金屬物體探測定位系統(tǒng)

1、金屬物體探測定位系統(tǒng)摘 要本文設計了一種基于LDC1000的金屬物體探測定位系統(tǒng)。以MSP430單片機作為控制核心，通過自主移動的小車攜帶LDC1000電感數(shù)字轉換器，使LDC1000在閉合區(qū)域內(nèi)全覆蓋式掃描并搜索金屬物體。LDC1000傳感器攜帶的線圈在探測物體產(chǎn)生渦流后，等效電阻Rp可以反映位置的情況，因而可以判定出金屬物體位置，并由蜂鳴器、開關電路以及彩色二極管組成的聲光報警電路發(fā)出警報同時使小車停止運動。所設計的金屬物體探測器搜索時間較短，定位準確。關鍵詞：MSP430F149；LDC1000；金屬探測定位1引 言全球第一臺金屬探測器誕生于1960年。40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾

2、代探測技術的變革，從最初的信號模擬技術到連續(xù)波技術再到今天所使用的數(shù)字脈沖技術，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學技術成果。無論是靈敏度、分辨率、探測精確度還是工作性能上都有了質的飛躍。應用領域也隨著產(chǎn)品質量的提高延伸到了多個行業(yè)。傳統(tǒng)的金屬探測器是利用模擬電路進行檢測和控制的，其電路復雜，探測靈敏度低，且整個系統(tǒng)易受外界環(huán)境如溫度、濕度、電焊等諸因素的干擾，工作期間需要頻繁的復位和調(diào)校。本文介紹的基于單片機控制的智能型金屬探測定位器，采用TI公司新研發(fā)的LDC1000作為傳感器，提高檢測精度；處理部件則采用MSP430單片機作為檢測和控制核心，并利用其內(nèi)部的定時器和模數(shù)轉換器實現(xiàn)探測

3、波形幅值的采樣量化，通過數(shù)字信號處理提高系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力；硬件則由小車和LDC1000套件組成，可自主探測指定區(qū)域內(nèi)的金屬體并發(fā)出聲光提示，較傳統(tǒng)金屬探測儀更加智能化，應用前景更加廣泛。2方案設計及論證2.1總體方案概述本系統(tǒng)以MSP430單片機作為控制核心，由LDC傳感模塊、聲光報警模塊、小車以及電源通過自主移動小車控制LDC1000數(shù)字電感轉換器的前進、后退和轉向使LDC1000在金屬框內(nèi)扇形移動并搜索金屬物體。定位金屬物體后，由聲光報警電路發(fā)出警報同時小車停止運動。其中LDC1000數(shù)字電感轉換器是利用外接線圈與金屬物體表面的渦流所產(chǎn)生的感應電磁場與線圈的電磁場相抵消的能量損耗量

4、來間接地計算金屬物體與線圈之間的位置關系。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2.2控制方案的選擇與論證方案一：采用XC9000系列的FPGA。 該種處理器具有并行處理能力，能快速的響應外部的各種數(shù)字信號，但在數(shù)字的乘除運算等處理方面不方便，且芯片昂貴。方案二：采用MSP430單片機作為控制核心。 其數(shù)字運算功能較強，功耗較低，在程序相互調(diào)用方面，處理方便靈活，適合實際應用。且單片機技術發(fā)展較為成熟，價格合適。方案比較：綜合以上方案，結合金屬物體探測定位系統(tǒng)的要求，方案二不僅在程序處理方面方便靈活適合實際應用，而且功耗較低，精度也完全滿足應用要求，所以決定選擇方案二的MSP430

5、單片機作為控制核心。2.3探測器的選擇與論證方案一：采用TI公司生產(chǎn)的電感/數(shù)字轉換評估板。 LDC1000電感數(shù)字轉換器提供低功耗、小封裝、低成本的解決方案。它的SPI接口可以很方便的連接MCU。此外，LDC1000可以測量外部金屬物體和與LDC1000相連的測試線圈的空間位置關系。利用LDC1000的此特性配以外部設計的金屬物體?？梢院芊奖愕膶崿F(xiàn)水平或者垂直距離檢測、角度檢測、位移檢測和金屬成分檢測（合金檢測）。方案二：M12金屬探測器。 M12金屬探測器由兩部分組成，即檢測線圈裝置與自動剔除裝置，其中檢測線圈為核心部分。線圈通電后會產(chǎn)生磁場，有金屬進入會引起磁場變化，由此判斷是否有金屬物

6、體。方案比較：經(jīng)過比較可以看出方案一中的LDC1000是集水平垂直距離檢測，角度檢測以及金屬成分檢測等功能于一體的電感數(shù)字轉換評估器，可以進行角度矯正并檢測出測試線圈與金屬物體的空間位置關系；而方案二中的M12金屬探測器雖然可以檢測金屬物體但其不能確定金屬物體的位置且不具有角度檢測的功能。因此我們選擇方案一。2.4自主移動方案的選擇與論證方案一：電腦鼠。 電腦鼠是由嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構成的裝置。它具有穩(wěn)定且快速的行走能力；正確的判斷能力以及記憶路徑的能力。電腦鼠功能強大但價格昂貴。方案二：小車。 使用舵機控制小車可以完成自由的前進、后退和轉向等動作，實現(xiàn)起來簡單。小車可以承載

7、LDC1000傳感器在金屬框內(nèi)進行扇形搜索并探測定位。方案比較：經(jīng)過比較和分析可以看出，方案一中的電腦鼠功能強大，但其價格昂貴且自帶傳感器不符合題目要求；而方案二中小車承載傳感器LDC1000在金屬框內(nèi)扇形搜索并定位金屬物體的位置。此種方案方便可行且符合題目要求，因此采用方案二作為自主移動的方案。3理論分析LDC1000檢測的原理LDC1000電感的檢測原理是利用電磁感應原理。在線圈中加一個交變電流，線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，這時如果有金屬物體（如圖3-1）進入這個磁場則會在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流與線圈電流的方向相反。渦流產(chǎn)生的感應電磁場與線圈的電磁場方向相反。渦流與金屬體磁導率、電導率

8、、線圈的幾何形狀、幾何尺寸以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數(shù)有關。渦流產(chǎn)生的反方向磁場跟線圈耦合在一起，就像是有另一個次級線圈存在一樣。這樣LDC1000的線圈作為次級線圈就形成了一個變壓器。如圖3-2所示由于變壓器的互感作用，在初級線圈這一側就可以檢測到次級線圈的參數(shù)。圖3-1 電感感應圖圖3-2 互感的感應圖設Ls為初級線圈的電感值，Rs為初級線圈的寄生電阻。L(d)為互感，R(d)是互感電阻的寄生電阻，其中d為距離的函數(shù)。交流電若只加在電感上（初級線圈），則在產(chǎn)生交變磁場的同時也會消耗大量的能量。這時將一個電容并聯(lián)在電感上，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會損耗在Rs和R(

9、d)上。由此可知檢測到R(d)的損耗就可以間接的檢測到d。由上可知LCD1000并不是直接檢測串聯(lián)電阻，而是檢測等效并聯(lián)電阻。4電路與程序設計4.1電路設計4.1.1 LDC1000與MCU的連接原理LDC1000與MCU的連接原理圖如圖4-1所示。采用了四線制SPI連接方式，MCU通過SDI連接（SDI、SDO、SLCK、CSB）實現(xiàn)對LDC1000的控制，以及數(shù)據(jù)讀取。在SPI通信中，LDC1000扮演從機的角色。圖4-1 LDC1000與MCU的連接原理圖4-1-2聲光報警電路聲光報警電路圖由開關電路、蜂鳴器和雙色二極管組成。操作十分簡單，主要由MSP430單片機控制。聲光報警電路圖如圖

10、4-2所示。圖4-2 聲光報警電路圖4.2程序設計系統(tǒng)主流程圖如圖4-3所示。程序運行后，先進行系統(tǒng)初始化，I/O口初始化。后進入探測區(qū)，讀取Rp值。檢測數(shù)據(jù)是否異常，若數(shù)據(jù)異常，判斷是否為邊界值，重新讀取Rp值；若數(shù)據(jù)正常，則檢測是否有金屬，若沒有金屬，則進行邊界處理，重新讀取Rp值，若有金屬，進行聲光報警并結束。圖4-3 系統(tǒng)主流程圖5系統(tǒng)調(diào)試及結果分析5.1測試方法（1）靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試是用戶系統(tǒng)未工作前的硬件檢查過程。首先要對表面進行檢查，即對焊接后的電路板的所有連線仔細檢查，通過目測查出一些明顯的安裝及連接錯誤并及時排除。（2）萬用表測量：測量可能短路或斷路的電路，尤其要測量電源與

11、地之間是否短路。（3）加電檢查：開啟電源后，檢查芯片的電源電壓是否正確，也可以用手觸摸是否有明顯的發(fā)燙，所遇芯片均未發(fā)現(xiàn)異常，可進入下一步調(diào)試。5.2數(shù)據(jù)測試及功能分析5.2.1 Rp數(shù)據(jù)測量如表1所示。表1 Rp數(shù)據(jù)測量項目次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次第六次相切一角幣669867486688676868376910一元幣670366896728670866986693鐵環(huán)678467096658673867586708邊沿一角幣929886888748902888888800一元幣792876987539752677237798鐵環(huán)719871087268736874087168正上方

12、一角幣109221182811798117681179311468一元幣887889589168895390298869鐵環(huán)6979696869986978693869885.2.2定位成功率如表2所示。表2 定位成功率鐵 環(huán)一元硬幣一角硬幣測量次數(shù)666識別次數(shù)455定位成功率66.7%83.3%83.3%如表所示，按照遍歷整個區(qū)域的搜索方法定位的成功率很高。但是實測所得搜索所耗費的時間變化很大，這與區(qū)域掃描方法有直接關系，需要進一步的改進。6總 結本文設計了一種基于LDC1000的金屬物體探測定位系統(tǒng)。以MSP430單片機作為控制核心，通過自主移動的小車攜帶LDC1000電感數(shù)字轉換器，使

13、LDC1000在閉合區(qū)域內(nèi)全覆蓋式掃描并搜索金屬物體。利用單片機自身的定時中斷、外部中斷、計數(shù)功能控制小車的運動軌跡；實現(xiàn)了在50cm×50cm閉合區(qū)域內(nèi)準確定位金屬物體的功能。此次設計的金屬物體探測系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，功能穩(wěn)定，使用方便，應用廣泛，具有實際意義。由于時間較短，且知識有限，本次設計雖已完成，但仍有許多不足。比如不能語音播報所檢測的金屬物體的類型，檢測范圍較小等在設計中，還存在有傳感器偶爾不能識別鐵環(huán)、小車承載傳感器對閉合區(qū)域掃描一周所用時間較長時間較長等缺點。希望以后可以通過學習和知識的積累來改良金屬物體探測定位系統(tǒng)的性能。參考文獻1赫建國.葛海波.MSP430微控制器基礎

14、和應用設計M電子工業(yè)大學出版20142 余錫存.曹國華單片機原理及接口技術M西安電子科技大學出版社，2004 3 張毅剛.單片機原理及應用M.高等教育出版社, 20084Stephen prata.Primer Plus（第五版）中文版M人民郵電出版社，20055趙得安.單片機原理與應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2009 76閻石.數(shù)字電子技術基礎(5版)M.高等教育出版社,2006.7 何寶祥著.電子設計實訓教程M.清華大學出版社.2011.2.8 張華林主編電子設計競賽實訓教程M.北京航空航天大學出版社.2007.7.9 陳永真,陳之勃.2011版全國大學生電子設計競賽硬件電路設計精解M.電子工業(yè)出版社,2011.5.10 王