基于电容数字转换器的路面平整度探测小车的制作方法

本实用新型涉及基于电容数字转换器的路面平整度探测小车，属于测量技术领域。

背景技术：

路面平整度是评定路面质量的主要技术指标之一，它关系到行车的安全，舒适以及路面所受冲击力的大小和使用寿命，不平整的路表面会增大行车阻力，并使车辆产生附加的振动作用。这种振动作用会造成行车颠簸，影响行车的速度和安全，影响驾驶的平稳和乘客的舒适。同时，振动作用还会对路面施加冲击力，从而加剧路面和汽车机件的损坏和轮胎的磨损，并增大油料的消耗。而且，对于位于水网地区，不平整的路面还会积滞雨水，加速路面的水损坏。因此，为了减少振动冲击力，提高行车速度和增进行车舒适性，安全性，路面应保持一定的平整度。从路面平整度探测的发展趋势来看，目前主要有定长度直尺法、断面描绘法、顺簸累积法等几种方法，主要是人工目测配合简单测量工具等调查手段，调查数据粗糙、误差较大，人为因素较多，且效率低、工作人员的人生安全受到威胁。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提高路面平整度探测效率，减小误差，提高精确度，保障工作人员生命安全，设计了基于电容数字转换器的路面平整度探测小车。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了基于电容数字转换器的路面平整度探测小车，包括车身、车轮、探测极板、车载模块；其中，所述车身分别连接车轮、探测极板；所述车载模块设置于车身表面上；所述车载模块包括直流稳压单元、电容数字转换器、单片机、电机驱动单元、报警单元、键盘单元、直流电机、舵机、编码器；所述直流稳压单元的输出端分别与电容数字转换器的输入端、单片机的输入端、编码器的输入端连接；所述电容数字转换器的输出端与单片机的输入端连接；所述键盘单元的输出端与单片机的输入端连接；所述编码器的输出端与单片机的输入端连接；所述单片机的输出端分别与电机驱动单元的输入端、舵机的输入端、报警单元的输入端连接；所述电机驱动单元的输出端与直流电机的输入端连接；所述探测极板的输出端与电容数字转换器的输入端连接。

作为本实用新型的优选技术方案：所述探测极板为矩形铜制探测极板。

作为本实用新型的优选技术方案：所述直流稳压单元为LM2596S型号的降压开关型集成稳压芯片。

作为本实用新型的优选技术方案：所述电容数字转换器为FDC2214型号的电容数字转换器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述单片机为STM32处理器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述电机驱动单元为L298N型号的电机驱动芯片。

作为本实用新型的优选技术方案：所述键盘单元为4*4矩阵键盘。

作为本实用新型的优选技术方案：所述舵机为MG995金属齿轮舵机。

作为本实用新型的优选技术方案：所述编码器为绝对式编码器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述探测小车还包括电源；所述电源为12V可充电电池。

本实用新型所述基于电容数字转换器的路面平整度探测小车采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型实时检测道路表面平整度，采用FDC2214电容数字转换器，将路面平整度信息转化为数字量，不易受外界因素影响。具有稳定性好、精度高的特点。本实用新型采用位置式PID算法和舵机控制小车，可自由设置探测区域和小车前进速度，增加了系统的灵活性。此外，设有报警电路，若路面平整度超过设定阈值，电容量发生较大变化，单片机发送控制信号驱动报警电路，实时反映路面不平整区域。较一般的路面平整度探测方法，本实用新型检测精度高、效率高、使用范围广，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的小车结构俯视图；

图3是本实用新型的电容数字转换器电路图；

图4是本实用新型的单片机电路图；

图5是本实用新型的直流稳压单元电路图；

图6是本实用新型的报警单元电路图；

图7是本实用新型的键盘单元电路图；

图8是本实用新型的编码器电路图；

图9是本实用新型的电机驱动单元电路图；

图10是本实用新型的舵机电路图；

图11是本实用新型的探测流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1、图2所示，本实用新型设计了基于电容数字转换器的路面平整度探测小车，包括车身、车轮、探测极板、车载模块；其中，车身分别连接车轮、探测极板；车载模块设置于车身表面上；车载模块包括直流稳压单元、电容数字转换器、单片机、电机驱动单元、报警单元、键盘单元、直流电机、舵机、编码器；直流稳压单元的输出端分别与电容数字转换器的输入端、单片机的输入端、编码器的输入端连接；电容数字转换器的输出端与单片机的输入端连接；键盘单元的输出端与单片机的输入端连接；编码器的输出端与单片机的输入端连接；单片机的输出端分别与电机驱动单元的输入端、舵机的输入端、报警单元的输入端连接；电机驱动单元的输出端与直流电机的输入端连接；探测极板的输出端与电容数字转换器的输入端连接。

小车前轮由舵机驱动，用于控制小车在达到指定的直行距离后的掉头操作。后轮由直流电机驱动，用于驱动小车以指定速度进行直线运动。探测极板为矩形铜制极板，用于获取极板与被测路面间的电容值。当路面放置在探头检测区域时，探测极板与被测路面之间会形成一定的电容量。该电容通过FDC2214电容数字转换器转换成数字量输入到单片机。式（1）为该电容量的决定式，式中C为电容量，为介电常数, k为静电力常量，d为极板与路面间的间距，S为极板面积。由式（1）可知，改电容量与极板和地面之间的间距呈负相关关系。因此，若路面平整，则该电容量变化不明显，不启动报警电路。若路面存在凹凸不平，则电容产生较大变化，并驱动报警电路。

(1)

如图3所示，为本实用新型的电容数字转换器电路图。电容数字转换器采用FDC2214电容数字转换器，图3中P1-P5为用于与外部相连的五个端口。其中P1和单片机的IIC通信接口及电源相连进行数据的传输，P2、P3、P4、P5和探头相连接，以采集路面信息。电容式传感是一种低功耗、低成本且高分辨率的非接触式感测技术，适用于从接近检测和手势识别到远程液位感测领域的各项应用。电容式传感系统中的传感器可以采用任意金属或导体，因此可实现高度灵活的低成本系统设计。电容式传感应用灵敏度的主要限制因素在于传感器的噪声敏感性。FDC2214采用创新型抗EMI架构，即使在高噪声环境中也能维持性能不变。FDC2214是面向电容式传感解决方案的抗噪声和EMI、高分辨率、高速、多通道电容数字转换器系列。该系列器件采用基于窄带的创新型架构，可对噪声和干扰进行高度抑制，同时在高速条件下提供高分辨率。该系列器件支持宽激励频率范围，可为系统设计带来灵活性。宽频率范围对于导电液体(例如清洁剂、肥皂液和油墨)感测的可靠性特别有用。

如图4所示，为本实用新型的单片机电路图。本实用新型采用STM32F103ZET6基于ARM架构的微控制器作为核心控制系统。STM32F103ZET6是ARM Cortex-M 系列控制器的一种，具有72M主频，STM32F103ZET6由5个通用异步收发器(UART)、2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)、11个定时器、13个通信接口、多达112个IO接口、2个12位ADC模块,并具有64KB系统SRAM和256KB的FLASH，而且支持睡眠、停机和待机模式。

如图5所示，为本实用新型的直流稳压单元电路图。直流稳压单元采用LM2596S降压芯片，用于将电池提供的12V电压转换成3.3V及5V，用于驱动FDC2214电容数字转换器，单片机以及编码器。LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

如图6所示，为本实用新型的报警单元电路图。本实用新型采用蜂鸣器作为报警装置。其中，单片机PB0 端口与蜂鸣器驱动电路相连接，在电路中，三极管作开关作用。在报警电路未启动时，单片机向两个电路的输入端口输入低电平，三极管集电极与发射极不导通，故无法启动蜂鸣器。小车检测到的电容值达到预先设定的阈值时，STM32单片机向电路的输入端口输出高电平，二极管的集电极与发射极导通，使得该电路顺利驱动蜂鸣器，通过声音达到报警效果。

如图7所示，为本实用新型的键盘单元电路图。键盘单元由4*4矩阵键盘构成，为了减少I/O口的占用，将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。列线和行线分别接入单片机I/O口，通过软件扫描的方式读取键值。4*4矩阵键盘如图所示，8个端口分别与单片机STM32的PF0-PF7相连，进行信息的输入。其中Threshold-Up键与Threshold-Down键分别控制阈值的增减，Straight-Up键与Straight-Down键分别控制直线行驶时间的增减，Turn-Up键与Turn-Down键分别控制小车掉头次数的增减。

如图8所示，为本实用新型的编码器电路图。本实用新型采用带有编码器的直流电机，用于反馈小车前进速度。其中，编码器A相与B相分别与单片机的PC6端口与PC7端口相连，用于每隔20ms向单片机发送当前的角度值信息，使单片机能够计算出小车前进的速度。编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号。本实用新型采用的是绝对式编码器，绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

如图9所示，为本实用新型的电机驱动单元电路图。本实用新型采用L298N芯片作为直流电机驱动单元。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作，可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。STM32单片机分别从PA0以及PA1端口输出两路PWM信号。在直线行驶时，两路PWM信号占空比相同，以保证小车直线行驶。在小车掉头时，一路输出恒定低电平，一路输出恒定高电平，配合舵机达到差速转向的目的。

如图10所示，为本实用新型的舵机电路图。本实用新型采用MG995金属齿轮舵机以控制小车转向。舵机的控制需要一个20ms的时基脉冲，该脉冲的高电平部分为0.5ms至2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。STM32单片机通过PA8端口向舵机输出不同占空比的PWM信号。当小车直行时，PWM信号占空比为7.5%，此时舵机角度为90°，当小车需要向右掉头时PWM信号占空比为10%，此时舵机角度为180°，当小车需要向左掉头时PWM信号占空比为2.5%，此时舵机角度为0°。通过这种控制输出占空比的方式，可以控制舵机的角度，以控制小车的转向。

如图11所示，为本实用新型的探测流程图。本实用新型启动初始化后，使用者通过按键设定小车的探测区域以及报警阈值，之后小车启动开始探测。当STM32单片机读取到的电容值达到报警阈值时，系统启动蜂鸣器报警，否则小车持续运行。检测完毕后，小车停止运行。

本实用新型可以实时检测道路表面平整度。采用FDC2214电容数字转换器，将路面平整度信息转化为数字量，不易受外界因素影响。具有稳定性好、精度高的特点。本实用新型采用位置式PID算法和舵机控制小车，可自由设置探测区域和小车前进速度，增加了系统的灵活性。此外，设有报警电路，若路面平整度超过设定阈值，电容量发生较大变化，单片机发送控制信号驱动报警电路，实时反映路面不平整区域。较一般的路面平整度探测方法，本实用新型检测精度高、效率高、使用范围广，具有广阔的应用前景。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。