传感器课设智能车电磁导线路径检测

1、课程设计说明书 课程名称 传感器综合项目实践 题 目 智能车电磁导线路径检测 学院（系） 电气工程学院 年级专业 学生姓名 指导教师 教师职称 传感器综合项目实践课程设计任务书院（系）： 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目智能车电磁导线路径检测设计技术参数1. 交变磁场频率20KHz，导线通有50mA交变电流；2. 放大后的信号幅值可在0V-5V范围内变化，不失真；3. 电感接近中心线时，直流电压变化明显；设计要求 电磁赛道检测原理是利用电磁感应原理将检测磁场信号问题转变为检测电场信号的问题，进而获得赛道准确信息。车模需要通过自动识别赛道中心线位置处通有交变电流的导线所产生的电

2、磁场进行路径检测。1. 赛道检测原理理论分析及论证；2. 水平方向线圈或竖直方向线圈结构设计、理论分析、参数计算，可以通过改变线圈高度、线圈之间距离调整位置检测范围以及感应电动势的大小，绘出传感器的结构示意图；3. 信号放大电路、整流电路等调理电路的设计、参数计算、仿真分析，绘出电路图；4. 完成传感模块的实验调试，初步具备提取赛道信息的功能；5. 可根据复杂赛道情况，提出改进方案，如：弥补因赛道信息提取不完整而使舵机误动作或转向延迟等等。工作计划第一周：周1周2：收集消化资料及拟定设计方案；周3周5：传感单元设计、转换电路设计；第二周：周1周3：安装调试、实验验证或演示；周4周5：完善设计、

3、撰写设计说明书，准备答辩。参考资料1. 传感器原理、接口电路、设计手册类参考书；2. 有关智能车循迹方面的期刊文献等；指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2016年 11月 20 日摘要为了实现车模能够通过自动识别赛道中心线位置处通有交变电流的导线所产生的电磁场进行路径检测，设计一个智能车电磁导线路径检测系统。该系统主要利用电磁感应原理将检测磁场信号问题转变为检测电场信号的问题，进而获得赛道准确信息。采用三个互相正交的电感线圈，检测其感应电动势，得到装置与载流导线的偏移量和偏航角。实验结果表明，该系统能够初步具备提取赛道信息的功能，达到

4、预期效果。目录第1章 设计总体规划11.1 设计要求分解11.2 设计规划及团队分工11.3 时间节点安排2第2章 理论设计32.1 文献调研及方案选择32.2 设计原理32.3 参数计算72.3.1 传感单元参数计算72.3.2 测量电路参数计算92.3.3 调理电路参数计算92.4系统参数验证与分析9第3章 仿真及结果分析113.1 器件选型及成本核算113.2 系统集成11第4章 系统验证134.1 系统测试134.2 实验验证14第5章 结论及设计收获16参考文献17传感器综合项目实践 设计说明书第1章 设计总体规划1.1 设计要求分解(1)信号采集：估算电磁信号强度，确定采集方案。(

5、2)信号放大：测量采集部分输出信号，确定信号放大所需增益，设计放大电路。(3)信号整形：设计检波电路。(4)电源：确定供电方案，完成电源设计。1.2 设计规划及团队分工(1)设计规划采用三个互相正交的电感线圈，分别为线圈1、线圈2、线圈3。线圈1和线圈2的轴线垂直载流导线，线圈3与载流导线平行，通过检测线圈1、线圈2的感应电动势，可得装置与载流导线的偏移量。将线圈3所得信号以线圈1、2的共模信号为参考进行相敏检波，再经低通滤波后所得信号可反映装置与载流导线间的偏航角。(2)团队分工1.3 时间节点安排表1-2 时间节点安排表时间工作安排2016年12月19日8点-11点、14点-17点根据设计

6、要求，查找相关资料2016年12月20日8点-11点、14点-17点确定设计方案，分析技术指标，计算关键参数2016年12月21日8点-11点、14点-17点确定参数的数值，设计传感器的结构和电路2016年12月22日8点-11点、14点-17点设计电路，构建模型，进行仿真2016年12月23日8点-11点、14点-17点仿真无误后进行电路的制作2016年12月26日8点-11点、14点-17点调试电路，测量电路的实际输出2016年12月27日8点-11点、14点-17点调整电路，分析出错的原因，进行修改2016年12月28日8点-11点、14点-17点测量电路无误后进行安装实验2016年12

7、月29日8点-11点、14点-17点撰写设计说明书2016年12月30日8点-11点、14点-17点准备答辩的ppt第2章 理论设计2.1 文献调研及方案选择（1）文献调研根据设计的要求我们查找了各种资料，通过查阅电磁导引智能小车的设计与实现_刘晋泽、飞思卡尔智能车电磁导线的宽压检测方案_虞苏璞、智能车电磁检测及控制算法的研究_王靖宇以及全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛组委员会，电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案等一些资料。了解到电磁导线的检测原理，采集的原始信号需要经过选频、放大、整流等几部分才能得到稳定信号。根据要求我们选择了以下方案。（2）方案选择采用三个互相正交的电感线圈，分别为线圈

8、1、线圈2、线圈3。线圈2和线圈3的轴线垂直载流导线，线圈1与载流导线平行，通过检测线圈2、线圈3的感应电动势，可得装置与载流导线的偏移量。将线圈1所得信号以线圈2、3的共模信号为参考进行相敏检波，再经低通滤波后所得信号可反映装置与载流导线间的偏航角。2.2 设计原理检测原理根据电磁学理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用路径导航导线所载电流是频率为20kHz，电流强度有效值50mA的交变电流，能够在其周围激发交变磁场。如下图所示：图2-1 电流周围的电磁场示意图导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，根据毕奥

9、萨伐尔定律可得。对于无限长直流来说，周围的磁场分布为。根据检测原理可以知道，测量磁场核心是检测线圈的感应电动势E的幅值。下面将从感应线圈、信号选频放大、整流与检测等几个方面讨论电路设计的问题，最后给出电路设计系统框图。（1）感应磁场线圈检测线圈我们是自行绕制。这类电感体积小，Q值高，具有开放的磁芯，可以感应周围交变的磁场。如下图所示图2-2 工字磁材电感（2)信号选频放大使用电感线圈可以对其周围的交变磁场感应出响应感应电动势。这个感应电动势信号具有以下特点： 1、 信号弱：感应电压只有零点几到几毫伏。在检测幅值之前必须进行有效的放大，放大倍数一般要大于100倍（40db）。

10、 2、 噪声多：一般环境下，周围存在着不同来源、不同变化频率的磁场。比赛选择20kHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。可以使用LC串并联电路来实现选频电路（带通电路），如下图所示：图2-3 RLC并联谐振电路为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1-5V左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。我们采用的是运算放大器进行电压放大，一级放大如下图所

11、示：图2-4 一级放大电路二级放大如下图所示：图2-5 二级放大电路（3）信号整流与检测 测量放大后的感应电动势的幅值E可以有多种方法。最简单的方法就是使用二极管检波电路将交变的电压信号检波形成直流信号。如下图所示：图2-6 信号整流电路总的电路设计是采用三个互相正交的电感线圈分别为线圈1、线圈2、线圈3。线圈2和线圈3的轴线垂直载流导线，线圈1与载流导线平行，通过检测线圈2、线圈3的感应电动势，可得装置与载流导线的偏移量。将线圈1所得信号以线圈2、3的共模信号为参考进行相敏检波，再经低通滤波后所得信号可反映装置与载流导线间的偏航角。电路设计系统框图如下图所示图2-7 电路设计系统框

12、图2.3 参数计算2.3.1 传感单元参数计算我们的电感是自行绕制的，电感值的计算如下所示利用单位阶跃响应测量电感值，测量电路及测量结果波形如下所示图2-8 测量电感电路图2-9利用单位阶跃响应测量电感值根据图像我们可知=0.055d=1.43×105n1.43×105测量时所使用电容为62nF，故计算得电感值为0.8mH（此图为偏航测量电感的测试结果，仅作为计算案例）电路的谐振频率为已知感应电动势的频率，测量出感应线圈电感为，可以计算出谐振电容的容量为：通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为620nF，所以在实际电路中我们选用620nF的电容作为谐振电

13、容。2.3.2 测量电路参数计算信号放大电路进行了两次放大，第一次的放大倍数为13.3，第二次的放大倍数为23.5。数值计算如下2.3.3 调理电路参数计算信号检波部分计算如下，为防止检波负载效应影响二级放大输出波形，从而对相敏检波电路产生影响，故在检波电路中加一个1千欧电阻。所采用的的1N60PST检波二极管压降约为0.26V，故检波后输出电压约为二级输出电压峰峰值减去0.52V压降。2.4系统参数验证与分析根据设计的要求，得到上述的各种参数值。经过仿真模拟，得到相对符合的电压值。线圈2、3的仿真如下所示图2-10 线圈2的仿真电路图仿真结果如下所示图2-11 线圈2的仿真结果图从图中我们可

14、以看出经过原始信号经过谐振回路后得到46.914mV的电压值，再经过两次放大后得到约6V的电压峰峰值，最后经过检波得到3.558V的电压值。所得电压符合设计的要求。线圈1的仿真如下所示图2-12 线圈1的仿真电路图第3章 系统调试3.1 器件选型及成本核算表3-1 器件选型及成本核算器件选型个数成本核算（元/1个）100uH工字电感30.61N60检波二极管40.13万能板30.68CD4053模拟开关10.36LM324运算放大器20.85620nF电容30.020.01uF电容70.020.1uF电容10.021k电阻20.01470k电阻30.01680k电阻20.0110k电阻40.0

15、168k电阻30.010.1k电阻20.01120k电阻20.01100k电阻30.0120k电位器20.26总价7.953.2 系统集成系统集成电路如图所示图3-1 系统集成电路图安装到小车上如图所示图3-2 实际成品第4章 系统验证4.1 系统测试原始信号如下所示图4-1 原始信号一级放大信号如下所示图4-2 一级放大信号二级放大如下所示图4-3 二级放大信号4.2 实验验证接通电源，将小车偏移一定的角度，在显示屏上可以显示出相对应的偏移量和偏航角。最终的结果示意图为图4-4 实验结果最后得到小车的位置关系与AD转换值的关系 图4-5 AD转换值与小车位置关系第5章 结论及设计收获通过两周

16、的手工制作和反复修正，本课设的设计要求已经基本达到。通过两周的课设，我们学习到手工绕制工字电感的做法，运算放大器单电源的制作等。了解到感应线圈的方式检测导线周围的交变磁场的原理，信号放大、整流电路各部分的结构设计、仿真分析和参数计算的方法。知晓了感应线圈的结构设计，可以改变线圈高度、线圈之间距离调整位置检测范围得到感应电动势的大小。参考文献1 唐文彦，传感器（第4版），机械工业出版社，2007. 2 李科杰，新编传感器技术手册，国防工业出版社，2002. 3 黄相杰，林佳才.LC谐振放大器的设计J.电子设计工程，2013，第21卷，第5期：1764李仕伯，马旭，卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感

17、器布局研究J.电子产品世界，2009（11）；48-50.5卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯M,北京；北京航空航天大学出版社，2007.6全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛组委员会，电磁组竞赛车模路径检测设计参考方案EB/OL.(2009)2010-09-15.7赵燕，传感器原理及应用，北京大学出版社，2010.17工作日志时间项目进展及问题团队运行状况第一天根据设计的要求，我们查找了很多资料，从知网上下载了关于电磁轨道检测的原理、电路的设计结构等论文资料。根据这些资料，大致规划了一个设计方案。良好第二天我们要设计一个三个相互正交的电感来采集信号，通过选频、放大、整流几个过

18、程，得到最终的稳定电压。根据设计的要求，我们选择并计算出相应的电感、电容、电阻、运算放大器等一些具体的参数值。良好第三天根据初步的规划，经过反复的测量计算，我们确定了各个参数的具体值。初步构建大致的电路图，然后修改、讨论、查资料来晚上我们的电路图。然后我们自行绕制了电感。遇到的问题有，电感漆包线绕制不够整齐，经过反复多次绕制后得到了几个一致性较好的电感良好第四天确定电路后，利用Multisim仿真电路，先是搭建线圈2、3的电路，进行仿真后得到数据，分析数据完善电路。遇到的问题：Multisim对相敏检波器的仿真效果不佳，仿真波形存在异常。良好第五天搭建线圈1的电路，进行仿真得到数据，分析数据能够测出偏航角。最后将三个线圈的电路组合起来，设计完整的电路图，进行仿真。良好第六天仿真无误后，开始制作电路。按照设计好的电路图焊接元器件。完成了放大、检波部分电路的制作。经过测试后发现问题有：放大增益不足，二级输出波形负半周存在“削顶”。良好第七天开始调试电路，利用示波器观察电路各级信号。分析出错的原因，查找资料寻找解决办法。对电路做出改进。主要改动有：1、将第1级运放有电压跟随器改为同相放大器，提高增益。2、在检波电路中增加限流电阻，解决了二级放大后信号失真的现象。良好第八天制作偏航检测电路和相敏检波电路，电路调试