基于單片機的金屬探測定位器設計

陶　醉，陳希平，王　琳

（中國計量學院信息工程學院，浙江杭州310018）

基于單片機的金屬探測定位器設計

陶醉，陳希平，王琳

（中國計量學院信息工程學院，浙江杭州310018）

摘要：以STM32F103ZET6單片機作為主控制器，采用TI公司LDC1000數字/電感轉換器作為金屬探測模塊，通過步進電機控制掃描角度和金屬探測傳感器的移動，從而實現金屬探測區域的全方位掃描與探測，通過LCD顯示器顯示探測位置，當檢測到金屬時發出聲光報警提示。該系統具有檢測精度高、檢測速度快、性價比高等特點。

關鍵詞：金屬探測定位器；LDC1000；STM32F103ZET6單片機；電機控制；掃描

1　引言

金屬探測定位器是專門用于探測金屬類物質的儀器，開始主要應用于探雷和探測地下金屬，經發展已應用于反恐、旅行安檢、冶金、藥品和食品等方面的質量與安全檢測。根據設計制造原理金屬探測定位器可分為差頻式、脈沖感應式、耗能式和平衡式［1］等多種類型。傳統的金屬探測定位器易受環境因素影響，檢測精度較低。提高金屬探測定位器的精度、穩定性及其智能性，具有十分重要的理論和實際意義［2］。

本文采用TI公司LDC1000數字/電感轉換器作為檢測傳感器，其輸出通過SPI接口傳送到單片機，單片機控制步進電機實現金屬探測區域的全方位掃描，并對檢測數據進行計算和處理后輸出到LCD顯示器顯示。

2　系統硬件設計

系統的總體框圖如圖1所示，主要包括金屬檢測模塊、STM32F103ZET6單片機模塊、電機模塊、顯示模塊、報警模塊、電源模塊等。

圖1　系統總體框圖

2.1控制器

采用STM32F103ZET6單片機作為控制器。STM32F103ZET6是32位處理器，使用高性能的ARM CortexTM-M3內核，工作頻率為72MHz，內部資源豐富，包括SRAM、I/O接口、ADC、定時器/計數器、PWM、多種通信接口等，具有控制功能強、速度快、性價比高等優點［3］。

2.2金屬檢測模塊

金屬檢測模塊采用TI公司的LDC1000電感/數字轉換器，外接一個PCB線圈或者自制線圈以實現非接觸電感檢測。LDC1000利用電磁感應原理，在PCB線圈或自制線圈中加上交變電流，線圈周圍會產生交變電磁場，如果有金屬物體進入電磁場，則會在金屬表面產生渦流（感應電流）。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產生的感應電磁場與線圈的電磁場方向相反。渦流是金屬物體的距離、大小、成分的函數。利用LDC1000的這個特性配以外部設計的金屬物體就可以很方便地實現水平或垂直距離檢測、角度檢測、位移檢測、運動檢測、振動檢測、金屬成分（合金）檢測。LDC1000的SPI接口可以很方便的連接MCU，具有功耗低、成本低、小封裝等特點［4］。單片機通過四線SPI接口（SDI、SDO、SCLK、CSB）實現對LDC-1000的控制以及數據讀取［5］，LDC1000與單片機的電路連接原理圖如圖2所示。

圖2　 LDC1000與單片機連接電路原理圖

在連接LDC1000時，如果不將LDC1000的線圈和芯片部分分開，則需要較長的杜邦線來連接，而長的杜邦線會影響SPI通信，但是如果將線圈和芯片部分分開，較長的杜邦線則會改變線圈的電感值，從而影響諧振頻率，影響金屬探測，因此，在單片機和金屬探測模塊之間增加了三態數據驅動器74HC244。

2.3電機控制模塊

2.3.1電機控制結構

系統采用兩個步進電機進行控制，分別為外徑為57mm的電機1和外徑為42mm的電機2。探測器從轉角和徑向兩個方向進行探測，在電機1上固定一個平板，在平板上固定一個可以轉動的軸，通過電機1控制掃描角度θ；在軸上固定一個滑桿，滑桿上安裝傳感器LDC1000，通過滑輪上電機2的轉動帶動滑桿在徑向方向上運動，控制掃描半徑r。LDC1000每次軸轉過一定的角度，便掃描一次，當軸從一個邊緣到另一個邊緣時，便實現了整個區域的掃描探測。其簡化結構示意圖如圖3所示。

圖3　探測器電機控制結構圖

2.3.2電機驅動控制

電機驅動采用二相和四相電機的專用驅動器L298N集成模塊，其內部包含4通道驅動電路，內含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收TTL邏輯電平信號，可驅動46V/2A以下的電機，直接對電機進行控制，無需隔離電路。由單片機的I/O接口控制L298N，實現電機的正轉、反轉以及停止的控制，其連接電路如圖4所示。

圖4　電機驅動電路圖

2.3.3步進電機的步距角與轉速

采用兩相四線步進電機，其步距角β的計算如式（1）所示。

其中：Z為轉子齒數，m為定子繞組相數，K為通電系數，前后通電相數一致時K=1,否則K=2。

步進電機1采用32細分，其步距角為β1=1.8° 32=0.05625°。步進電機2采用8細分，其步距角為β2＝＝0.225°。

當定子控制繞組按著一定順序通電時，步進電機旋轉。設電流的頻率為f（單位為Hz），步距角為β（單位為弧度），則步進電機的轉速n（單位為轉/s）的計算式如式（2）所示。

2.4顯示與報警模塊

單片機外擴液晶顯示器LCD1602用于顯示檢測到的金屬位置及其相關參數，外擴LED燈和蜂鳴器用于檢測到金屬時發出聲光報警［5］，其電路圖如圖5所示。

2.5電源供電模塊

步進電機需要24V的供電，STM32F103ZET6需要3.3V的供電，芯片大部分為5V供電，因此，整個系統需要設計24V、5V、3.3V電源。220V交流電通過整流橋轉換成脈動直流，經濾波后分別通過W7824、W7805穩壓后提供24VDC、5VDC電源，采用AMS1117將5V的電壓轉化為3.3VDC電源。

3　軟件設計

圖5　單片機擴展顯示器與報警器連接電路圖

軟件設計包括系統初始化、LDC1000檢測、電機驅動與控制、顯示位置參數與聲光報警等部分［6］。上電后，金屬探測器開始工作，循環檢測是否遇到金屬物體。電機工作，傳送探測頭直到桿中心，開始θ角度的變換，檢測到金屬物件第一次記錄為IN1標記。當再次檢測到標記時，存在兩種情況：已檢測到金屬或未檢測到金屬。檢測到邊框時調小扇形檢索速度，進行回轉檢索，判斷LDC1000檢索最大電阻值。若電阻值接近第一次檢索金屬大小，則為上述狀態二——未檢測到金屬；然后調整檢測速度恢復為較大檢索速度，重新進行檢索。若電阻值偏大于第一次檢索金屬大小，則為上述狀態一——已檢測到金屬，此時逐步減小檢索速度，找到電感強度最大點，則為被測金屬中心，檢索完成，聲光報警提示用戶，計算被測金屬中心位置并顯示。程序流程圖如圖6所示［6］。

圖6　程序流程圖

4　結束語

通過對第五套人民幣1角硬幣、1元硬幣及自制圓鐵環的測試，結果如下：1角硬幣的中心位置誤差為1.9mm，平均檢測時間為62.2s；1元硬幣的中心位置誤差為2.4mm，平均檢測時間為72.8s；自制鐵環的中心位置誤差為2.8mm，平均檢測時間為92.7s。

該測試結果表明，本系統具有金屬探測定位精度較高、檢測速度快、穩定性較好、檢測無死角、性價比高等特點；本系統可從規定范圍（50cm范圍）內的任意位置開始掃描測量，通過LCD顯示器顯示探測到金屬的中心位置，當檢測到金屬物并定位后，系統通過聲光報警提示用戶發現目標。探測器在較近距離時對金屬物體的檢測效果好，因此在實際應用中應根據不同的金屬材質及結構合理設定探測距離和程序初始值。

參考文獻：

［1］徐逢秋，許賢澤，樂意，李忠兵.多功能墻體探測儀的設計方法［J］.儀器儀表學報，2013，34（10）：2191－2197.

［2］黃勇.金屬探測器的研究與設計［D］.華南理工大學，2010.

［3］劉火良等.STM32庫開發實戰指南［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［4］LDC1000數據手冊.http：／www.hpati.com.

［5］楊維祎，郭穎，王雪峰，曲弘揚.基于TI杯電子競賽的金屬探測系統設計［J］.國外電子測量技術，2015，34 （2）：54－56.

［6］蒙博宇.STM 32自學筆記（第二版）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2014.

The design of metal detector and locator based on SCM

TAO Zui，CHEN Xi－ping，WANG Lin

（College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：The system uses STM32F103ZET6 as the controller and uses the TI company LDC1000 digital／inductive converter as the metal detection module.With the radial movement of metal detection sensor and the angle scanning control of the stepper motor，the system realizes the full range scanning and detecting for the metal detection area.The LCD display shows the detection position，and when metal is detected，the system will alarm by sound and light.The system has many features such as high precision，fast detection，high performance－price ratio etc..

Key words：metal detector and locator；LDC1000；STM32F103ZET6 microcontroller；motor control；scanning

中圖分類號：TP73

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）05—0045—04

作者簡介：

陶醉（1993－），男，在讀本科生，主要研究方向為嵌入式系統應用及通信技術等。

收稿日期：2015－06－03