劉璐玲　陳里

[摘要]電磁感應型金屬探測器是金屬探測技術(shù)中最常用的一種遙控的、短程感測儀器，它能夠?qū)崿F(xiàn)在灰塵、污垢、油和潮濕等惡劣環(huán)境中金屬目標的低成本、高分辨率感測。文章設(shè)計并制作一個可自主移動的金屬物體探測定位器，采用單片機與數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）為核心，通過對數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）檢測到的數(shù)據(jù)進行分析處理后驅(qū)動電機移動，可探測置于玻璃板下的金屬物體并給出定位指示，實現(xiàn)了低成本、快速、精確、高效的金屬物體探測與定位。

[關(guān)鍵詞]金屬探測；LDC1000；自主移動

[DOI]1013939/jcnkizgsc201550046

1引言

近年來，自動化生產(chǎn)線大量使用于各類加工廠，而原料中混入的金屬容易造成火災或機器故障，因此金屬探測器成為這類生產(chǎn)線上必不可少的設(shè)備。[1]在機場、大型運動會、珠寶店等領(lǐng)域，金屬探測器作為安全檢測的重要手段，發(fā)揮著排除違禁物品、維護安全、防止貴重物品丟失的作用。此外，金屬探測器還用于軍事上的探雷以及地下金屬探測。根據(jù)原理和檢測線路的不同，常用的金屬探測裝置大多可分為差拍式、自激感應式、耗能式和平衡式四種類型。[2]傳統(tǒng)的金屬探測器，容易受到灰塵、水分、濕度等因素的干擾，導致檢測精度和探測器智能化程度低，實時運行參數(shù)不能直接顯示，系統(tǒng)的維護不夠方便，直接影響了人員的使用和測試的結(jié)果。

本文基于2014年8月全國大學生電子設(shè)計大賽湖北賽區(qū)的賽題來展開研究，設(shè)計并制作一個可自主移動的金屬物體探測定位器，可探測置于某特定區(qū)域的金屬物體并給出定位指示。該特定區(qū)域用直徑為Φ2（mm）的鐵絲圍成約50cm×50cm的正方形閉合框作為探測區(qū)邊界，上面放置有機玻璃板，探測器可在該玻璃板上自主移動，且探測器上設(shè)計有定位指針，以給出明顯定位指示。

2設(shè)計方案的比較與選擇

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包含電源模塊、控制模塊、金屬探測模塊、電機驅(qū)動模塊和電機定位模塊五大部分。為了防止自主運動模塊之間互相干擾、數(shù)據(jù)傳輸紊亂，本文利用主從控制結(jié)構(gòu)來分別處理兩種數(shù)據(jù)，通過中斷方式實現(xiàn)聯(lián)動控制，提高檢測的速度與效率。[3]

21主控模塊方案選擇

主控模塊1采用單片機STM32F103，它是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，以 16 位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。主控模塊2采用單片機ATmega328，它是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機，可以達到接近1MIPS/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍。與傳統(tǒng)的51系列單片機相比，這兩種單片機速度更快，功耗更低，操作簡便快捷，能較好地完成本系統(tǒng)的操作要求。

22金屬探測方案選擇

常用的金屬探測主要有三種方式：電磁感應檢測、X 射線檢測與微波檢測。而電磁感應方式是金屬探測器中應用最廣泛的一類。本文選擇美國TI公司生產(chǎn)的LDC1000作為金屬探測模塊，它實際上是一個特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）外接一個傳感線圈。利用電磁感應原理，在傳感線圈中加上交變電流時，線圈周圍就會產(chǎn)生交變磁場。如果有金屬物體進入磁場，金屬表面將產(chǎn)生渦流。該渦流電流跟傳感線圈的電流方向相反，產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的也相反。因此，渦流是金屬物體距離、大小、成分的函數(shù)。渦流產(chǎn)生的反向磁場跟線圈耦合在一起，就像是有另一個次級線圈一樣。這樣LDC1000的傳感線圈作為初級線圈，渦流效應作為次級線圈，就形成一個變壓器。由于變壓器的互感作用，通過初級線圈這一側(cè)就可以檢測到次級線圈的參數(shù)。當待測金屬物體作為次級線圈接近時，LDC1000的電感系數(shù)發(fā)生相應的變化，對這一變化進行計算便可基本確定金屬物體的位置。理論上其感應信號最大的地方為它的中心，再利用程序給定精確的定位，使傳感器上的標志指針指向金屬物體的中心。[4]

23探測模塊自主移動方案選擇

由于待測區(qū)域為特定方形區(qū)域，本文采用在該區(qū)域上方搭建簡易XY軸二維滑臺來實現(xiàn)探測器的自主移動?？紤]到步進電機精度高，慣性小，在不失步的情況下沒有步距誤差積累，特別適用于數(shù)字控制的定位系統(tǒng)，因此本文設(shè)計由兩個步進電機在主控模塊2的控制下帶動X軸、Y軸皮帶進行運轉(zhuǎn)。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在金屬探測的過程中，探測模塊在Y軸皮帶的帶動下完成垂直方向的掃描，掃描完成之后，經(jīng)由X軸方向皮帶帶動探測器前進或后退某一段距離（行程距離由主控模塊2的程序設(shè)置），再進行對應Y軸的掃描，從而完成了整個區(qū)域的掃描。此方案中金屬探測器是逐步掃描沒有盲區(qū)，不會因為電機的抖動而產(chǎn)生偏移，因此能滿足設(shè)計的精度要求。

考慮到二維滑臺只能在50cm×50cm的范圍內(nèi)滑動，而步進電機在控制的過程中是脈沖計數(shù)。通過測試可得完成一個軸的脈沖個數(shù)是32000個脈沖，步進電機走一步是1600個脈沖，故完成一個軸需要20步。由于探測器線圈厚度為25cm，可以將其分為20等份，每次步進電機向前走一步即可完成整個區(qū)域的掃描[5]。

24電機驅(qū)動方案選擇

傳統(tǒng)的電機細分驅(qū)動電路由細分環(huán)行分配器、放大器和合成器等部分組成，電路結(jié)構(gòu)復雜，靈活性差。本文選擇A3967SLB作為步進電機微控芯片，使步進電機的控制實現(xiàn)更加簡化。它是一款PWM恒流控制微步距驅(qū)動二相步進電機專用驅(qū)動器，一片A3967SLB驅(qū)動一臺二相步進電機，可實現(xiàn)8細分驅(qū)動。芯片內(nèi)部的PWM電流控制電路可通過加在PFD的電壓設(shè)置為慢、快、混合三種電流衰減模式。它還能提供完善的保護措施，包括抑制瞬態(tài)電壓、過熱保護、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。此外，A3967SLB與單片機之間不需要附加其他的接口電路，將8條控制線減少了2條（步長和方向），因此只要簡單地輸入控制步進電機的脈沖，其內(nèi)嵌的轉(zhuǎn)換器就可以實現(xiàn)對步進電機的控制。

3硬件電路設(shè)計

31單片機與LDC1000連接電路設(shè)計

單片機采用四線制SPI的連接方式與LDC1000相連，通過SDI、SDO、SCLK、CSB這四個引腳實現(xiàn)對LDC1000的控制與數(shù)據(jù)的傳輸。連接電路如圖3所示。在本設(shè)計中，LDC1000充當?shù)氖菑臋C[4]。

32電機驅(qū)動電路設(shè)計

在本設(shè)計中，A3967SLB還需要一些電容、電阻來調(diào)整其工作參數(shù)，整個驅(qū)動電路如圖4所示。其中，電機運轉(zhuǎn)方向的選擇線與步長線DIR、STEP接單片機的通用I/O口，OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B接步進電機。

4軟件程序設(shè)計

主程序流程如圖5所示，上電后程序進入運行狀態(tài)。Y 軸滑臺進入掃描狀態(tài)，在一次掃描后，如果檢測到金屬物體就直接進入檢測響應；若沒有檢測到金屬物體就控制 X 軸滑臺前進一定距離，Y 軸滑臺開始反向掃描，再次進行判斷。如果檢測到金屬物體則進入響應，沒有檢測到金屬物體，則控制 X 軸滑臺繼續(xù)前進一段距離，開始新一輪Y軸滑臺的正向掃描，直到檢測到金屬物體或掃描完整個區(qū)域。

5測試與分析

檢測到金屬物體的時間與精度是本設(shè)計需要測試的兩方面內(nèi)容。其中，檢測到金屬物體的時間是指從探測模塊開始掃描到檢測到金屬物體后停止掃描所用的時間。對檢測時間的測試，考慮最惡劣的情況，即探測模塊與金屬物體在二維滑臺的對角線上，此時掃描時間最長。對于精度的測試，一角硬幣要求定位指針指向硬幣邊沿以內(nèi)，而對于一元硬幣和鐵環(huán)則要求測試定位指針與物體中心的距離滿足要求。為了便于測試，在一元硬幣上以中心為圓心，5mm 為半徑的區(qū)域內(nèi)涂上黑色，鐵環(huán)則粘貼在一張標有半徑為20mm 的圓形區(qū)域的白紙上，鐵環(huán)中心與圓心重合。整個系統(tǒng)實物如圖6所示。

圖6系統(tǒng)實物

下表所示的是金屬探測模塊分別從四個對角出發(fā)，掃描整個二維滑臺所需要的時間。由于自制二維滑臺的滑竿并不能保證完全的平行，所以從對角線的兩端分別掃描的時間存在一點的誤差，但是都滿足設(shè)計要求。

對于檢測精度，通過目測就可以判斷出檢測一角硬幣時定位指針在硬幣邊沿以內(nèi)，一元硬幣和鐵環(huán)的中心與定位指針偏差在5mm以內(nèi)。因此，整個設(shè)計在檢測時間與檢測精度上基本滿足設(shè)計要求。

本設(shè)計采用單片機與LDC1000作為金屬探測系統(tǒng)的主要部件，系統(tǒng)的檢測精度、速度、性能大幅度提高；采用掃描式的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)檢測無死角，且只需要對單片機程序進行適當修改就可實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試與擴展，應用與推廣性良好。

參考文獻：

[1] 張泉泉纖維材料加工中金屬探測系統(tǒng)研究[D].上海：上海交通大學，2006

[2] 賈海波基于ARM的嵌入式金屬探測儀設(shè)計[D].合肥：安徽大學，2013

[3] 王勤，梅勁松基于Intel 80C196控制的智能金屬探測儀[J].江南大學學報，2003（1）.

[4]德州儀器AY-LDC1000用戶手冊[Z].2014

[5]嚴建華，郭烈恩一種基于微機和單片機的步進電機控制[J].機械工程與自動化，2007（1）.