基于电感式接近开关自动循迹小车的设计

车玺 孟青 中北大学（朔州校区）

前言：近几年来，随着计算机技术的迅速发展以及人们对生活方式快捷便利的需求，人工智能得到了迅速发展。智能小车也是人工智能的一个重要组成部分。智能小车可运用于智能家具、搬运设备等多个领域。例如智能扫地机器人，使忙碌的上班族不再因打扫卫生而烦恼，大大提高了人们的生活质量和水平。为更好地激发在校大学生参与智能小车研究的热情，智能小车一直是近几年来各种电子设计竞赛的热点话题。本设计则是对2018年山西省电子设计大赛自动循迹小车的设计与实现。

1 整体方案设计

图1 整体方案设计

该系统由STC89C52单片机、L298N电机驱动模块、电感式接近开关、测速传感器、直流减速电机、LCD12864液晶显示屏、蜂鸣器、DC-DC可调稳压模块组成。通过电感式接近开关检测金属的有无，并将此信号传给单片机，经单片机处理后控制L298N电机驱动模块驱动电机的正转与反转以及蜂鸣器的工作状态，从而实现循迹功能以及硬币的检测。通过单片机定时器对小车运行进行精确计时，通过外部中断对测速传感器的脉冲数进行精确计数从而对小车进行实时测距，最终由LCD1286实时显示小车的运行时间、距离以及速度。

2 方案选择

2.1 循迹铁丝方案

2.1.1 金属传感器

本设计采用的金属传感器为浙江沪工科技有限公司生产的电感式接近开关。其型号为LJ18A3-8-Z/BX，输出形式为NPN三线直流常开，有效检测距离为8mm，所需电压为DC6-36V，本设计中右3节3.7V锂电池串联为其供电。可以稳定地检测铁、镍等磁性金属，当检测到金属时向单片机传回低电平，无金属时传回高电平。电感式接近开关引出的棕色线接正极，兰色线接负极，黑色线接单片机的I/O口。

2.1.2 循迹算法

当铁丝位于左右两个电感式接近开关下方时，小车直行。当铁丝位于左侧电感式接近开关下方时，小车左转，直到铁丝位于中间的电感式接近开关下方，小车恢复直行。当铁丝位于右侧电感式接近开关下方时，小车右转，直到铁丝位于中间的电感式接近开关下方，小车恢复直行。

2.2 驱动系统方案

本设计的驱动系统由4个直流减速电机、2个L298N电机驱动模块、3节3.7V锂电池以及LM2596S直流降压模块固定在一块亚克力板上组成。3节3.7V锂电池串联后，经LM2596S直流降压模块降压后输出6-8V的电压向L298N电机驱动模块供电，每个L298N电机驱动模块驱动2个直流减速电机。通过调节PWM波的占空比来调节直流减速电机的转速，由L298N电机驱动模块的ENA和ENB两个使能端控制电机的转动与停止。由2对信号输入端IN1、IN2、IN3、IN4控制电机的正转与反转。

2.3 硬币检测方案

2.3.1 硬币检测方法

通过使用电感式接近开关来实现循迹铁丝，我们发现电感式接近开关，性能稳定且操作简单，所以硬币检测的实现仍然采用电感式接近开关。检测办法为采用有效检测距离为4mm，直径为10mm的电感式接近开关。而1角硬币的直径为19.50mm，由于1角硬币的直径几乎为电感式接近开关直径的2倍，所以当两个电感式接近开关同时检测到硬币时，刺激蜂鸣器发声，从而实现硬币检测的功能。

2.3.2 传感器布局

此设计采用的电感式接近开关的外部构造由一根螺柱和两个螺母构成，为了增加两个电感式接近开关同时检测到硬币的概率，将两个螺母去掉，把电感式接近开关紧挨着并排固定在一块洞洞板上，与地面保持有效检测距离，并用热熔胶加固。

为了以最低的成本实现最理想的设计效果，我们先用三个电感式接近开关并排固定在一起进行第一次实验，往后每进行一次实验加一个电感式接近开关，直到达到最理想的设计效果。经实验验证，当6个电感式接近开关并排放置时，效果较为理想。

2.4 信息显示方案

2.4.1 显示屏

此设计当中对于时间、距离、速度的实时显示采用Nokia 5110液晶显示屏，它可以显示15个汉字、30个字符。接口简单，仅5根I/O线就可以驱动，工作电压为3.3V。

2.4.2 时间、距离、速度计量方案

此设计对于时间的计量采用单片机的内部资源定时器；距离和速度的测量采用光电测速传感器模块。它可以输出脉冲信号，一个脉冲信号中断一次。此设计当中，测速码盘共20个小格，小车轮胎直径22cm。所以单片机每接受一次中断，小车前进了（1.1±0.02）cm。

当采用内圈测距时，所测数值偏小；采用外圈测距时，所测数值偏大。为了精确地对小车行驶距离进行测量，此设计采用两个测速传感器分别测量内圈和外圈地行驶距离，最后求平均值。

计算公式为：（motor1+motor2）/2*（1.1±0.02）

对于速度的测量，则采用单片机定时计数器，计算出小车每秒所前进的距离即为小车的速度。

3 总体电路结构

本设计由循迹系统、信息显示系统、硬币检测系统组成。各模块由3节3.7V锂电池串联组成的直流电源降压后供电。由于51单片机的主频较慢，为了更好地达到设计效果，本设计采用3块单片机作为每个系统的控制核心。

4 程序设计

本设计的程序分为3个部分，分别是循迹程序、信息显示程序和硬币检测程序。程序首先进行初始化，循迹程序设计思路为单片机对金属传感器传回的高低电平做出判断，以确定小车的实时位置，然后根据循迹算法对小车的行驶状态做出相应调整使小车始终沿预定轨道行驶 。硬币检测程序设计思路为当任意相邻2个金属传感器同时传回低电平时，刺激蜂鸣器发声以提示检测到硬币。信息显示程序设计思路为由定时器0中断对小车运行时间进行精确计时，定时器1对小车运行速度进行显示，外部中断0测速传感器的脉冲数进行计数以计算出小车的运行距离。各部分程序结构如下图所示。

图2 循迹程序框图

图3 硬币检测程序框图

图4 信息显示程序框图