电磁感应行驶智能车传感器

一、系统总体设计

电磁感应智能车以检测电磁场信号为基础，通过单片机处理信号实现控制车体准确沿着预设路径寻迹。

系统电路包括单片机控制单元、电机驱动电路、电磁传感器电路等部分，此外系统还需要一些外部设备，如编码器测速、伺服器控制转向、直流电机驱动车体等。系统结构如图1所示。

二、传感器的设计与实现

用线圈做的传感器有很强的适应能力，能满足电磁场检测的要求，并且容易实现，适合检测变化的电磁场。

磁阻以及磁敏三极管对本电磁场信号（20KHz，100mA）响应较差，所以本系统采用线圈作为电磁场传感器，通过串联谐振原理，输出信号较大，并且随着位置改变，输出信号也有很明显的变化。

根据传感器总体结构图，设计的传感器电路图包括LC串联谐振电路感应电磁场信号，经后级放大电路放大弱小信号，通过半桥检波和低通滤波器后输出直流信号。

在选取LC串联谐振电路时，采用电感和自制线圈方法，由于自制线圈不易固定其电感值，无法找到匹配电容。考虑到诸多因素，最终选取10mH电感和6.8nF电容作为LC串联谐振电路。

选取三极管作为放大元件。半波检波电路通过两个二极管实现，经试验后本系统采用FR104高速二极管作为检波二极管，前级输出半波波形经过低通滤波器后输出直流信号。传感器电路如图2所示。

通过LC串联谐振电路感应出的波形为频率20KHz的正弦波，当传感器远离通电漆包线时，其峰-峰值大约为54mV。当传感器靠近漆包线时，其峰-峰值大约为452mV。随着偏移位置的改变，输出波形强度会有很大的变化。

在相同距离下，经过后级放大、检波、滤波电路后，输出直流信号在远离通电漆包线时，其直流输出信号平均值大约为279mV，靠近漆包线时，其直流输出信号平均值可达4.32V。

此信号可直接输入单片机A/D接口采样。使用12位A/D进行采样，数值变化范围为44～3539。

不同位置最终直流输出信号的图形如图3所示。纵坐标Y为直流电压值，单位是mV，横坐标X是偏移位置，单位是cm。对左右两个传感器数值进行差值线性化处理可得到图4。该曲线展示了一个位置所对应的不同电压数值，利用该曲线可辨别出车体偏离漆包线的位置。

三、单片机的设计与实现

系统核心控制采用Freescale的MC9S12XS128型号16位单片机，5V电压供电。单片机内部资源有128KB的FLASH、8KB的RAM、8KB的DATA FLASH、I/O口有91个、总线频率为40MHz，内部有CAN总线、SCI、SPI，16路12位A/D、8路8位PWM输出、16位定时器、4路PIT。

其中，16位PWM输出能很好地控制S3010伺服器工作，实现精确转向。12位A/D工作时钟最大可达到8M，满足信号采样的需求。4路PIT可实现对脉冲信号的上升沿和下降沿捕捉。丰富的I/O口资源能扩展外部设备，如键盘、LCD、LED。

本系统使用了单片机内部PWM模块、脉冲捕捉模块、A/D模块、SCI模块、SPI模块及I/O。PWM模块分为三路输出，其中一路PWM输出频率为50Hz，正脉宽约为1.5ms～2.5ms的信号用于控制S3010伺服器。不同的正脉宽对应不同的转向值，恒定某一输出值后，伺服器会保持转角不变。

另外两路PWM输出频率为1KHz的信号，当A路输出低电平，B路输出PWM信号时电机实现正转，通过改变正脉宽可实现电机转速调节。当A路输出PWM信号、B路输出低电平时则实现电机反转，用于减速控制。

脉冲捕捉模块配置为上升沿、下降沿检测方式，用于捕捉编码器输入脉冲数，通过测量输入脉冲得到智能车运动速率。

A/D模块用于对传感器输入电压采样，获得传感器电压数值。采用12位精度采样，时钟配置为2M/s，配置为4路通道循环采样，关闭中断采用查询方式获取转换数值。

使用SCI模块与无线模块通讯，发送数据至电脑端，其波特率配置为9600bit/s，大约一秒能发送1200字节数据。SPI模块用于读写TF卡，速率配置为2M/s，能实现高速读写TF卡，记录智能车的重要数据。

四、传感器架设方案

由于电磁传感器靠被动检测电磁信号感知道路信息，所以传感器所在位置感应的信号为此位置的信号。为提高车速，必须在小车入弯前感知弯道，并且感知距离（称为前瞻）越大越好。

电磁传感器只能通过前移传感器提高前瞻距离，架设越靠前则前瞻越大，但过于靠前会影响车体重心，降低车体的机械性能。最终本系统采用铝制支架以大约40°倾角伸出，如图5。

最初，采用4个传感器架设方案。但4个传感器在入弯和出弯时切换会有复杂的耦合过程。采用3个传感器时直接对最外面两个传感器进行差值即可得到偏移量，从而消除不同组传感器切换时带来的不连续变化过程。

实验证明，本方案效果很好，在第九届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛中获得39秒的好成绩。（指导老师：焦 畅）