基于LDC1000自动循迹智能小车设计

黄 健，董三锋，王利平

(西京学院，西安710123)

0 引 言

自动循迹智能小车是近年来研究的一个热点，在各种电子设计竞赛中都有所涉及，比如飞思卡尔智能车大赛、全国大学生电子设计竞赛、TI杯比赛等。智能车融合了传感器、电机控制、微处理器等多项硬件技术，为有效的对其进行控制，还要加入软件算法。智能车控制是典型的软硬件技术的结合体，具有极大的研究价值，其中自动循迹是智能车要解决的一个主要技术问题。早期的循迹采用光电传感器，用黑白线作为跑道标识。近几年，随着电感传感技术的发展，有人提出采用铁丝作为跑道，实现自动循迹［1－3］。

本文正是基于此提出采用TI公司新型数字电感传感器 LDC1000 作为传感器［4－5］，检测直径为0.7 mm的细铁丝构成的跑道。由于铁丝太细，必须采用自制的线圈来检测，否则根本检测不到。经过多次的实验，绕制成功了合适的线圈，能够明显感应到细铁丝。但由于只有一个LDC1000，当铁丝在线圈的正中心时，值最大，向左或者向右偏移时，都会减小，给软件编程造成了一定的困难。采用试探法结合状态图法，能够有效地控制小车的左右移动和前进，较好地完成了自动循迹的功能。

1 系统设计框图

系统设计框图如图1所示。LDC1000传感器检测到铁丝的值后，通过一个SPI总线接口传送给STM32微处理器。由于选择的主控是STM32F103RBT6［6－7］。它有 2 个 SPI 接口，用另外一个连接到1．44英寸TFT真彩屏，显示采集到的数据和其它信息。电机驱动采用TB6612，体积小，比L298性能好。其中2个直流电机都带有编码器，可将其连接到STM32的定时器进行测速。通过软件编程控制左右电机速度，使得小车能够平稳前行。

图1 系统框图

2 详细设计

2． 1 LDC1000传感器设计

LDC1000原理图如图2所示。图中DCLK是LDC1000时钟输入信号线，SCLK是SPI总线通信所需时钟线，SDI是SPI总线数据接收信号线，SDO是SPI总线数据发送信号线。由于LDC1000采用SPI总线通信，所以将LDC1000的SCLK连接到STM32的PA5(SPI1_SCLK)，将 LDC1000的 SDI连接到STM32的 PA7(SPI1_MOSI)，将 LDC1000的 SDO连接到STM32的PA6(SPI1_MISO)，将LDC1000的SCLK连接到 STM32的 PA5(SPI1_MOSI)，将LDC1000的CSB连接到STM32的PA4(SPI1_NSS)，为实现有效通信，双方必须共地。此外，LDC1000的DCLK作为主时钟，要求产生6 MHz的频率，用STM32的PC6通过定时器的PWM波产生。图中LDC1000与INA和INB连接的电容C和电感L为振荡电路，基于电涡流原理［8］，能够与外部检测的金属产生谐振。

图2 STM32与LDC1000连接图

当外部有金属物体时，在电感L上将会产生一个谐振频率。而LDC1000对金属物的探测也就是基于测试LC谐振频率的方法。LDC1000的外部基准时钟是6 MHz，由STM32的PC6产生。使用内部寄存器计数方法作频率计。其中LC的谐振频率通过式(1)计算:

式中:Fsen是LC谐振频率;Fex是外部时钟基准频率，取值为6 MHz;Fcnt是LDC1000内部计数器值，TL是LDC1000内部寄存器设置的响应时间。对式(1)两边分别求倒数，并做适当变化，可得到:

式中:1/Fsen是LC谐振周期;1/Fex是基准时钟周期。式(2)表明在TR个LC谐振周期内，使用LDC1000的Fcnt计数器记录基准时钟的个数来推算LC的谐振频率。

根据电涡流原理，要检测直径为0．7 mm的细铁丝，必须要产生足够大的涡流，就必须增大电感量L的值．通过多次实验，绕制了直径为4 cm的电感线圈，如图3所示。

图3 自制电感线圈

该线圈采用0．15 mm的细铜丝绕制而成，直径为4 cm，电感量为0．180 mH，与其匹配的电容值为2 nF。

2． 2 TB6612直流电机驱动电路设计

TB6612是东芝公司推出的一款直流电机驱动芯片，集成度高，可同时驱动 2路直流电机［9］。TB6612的硬件连接图如图4所示。

图4 TB6612硬件连接图

图4 中PA0，PA11，PA12控制1路电机，PA0产生PWM波，控制电机的转速;PA11，PA12控制电机的方向。PA1，PB10，PB12控制另1路电机，PA1产生PWM波，控制电机的转速;PB10，PB12控制电机的方向。AO1，AO2连接1路电机;B01，B02连接另外1路电机。

2． 3 TFT显示单元电路设计

TFT显示单元采用1．44英寸SPI接口真彩屏，显示电路设计如图5所示。

图5 TFT显示电路设计原理图

为提高1．44 TFT真彩屏的刷屏速度，采用硬件SPI接口与STM32相连，其中 SCLK连接到 PB13(SPI2_SCLK)，DI连接到 PB15(SPI2_MOSI)，CS 连接到 PB12(SPI2_NSS)。其余 RST为复位信号，GND 为接地，VCC 接3．3 V。

3 软件设计

本设计的难点是只有一个LDC1000传感器探头。当铁丝在传感器线圈的正中心时，检测到的频率值最大;当铁丝向左、向右偏转时，检测到的频率值都在减小。因此，如何判断偏左还是偏右，就变得非常困难。为有效解决这个问题，提出“试探法”结合“状态图”的方法。当频率值减小时，首先让小车左转，如果值继续减小，则右转。因为小车要沿着铁丝行走，小车将会有3个状态，分别是直走、左转、右转。只有控制好这3个状态及其相互转换的条件，另外，为有效控制小车的运行，还必须测出传感器对铁丝感应的最大值FRE_MAX和最小值FRE_MIN，FRE_MAX是细铁丝在自制线圈的正中心时测量值，FRE_MIN是细铁丝完全偏离线圈，在线圈外时测量值。图6给出了小车的状态图。

图6 状态转换图

图中FRE为传感器测得的当前频率值，测试时，首先将小车放在跑道的正中心，细铁丝位于传感器线圈的中心直径上。当FRE=FRE_MAX时，小车直走。当FRE减小时，首先让小车左拐，如果FRE继续减小，说明小车继续偏离细铁丝，这时状态转换为右拐;若右拐时，FRE一直在增大，说明右拐正确，小车一直在向细铁丝靠近，当递增到最大值后，小车直走。当FRE受到意外干扰，FRE≤FRE_MIN时，强制让小车右拐，如果值递增，说明右拐正确，小车正在靠近细铁丝，继续右拐;如果不变，还是最小值，说明右转错误，改变状态左拐，左拐后如果FRE在递增，继续左拐，当到达最大值FRE_MAX后，直走。

按照图6的状态图在MDK5．0下用C语言编程，较好地完成了对小车自动循迹的控制。

4 测试结果

测试时的跑道如图7所示。小车起始位置放在2 m直道的正中心，途径6个弯道，弯道圆弧的半径均为为20 cm。最后再回到起点处，完成一圈行驶。

图7 小车行驶跑道

静态测试时，用手挪动小车到指定位置，测量传感器LDC1000通过自制线圈对细铁丝感应时的频率值。当线圈的电感量为0．180 mH，电容为2 nF时，对直道、弯道1、弯道2、弯道3、弯道4、弯道5、弯道6测量得到的频率值与细铁丝位置之间的对应关系，如表1～表7所示。

表1 铁丝位置与频率值之间对应关系(直道1)

表2 铁丝位置与频率值之间对应关系(弯道1)

表3 铁丝位置与频率值之间对应关系(弯道2)

表4 铁丝位置与频率值之间对应关系(弯道3)

表5 铁丝位置与频率值之间对应关系(弯道4)

表1～表7中距离d是细铁丝与线圈直径之间的垂直距离。从表中可以看出，当距离d增大时，频率值明显减小，但在弯道时比较复杂，但整体而言，如果偏离弯道，则频率值减小;若靠近，频率值增大。

表6 铁丝位置与频率值之间对应关系（弯道5）

表7 铁丝位置与频率值之间对应关系（弯道6）

5 结 语

本文采用LDC1000数字电感传感器和自制线圈，经过多次实验和测试，成功实现了对细铁丝跑道的检测。采用试探法结合状态图法，解决了只有一个传感器无法识别左右的问题，经过多次调试，解决了该问题。实现了自动循迹功能。具有实用性和通用性，可应用在汽车、消费电子、智能玩具等领域［10－11］。

［1］ 余炽业，宋 跃，雷瑞庭．基于STC12C5 A60S2的智能循迹小车［J］．实验室研究与探索，2014，33（11）：46－49．

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［3］ 单以才，李奇林，秦剑华，等．基于红外传感器的自主循迹小车控制算法设计与实现［J］．机床与液压，2010，38（14）：78－81．

［4］ 金立，贾存良，王梅，等．基于PIC单片机的智能循迹小车设计［J］．工矿自动化，2010，36（8）：129－132．

［5］ 莫太平，杨宏光，刘冬梅．面向多路线的智能循迹小车的设计与实现［J］．自动化与仪表，2014，29（4）：6－9．

［6］ 吕云芳，陈帅帅，郝兴森，等．基于C51高级语言程序控制的智能循迹小车设计与实现［J］．实验室研究与探索，2015，34（3）：142－145．

［7］ 师树恒，赵斌，郭朋彦，等．基于MK60 N512的智能循迹小车设计［J］．机床与液压，2014，42（2）：91－96．

［8］ 杨宁，石冰飞，朱平，等．基于CCD的自动循迹小车的软件设计［J］．自动化与仪表，2012，33（1）：52－55．

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［10］ 李艳红，李自成，孙仕琪．基于ST M32单片机的金属物体探测定位器系统的设计与实现［J］．仪表技术与传感器，2016（4）：63－66．

［11］ 王丽君，马龙升，钟皇平，等．可自主移动的金属物体探测定位仪设计及开发［J］．实验技术与管理，2015，32（5）：107－110．