李萬兵, 黃 健

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710123)

一種新型金屬探測(cè)小車的研制

李萬兵, 黃 健

(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710123)

設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)金屬探測(cè)的移動(dòng)小車。采用LDC1000電感數(shù)字傳感器作為金屬探測(cè)傳感器，傳感器連接自制的電感線圈,當(dāng)金屬物靠近線圈時(shí)，傳感器輸出的數(shù)字量將會(huì)發(fā)生明顯的變化，通過硬件SPI接口將數(shù)據(jù)送給STM32進(jìn)行處理顯示。自制線圈可將探測(cè)的有效距離提高到10 cm。以STM32作為主控，設(shè)計(jì)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和藍(lán)牙通信電路，通過手機(jī)可遙控小車的行駛，檢測(cè)到金屬時(shí)有聲光報(bào)警提示。測(cè)試結(jié)果表明，手機(jī)遙控有效遙控距離達(dá)到10 m，能夠探測(cè)到直徑為0.6 mm的細(xì)鐵絲，以及比它更大的金屬，金屬面積越大，效果越明顯。

金屬探測(cè)； 移動(dòng)小車； 感測(cè)技術(shù)

0 引 言

電感感測(cè)技術(shù)是一種無接觸、低功耗的感測(cè)技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。目前常用的電感感測(cè)技術(shù)，應(yīng)用電磁感應(yīng)物理原理檢測(cè)金屬物品，但大多數(shù)輸出是模擬信號(hào)，要經(jīng)過放大、濾波、A/D采集才可接入微處理器進(jìn)行處理，因此存在誤差大、精度差等缺點(diǎn)。

為有效解決該問題，本文提出采用新型數(shù)字電感傳感器LDC1000作為傳感器，通過在印制電路板(PCB)上繪制一個(gè)電感線圈或用細(xì)鐵絲繞制線圈的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物的檢測(cè)，小到0.6 mm的細(xì)鐵絲。LDC1000輸出28位的數(shù)字量，可用SPI串行總線方便地與各種微處理器連接，達(dá)到采集和處理的目的。28位的數(shù)字量可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物高分辨率、高精度檢測(cè)，廣泛應(yīng)用在灰塵、污垢、油和潮濕環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)線性角位置、位移、運(yùn)動(dòng)、壓縮、振動(dòng)、金屬成分檢測(cè)，以及汽車、消費(fèi)、計(jì)算機(jī)、工業(yè)、醫(yī)療和通信在內(nèi)的很多其他應(yīng)用的高精度測(cè)量[1-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。圖中主控采用STM32F103ZET6，該處理器共有3個(gè)硬件SPI接口、8個(gè)定時(shí)器、3個(gè)串口、144個(gè)引腳，是基于Cortex M3的32位微處理器，功能強(qiáng)大，資源豐富。LDC1000通過固定在小車底部自制的電感線圈檢測(cè)金屬，當(dāng)檢測(cè)到金屬物后通過硬件SPI2接口將數(shù)據(jù)快速傳遞給STM32去處理，STM32將處理后的數(shù)據(jù)通過硬件SPI1送給3.66 cm TFT真彩屏顯示。手機(jī)可用藍(lán)牙遙控小車的行駛，采用DRV8825控制電機(jī)的行駛，通過底部的電感線圈檢測(cè)金屬物品，由于采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，故可以提高小車行駛的準(zhǔn)確度和精度。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LDC1000傳感器設(shè)計(jì)

LDC1000原理圖如圖2所示，圖中PB12～PB15、PC9均是STM32F103ZET6的IO口，其中PB12～PB15是硬件SPI2接口。圖中：PB12產(chǎn)生SPI2的片選信號(hào)SPI2_NSS； PB13產(chǎn)生SPI2的時(shí)鐘信號(hào)SPI2_SCK；PB14產(chǎn)生SPI2的主入從出的數(shù)據(jù)傳送信號(hào)SPI2_MISO； PB15產(chǎn)生SPI2的主出從入數(shù)據(jù)傳送信號(hào)SPI2_MOSI。以上4條信號(hào)線構(gòu)成硬件SPI2的連接線，完成數(shù)據(jù)的讀寫操作[6-7]。 圖中PC9通過STM32F103ZET6的定時(shí)器產(chǎn)生6 MHz的方波，輸入給LDC1 000作為時(shí)鐘信號(hào)，可使硬件SPI2的讀寫速率達(dá)到4.5 MB/s。

圖2 STM32與LDC1 000連接圖

自制線圈如圖3所示，此線圈是在PCB中繪制的，直徑達(dá)到10 cm。圖中線圈相當(dāng)于電感，給該電感配置一個(gè)合適的電容。當(dāng)外部有金屬物體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生LC諧振,LC的諧振頻率通過下式計(jì)算:

(1)

式中:Fsen是LC諧振頻率,Fex是外部時(shí)鐘基準(zhǔn)頻率，取值為6 MHz；Fcnt是LDC1000內(nèi)部計(jì)數(shù)器值；RT是LDC1000內(nèi)部寄存器設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)式(1)兩邊分別求倒數(shù)，并做適當(dāng)變化，可得：

RT(1/Fsen)=3Fcnt(1/Fex)

(2)

式中：1/Fsen是LC諧振周期；1/Fex是基準(zhǔn)時(shí)鐘周期。式(2)表明在RT個(gè)LC諧振周期內(nèi)，可使用LDC1000的Fcnt計(jì)數(shù)器記錄基準(zhǔn)時(shí)鐘的個(gè)數(shù)來推算LC的諧振頻率。

根據(jù)電渦流原理，檢測(cè)細(xì)小的金屬，必須要產(chǎn)生足夠大的渦流，就必須增大電感量L。通過多次實(shí)驗(yàn)，繪制了直徑為10 cm的電感線圈，線的粗細(xì)為0.1 mm，電感量為0.270 mH，與其匹配的電容大小為3nF，如圖3所示。

圖3 PCB下繪制電感線圈

2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

DRV8825具有片上1/32微步進(jìn)分度器，最大電流可達(dá)2.5 A，可驅(qū)動(dòng)39、42步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)中采用的是42步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與DRV8825的連接圖如圖4所示。

圖4 DRV8825步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖4中M0、M1、M2是細(xì)分選擇控制位，當(dāng)全部為“1”時(shí)，得到最高32細(xì)分。PE15連接到DIR,控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方向;PE14由STM32F103ZET6的定時(shí)器1產(chǎn)生PWM(脈沖寬度調(diào)制)波，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。經(jīng)實(shí)測(cè)，驅(qū)動(dòng)42步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，頻率范圍在10～28 kHz，頻率越高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快。

2.3 TFT顯示單元電路設(shè)計(jì)

TFT顯示單元采用5.27 cm SPI接口真彩屏，顯示電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 TFT顯示電路設(shè)計(jì)原理圖

為提高5.66 cm TFT真彩屏的刷屏速度，采用STM32F103ZET6的硬件SPI1接口與TFT真彩屏相連。因?yàn)閷?duì)TFT液晶屏，只有寫屏操作，沒有讀操作，所以硬件SPI只需要3根線。其中SCLK連接到PB3(SPI1_SCLK)；DI連接到PB5(SPI2_MOSI)；CS連接到PB12(SPI2_NSS).其余RST為復(fù)位信號(hào),GND要共地，VCC接3.3 V。

2.4 藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。藍(lán)牙模塊通過串口的RXD和TXD可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從接收和發(fā)送，將藍(lán)牙模塊的RXD連接到STM32F103ZET6的PD5(串口2的TXD)引腳，將藍(lán)牙模塊的TXD連接到STM32F103ZET6的P65(串口2的RXD)引腳，通過串口2控制藍(lán)牙模塊的收發(fā)，可與手機(jī)或其他有藍(lán)牙裝置的設(shè)備通信。無線通信的最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到10 m。

圖6 藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。首先對(duì)定時(shí)器、SPI接口進(jìn)行初始化，然后通過硬件SPI2接口循環(huán)采集LDC1000的金屬探測(cè)值。為了使檢測(cè)值穩(wěn)定、可靠。共循環(huán)采集50次，進(jìn)行冒泡排序，去掉最大值和最小值各10個(gè)，用剩下的30個(gè)求均值，并將結(jié)果送給5.27 cm TFT屏顯示。同時(shí)，小車接收手機(jī)藍(lán)牙遙控信息，根據(jù)發(fā)生的不同字符，控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，探測(cè)尋找別的金屬物品。

3．2 SPI讀寫時(shí)序

為了提高速度，對(duì)SPI的讀寫操作采用硬件方式。設(shè)計(jì)中LDC1000和3.66 cm TFT均用到了SPI時(shí)序，以LDC1000為例，圖8中給出了其讀寫時(shí)序[9-10]。

圖7 軟件流程圖

圖8 SPI讀寫時(shí)序

圖7中，給出了SPI讀寫1 Byte的時(shí)序圖，該時(shí)序遵循以下步驟[11-15]：

(1) 片選信號(hào)CSB置零。

(2) STM32通過SDI向LDC1000寫入訪問寄存器地址，其中最高位為0，表示寫入，最高位為1，表示讀出，剩余7位為寄存器地址。

(3) 步驟(2)共用8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期，在此期間，SDI處于高阻狀態(tài)。

(4) 如果命令為讀，步驟(1)中最高位為1，表示讀出，SDO線上發(fā)送來自其地址寄存器的8 Byte。

(5) 如果為寫，SDI線接收來自STM32F103ZET6的8位數(shù)據(jù)，并將其寫入相應(yīng)的寄存器中。

(6) 完成讀寫后，片選置高，釋放對(duì)該從機(jī)的控制。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試分靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種。靜態(tài)測(cè)試時(shí)，裝配并調(diào)試好硬件電路，測(cè)試1角、5角、1元硬幣、細(xì)鐵絲(直徑d=0.6 mm)，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，距離與頻率值之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著距離的增大，頻率值變大。但是因材質(zhì)和面積的不同，得到的值不同。當(dāng)面積減小時(shí)，變化就非常小，比如細(xì)鐵絲，當(dāng)<5 mm時(shí)，基本上沒有變化。

動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)的場(chǎng)地如圖9所示。場(chǎng)地周圍用0.6 mm的細(xì)鐵絲圍成，將自制線圈安裝成距離地面距離為5 mm，從表1中可知，這種情況下效果最好。在場(chǎng)地中隨意放置1角、5角、1元硬幣若干。

表1 不同金屬與頻率值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖9 測(cè)試場(chǎng)地(m)

動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，將小車隨意放在場(chǎng)地中某個(gè)位置，用手機(jī)遙控小車行駛，分別在空白處、細(xì)鐵絲處、1角硬幣、5角硬幣、1元硬幣測(cè)得的數(shù)據(jù)與表1所示的數(shù)據(jù)(距離為5 mm)時(shí)的一致。

根據(jù)此規(guī)律，增大金屬的面積或者體積，有效檢測(cè)距離將會(huì)達(dá)到提升。當(dāng)將金屬物品換成鋁塊或者鐵塊時(shí)，有效檢測(cè)距離可達(dá)到10 cm。此外，根據(jù)前面所述原理，增大電感量，即將線圈繞制地更大，檢測(cè)的效果和距離也會(huì)進(jìn)一步提高。

5 結(jié) 語

本文采用LDC1000數(shù)字電感傳感器設(shè)計(jì)的金屬檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的探測(cè)。采用藍(lán)牙遙控小車，可提高探測(cè)的范圍。也可將LDC1000硬件電路和自制線圈拆下，將其安裝在其他設(shè)備上，構(gòu)成其他用途的探測(cè)儀。本設(shè)計(jì)不僅可探測(cè)金屬，還可探測(cè)金屬物體的成分和大小，具有一定的實(shí)用價(jià)值，可應(yīng)用在灰塵、污垢、油和潮濕等惡劣環(huán)境中。

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ResearchonMetalDetectionCarBasedonLDC1000

LIWanbing,HUANGJian

(School of Mechanical Engineering, Xijing University, Xi’an 710123, China)

A mobile car with automatic metal detection is designed. LDC1000 digital inductance sensor is used as the metal detection sensor, sensor is connected with the inductance coil which is made by authors. When the metal is near the coil, the digital output data sampled by sensor will change greatly, The data are sent to STM32 through the hardware SPI interface for process and display. The coil can effectively improve detection distance to 10cm. STM32 is used as the main control, the motor drive circuit and Bluetooth communication circuit are designed, through the mobile phone the car can be remotely controlled. When some metal has been detection, it will send out sound and light alarm signal. Test results show that the metal detection car can use mobile phone remote control, the effective range is up to 10 m, it can detect 0.6 mm diameter of thin wire, the metal area is larger, the effect is more obvious.

metal detection； mobite car; sensing technology

TP 273

A

1006-7167(2017)11-0087-04

2017-03-03

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(15JK2170); 西京學(xué)院基金項(xiàng)目(XJ150110)

李萬兵(1985-)，男，甘肅會(huì)寧人，碩士，講師，研究方向:智能信息處理。Tel.：13571882719; E-mail：565200245@qq.com