金屬物體探測定位裝置

吳文池，李成林，潘 瀟，劉國華

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

金屬物體探測定位裝置

吳文池，李成林，潘 瀟，劉國華

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

本文設計的金屬探測裝置以MC9S12XS128單片機作為上位機和主控制器，以TI公司的MSP430單片機為下位機，以LDC1000為傳感器，用3個步進電機控制LDC1000進行平面掃描，通過藍牙傳遞采集的數據，這些信息經過上位機處理后完成金屬物體（如硬幣、鐵圈等）的探測及定位。

金屬探測；MC9S12XS128；定位；LDC1000

金屬在生活生產中有著重要的地位,尤其是礦產業中。所以,金屬探測顯得尤為重要。TI公司開發的LDC1000是一個電感數字轉換器,它利用電感感測技術,感應磁感應強度,并將其數字化。本裝置利用其特性,探測一個平面上的金屬物體,進行定位。并且本裝置采用藍牙方式傳輸采集的數據,增加了配置的靈活性[1]。

1 裝置硬件設計方案

1.1 機械設計

金屬的探測和定位是在一個平面上進行的,裝置采用的是二維平面掃描,而XY導軌正符合這種掃描方式,所以在X軸上面架一個云臺,把MSP430和LDC1000放在上面便可進行數據的采集。采集的時候,云臺在X軸上左右移動,進行X軸方向的掃描,如果沒有發現金屬物體,則Y軸方向會前進一段距離,然后再進行X軸方向的掃描,如此循環,便能掃描完整個平面。

導軌上面自帶一個步進電機,步進電機轉動帶動絲桿,從而帶動在絲桿上的云臺。這種方式相當于變相的減速,會減慢云臺的運動。而在試驗中,進行X軸掃描的時候,不需要那么慢的速度,所以,可以將X軸上原先的絲桿拆除,在左右兩邊各放一個步進電機,兩個電機各拉動一根繩子,繩子固定在云臺的左右兩端。當需要云臺往左邊移動的時候,就驅動左邊的步進電機轉動,需要云臺往右邊移動的時候,就驅動右邊的電機轉動。由于LDC1000探測的范圍較小,所以Y軸方向一次前進的距離不能太長,那么Y軸上面步進電機和絲桿的配合,能夠很好的控制Y軸方向的前進距離,自然就不需要其他改裝。整個裝置如圖1所示。

圖1 裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of the device

1.2 硬件設計

1.2.1電源模塊

電源模塊主要分為3個部分：變壓器交直流轉換以及穩壓濾波、開關電源、線性穩壓電源[2]。

裝置中使用的變壓器是30 W、雙15 V變壓器,經過整流橋完成交直流轉換,然后給整個系統供電,功率完全滿足本裝

置的需求。

考慮到步進電機的瞬間電流會相對比較大,而單片機以及其他的熟悉芯片的電源需要比較穩定,所以我們做了兩路開關電源為步進電機直接供電,而控制步進電機的信號則通過光耦間接控制步進電機。開關電源選用的是AS1015芯片,最大電流可達5安培,但是它需要的電感值相對較大,開關頻率300 KHz。

線性穩壓電源因為其紋波小、電路簡單等特性,受到大多同學的青睞。我們的線性電源使用的是LM1084芯片的可調版本以及LM2940的5 V版本,前者最大峰值電流有3 A,但是使用中最多只能使用1 A左右,否則芯片會嚴重發燙。5 V主要給單片機,藍牙以及蜂鳴器等其他小功率元件供電。

1.2.2 步進電機模塊

步進電機內部主要由定子和轉子組成,是一種將電脈沖信號轉化為機械角位移的控制電機,經常被用作數字控制系統中的執行單元。當定子的矢量磁場旋轉一個角度,轉子也跟著旋轉一個角度,也就是說每輸入一個脈沖,電機向前轉動一個角度。更有利的是,它的旋轉角度與脈沖數成正比,轉動的速度與脈沖的頻率成正比,這使得步進電機的控制變得相當準確可靠。只要累計脈沖個數N,轉軸的旋轉半徑R,以及單次步進角度α,即可精確得到轉動的距離L,其中：

裝置使用的步進電機驅動THB7128芯片是一款專用型兩相步進電機驅動芯片,它內部集成了細分、電流調節、CMOS功率放大等電路,配合簡單的外圍電路即可實現高性能、多細分、大電流的驅動電路。在低成本、低振動、小噪聲、高速度的設計中應用效果較佳。并且為了防止驅動對單片機造成的各種干擾,裝置采用了光耦6N137隔離控制信號,保證主控單片機的安全與穩定,這也是保證我們設計中主控芯片沒有損壞的精髓[3]。

步進電機驅動原理圖如圖2所示。

圖2 步進電機驅動原理圖Fig.2 Schematic diagram of the step motors driver

在步進電機的使用過程中,值得我們注意的是：芯片擊穿的電壓為36 V(空載狀態下),電機在運行時會產生感應電動勢,電感越大、速度越快產生的電動勢越大。所以在選擇電源時,需要把這考慮進去,我們只使用了12 V的開關電源為其供電；并且芯片的鎖定時間設置在0.6 s,也就是說,在0.6 s的時間內脈沖(CLK)沒有變化,芯片就減小VREF的值,從而達到電機在無信號的情況下低電流工作,降低芯片的功耗。改變下圖中電阻R4的大小,即可改變鎖定電流的大小。

在靠近15腳(VCC)、14腳(VM)管腳處各放置1個0.1 μF的電容。檢測電阻選用2512封裝的貼片或1W的金屬膜,推薦使用0.22 Ω電流大小按下面公式計算：

芯片的使能引腳不能一直處于使能狀態,最好是需要使用時才開啟使能,否則芯片將會持續工作導致電源部分和THB7128過熱而損壞。

1.2.3 整體模塊

系統總體框架如圖3所示。

圖3 系統總體框架圖Fig.3 Frame diagram of the whole system

LDC1000在平面進行數據采集,通過MSP430把數據發送給MC9S12XS128。為了便于調試,裝置采用OLED顯示平面信息和采集信息,便于分析數據。數據分析完成之后,就控制步進電機運動,最終找到平面內的金屬物體[4]。

2 裝置軟件設計方案

2.1 LDC工作原理

LDC1000的電感檢測原理是利用大學物理中講到的電磁感應原理。在PCB線圈或者自制線圈中加上一個交變電流,線圈周圍就會產生交變電磁場,這時如果有金屬物體進入這個電磁場則會在金屬物體表面產生渦流(感應電流)。渦流

電流方向與線圈電流方向相反,渦流產生的感應電磁場方向與線圈的電磁場方向相反。渦流大小與金屬物體的距離,大小,材料有關[5]。

LDC1000可以同時檢測阻抗和諧振頻率,LDC1000是通過調節振蕩器的幅度同時檢測LC的諧振損耗來實現這個測量的。通過檢測注入到LC諧振單元的能量,可以計算出等效并聯電阻Rp。在LDC1000中Rp值被轉化為數字量,數值跟Rp的值成反比。LDC1000可以檢測到LC的諧振頻率,諧振頻率用于計算LC中的L值。頻率值也由LDC1000轉換為數字量。

LDC1000支持很寬范圍的LC諧振頻率,具體支持5 kHz到5 MHz的諧振頻率,Rp(等效并聯電阻)的范圍支持798 Ω到3.93 MΩ。Rp的范圍可以看作是LDC1000內部ADC的信號輸入范圍。通過編程可以改變這個范圍,注意這個范圍影響ADC的分辨率。注：這跟用電阻分壓調節ADC的量程一樣,分壓比越大ADC量程越寬,但是對小信號的精度越差。

Rp對應的碼值圖如圖4所示。

圖4 Rp對應的碼值圖Fig.4 Value diagram of Rp

Rp為等效并聯電阻。外部沒有金屬時,與d相關變量為0。

LC諧振回路中的電容C是已知的(電容已安裝在電路板上),所以根據諧振頻率就能計算出L值。根據衰減振蕩的曲線可以計算出Rp。

2.2 探測思路及算法實現

代碼程序設計總體框架如圖5所示。

圖5 代碼程序設計總體框架Fig.5 Structure diagram of total code

裝置先進行X軸方向的掃描,如果沒有發現金屬物體,那么就在Y軸方向前進一段距離,再進行X軸方向的掃描,如此循環往復,直到掃描完整個平面。整個掃描路線呈S形。

根據LDC特性,當檢測到電感值變化大于一定的值時,即可認為是存在金屬物體,并且此時處于金屬邊界,于是立即降低X軸的掃描速度,同時在該位置左右范圍進行微調,即先按照X軸之前的掃描方向繼續緩慢前進,直到LDC1000返回的數值出現變小的趨勢的時候,再往回移動到之前的最大值的地方,X軸停止運動,即找到了X軸方向上的最大值。Y軸方向也是一樣,按照X軸微調的方式,找到Y軸方向上的最大值,然后停止運動,那么我們就認為,此時的位置就是金屬物體中心位置。如果感覺此時位置不是很準確,可以在X軸和Y軸方向進行多次微調。

當其找到金屬物體后,會自動停止掃描,并發出聲光警報,以提醒掃描完畢,已經找到金屬物體[6]。

3 測試結果

測試內容：用此裝置探測定位3個物體,分別是一個直徑約19 mm的鍍鎳一角硬幣、一個直徑約25 mm的鍍鎳鋼芯一元硬幣和一個直徑4 cm的自制圓形鐵環。其中,探測的區域為邊長50 cm的正方形區域,進行探測時,探頭必須從60 cm的正方形外面進入,并且可以從四邊任意一邊的的任意位置進入正方形區域。要求在2 min之內能夠檢測到物體,并且在定位時的誤差,即離物體的圓心距離,不能超過5 mm。

探測區域如圖6所示,測試結果記錄所用時間和誤差如表1所示。

圖6 探測區域示意圖Fig.6 Area of detection

表1 測試結果記錄Tab.1 Test result of text

4 結論

根據測試結果,該裝置利用LDC1000進行探測,使用X、優點：采用普通單片機作為主控,在不影響電路的性能的前提下大大降低了成本。利用RC延時電路,采用斬波的方式獲得窄脈沖。利用MOSFET開通的上升沿來開啟和關斷單個脈沖,有效地解決了由于MOSFET關斷時間長而導致的脈沖關斷緩慢的問題。

[1]何廣敏,趙萬生,郭永豐,等.納秒級脈沖電源的研制[J].電加工,1999(4)：13-15.

[2]張勇.微細電火花加工系統及其工藝技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2004.

[3]高長水,宋小中,劉正塤.電火花微細加工微能脈沖電源研制[J].航空精密制造技術,1997(3)：9-11.

[4]文保平.第五代MOSFET在精加工電源設計中的應用[J].電子工藝技術,1998(1)：10-12.

[5]Fuzhu Han,Shinya Wachi,Masanori Kunieda.Improvement of machining characteristics of micro-EDM using transistor type isopulse generator and servo feed control[J].Precision Engineering,2004,28：378-385.

[6]張言,唐婷,范鈞.微細電火花加工用脈沖電源發展現狀的分析[J].成都工業學院學報,2014(2)：49-50,54.

The design of metallic object detection device

WU Wen-chi,LI Cheng-lin,PAN Xiao,LIU Guo-hua
(College of Electronic Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

This paper describes a metal detection device that uses MC9S12XS128 microprocessor as upper monitor and main controller and uses MSP430 which is produced by TI company as lower computer.It adopts the LDC1000 as a sensor,uses three step motors to control the LDC1000 to scan the plane and collects the information through Bluetooth.This information can be addressed by the upper monitor,which can detect and locate the metal objectives such as coin and siderosphere.

metal detection；MC9S12XS128；localization；LDC1000

TN709

：A

:1674-6236(2015)23-0085-03

2015-02-04稿件編號：201502036

杭州電子科技大學教學研究項目(SY2C1104)

吳文池(1994—)，男，安徽滁州人。研究方向：集成電路設計與集成系統。