程（IAP），多达80个IO（大部分兼容5V逻辑），4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等丰富的资源。

所以选择STM332作为主控芯片。

1.5 测速模块的选择

方案一：光电测速传感器

原理是传感器开口圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的空隙反射到光敏元件上，开口盘随旋转体转动一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开口数，从而算出旋转体旋转速度，灵敏度较高，但容易受外界光源影响。

方案二：测速发电机

原理是旋转机械能转化成电信号，适合测量速度较高的旋转物体的速度，采用电磁感应的原理，市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适合用于模型车。

方案三：霍尔传感器

原理是利用霍尔元件测转速，在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔元件放置在小磁钢附近，当旋转体以角速度M旋转时，每日当一个小磁钢经过霍尔元件，霍尔元件便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。

综上，避免光干扰，且测速发电机不适用，故选择方案三。

1.6 显示模块的选择

方案一：采用1602液晶模块程序简单，成本较低，但是局限于其无法对汉字进行显示，及显示的点阵像素有限，为了满足各功能间的切换及操作的简单就需要文字性的说明，而1602就无法满足。

方案二：使用液晶屏显示。LCD具有轻薄短小、低耗电量、影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，显示信息量大，分辨率高且抗干扰性强；外围电路少，使用方便。

综合考虑以上两种方案，选择采用方案二。

二、理论分析与设计

2.1 LDC1000模块设计

LDC1000的电感中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时如果有金物体进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流（感应电流）。涡流电流跟线圈电流方向相反，涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁場方向相反。涡流是金属物体的距离，大小，成分的函数。

涡流产生的反向磁场跟线圈耦合在一起，就像是有另一个次级线圈存在一样。这样LDC1000的线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，就形成了一个变压器。由于变压器的互感作用，在初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数。

下图中 Ls 是初级线圈电感值，Rs 是初级线圈的寄生电阻。L（d）是互感值，R（d）是互感 的寄生电阻，括号中用 d 是因为它们是距离的函数。

交变电流如果只加在电感上（初级线圈），则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这时将一个电容并联在电感上，由于 LC 的并联谐振作用能量损耗大大减小，能量只会损耗在 Rs 和R（d）上。可以看出检测到R（d）的损耗就可以间接的检测到d。

LDC1000并不是直接检测串联的电阻，而是检测等效并联电阻。不同的测试对象和距离会产生不同的损耗，也是Rp的范围不同。所以应用中需要配置。我们不断调试得出Rp的Min和Max值。

3.2 工作流程

此系统使用开环控制。舵机摆动控制LCD1000检测金属，返回值经过数字滤波，确定出铁丝所在的角度值，返回给单片机，单片机将角度换算成两个电机的差速，然后计算成占空比来控制L298N芯片输出一定电压从而控制小车。

四、总结：

在现实生活中金属探测小车具有很强的实用性和很好的发展，这里本系统结构简单，易与控制，性能良好，有着一定的参考意义。

参考文献：

[1] 学做智能车[M]. 北京航空航天大学出版社 ， 卓晴， 2007

作者简介：金千航，出生年月：1996年3月30日，性别：男，民族：汉族，籍贯：浙江省临海市，学历：本科，研究方向：单片机。