基于MSP430智能金屬檢測定位系統(tǒng)設計

李珂，郭穎，付玉祥

（1.遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順　113001；2.中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 遼寧 撫順　113008）

基于MSP430智能金屬檢測定位系統(tǒng)設計

李珂1，郭穎1，付玉祥2

（1.遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順113001；2.中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 遼寧 撫順113008）

現(xiàn)在的金屬探測器多為手持式探測器，操作復雜且精準度不高，在使用時有一定危險性。本系統(tǒng)設計實現(xiàn)了以智能自主小車為載體對某一區(qū)域范圍進行金屬檢測，并進行報警和坐標顯示。本設計以MSP430F5438A為核心，配以金屬檢測電路、信號調(diào)理電路、速度測量電路、聲光報警電路等外設電路，實現(xiàn)了對未知區(qū)域的進行全自主、高精度的金屬檢測。

DY-LDC1000；MSP430單片機；自主探測；坐標定位

目前市面上的金屬檢測系統(tǒng)，往往只能實現(xiàn)金屬檢測與報警功能，且操作復雜、精度不高。并且在硬件設計上，傳統(tǒng)金屬檢測系統(tǒng)采用模擬電路對金屬進行檢測，將模擬信號進行信號調(diào)理，濾波放大處理，然后由中央處理器對信號進行數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)轉換，閾值判斷，相應處理等操作。整個系統(tǒng)電路結構復雜，信號耦合節(jié)點多，噪聲干擾嚴重，精度差，電子元件多，電氣性能匹配設計復雜。本系統(tǒng)的設計利用DY—LDC1000全數(shù)字芯片對數(shù)據(jù)進行采集，代替了原有的信號采集系統(tǒng)，簡化了硬件設計，并配以智能小車模板為載體平臺、全自動參數(shù)調(diào)整、全自主無死角探測、高精度定位顯示、智能報警等功能，全自動高速檢測系統(tǒng)提高了工作效率，為以后安裝在自動化流水線上奠定了基礎。

1　智能金屬檢測定位系統(tǒng)原理

1.1金屬檢測原理

金屬檢測的的原理：當金屬探測線圈金屬檢測時，線圈受到高頻信號作用［1］，產(chǎn)生變化的磁場，當有金屬靠近時就會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，此時探測線圈的電動勢就會發(fā)生相應變化。線圈之所以能探測到金屬物體的存在是因電磁感應而產(chǎn)生的電動勢的變化，通過電動勢的變化來判斷距離金屬與線圈之間的距離，從而判斷附近有無金屬。

1.2定位系統(tǒng)原理

自主小車在前進的過程中，通過數(shù)字編碼器測量自主小車的實時X軸，Y軸車速，實時把測量值傳送到微型控制器，微型控制器把數(shù)字編碼數(shù)據(jù)進行積分運算計算出相應的X軸與Y軸的坐標值，并記錄到相應寄存器內(nèi)，再傳送到緩存器中，當檢測到有金屬時把此時的坐標數(shù)據(jù)通過LCD12864顯示出來。自主掃描模型如圖1所示。

圖1　智能金屬探測器自主掃描模型

2　硬件系統(tǒng)設計

2.1探測傳感器選擇

本設計采用DY—LDC1000作為金屬探測傳感器。DY—LDC1000芯片采用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)，并具有低功耗，小封裝，低成本的優(yōu)勢。LDC1000經(jīng)常用來水平或垂直距離檢測、角度檢測、位移監(jiān)測、震動檢測、金屬成分鑒定［2］。它的SPI接口可以很方便的連接到MCU。LDC1000采用了四線制SPI連接方式，MCU通過SPI連接實現(xiàn)了對LDC1000的控制，以及參數(shù)的讀取。LDC1000與MCU硬件連接連接如圖2所示。

圖2　LDC1000與MCU的硬件連接圖

2.2微型處理器選擇

在本系統(tǒng)設計中，需要MCU對多種中斷指令進行處理，SPI總線通信，大量數(shù)據(jù)寄存，數(shù)據(jù)運算算法復雜，多路定時，多路PWM輸出［3］，以及多通道數(shù)據(jù)信號讀寫，因此選用MSP430F5438A。單片機內(nèi)部設有看門狗、模擬比較器 A、定時器A0、定時器A1、定時器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時器、實時時鐘［4］。選用MSP430F5438A芯片作為微型處理器。

2.3坐標顯示系統(tǒng)設計

本設計的坐標顯示模塊，選用液晶JLCD12864。LCD12864液晶顯示器可以進行3線串口通信也可以進行8線并口通信，顯示器內(nèi)部自帶中文字庫，顯示信息量大，可以同時顯示漢字、字母、數(shù)字、圖片，而且與 MCU連接方便靈活、程序操作指令簡單的優(yōu)勢。LCD12864與控制器硬件連接如圖3所示。

圖3　LCD12864與MSP430F5438A硬件連接圖

2.4位移檢測系統(tǒng)設計

本設計通過編碼器測量自主小車輪子的轉動的角度和方向［5］，編碼器輸出頻率相同的兩路方波信號，當正傳時A相信號超前B相信號，當反轉時B相信號超前A相信號，頻率作為角度測量。其中左編碼器的A線、B線分別連接MSP430F5438A的P8.0、P8.1端口，右編碼器的A、B線分別連接P8.2、P8.3端口。

2.5電機驅(qū)動系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

本探測系統(tǒng)中采用微型直流電機作為自主掃描的動力系統(tǒng)，L298N為電機驅(qū)動器。

在L298N使用過程中VCC連接+5 V，+VSS連接5-12 V供電電壓，本系統(tǒng)連接6 V電壓，EN A與EN B分別連接兩路PWM信號，分別控制兩路電機轉速。IN1、IN2控制電機1的正反轉，IN3、IN4控制電機2的正反轉。

2.6聲光報警系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)聲光報警系統(tǒng)采用發(fā)光二管和蜂鳴器相結合報警，當檢測到金屬時，單片機在P5.0口產(chǎn)生一個30HZ的脈沖信號使二極管閃爍，P5.1產(chǎn)生一個低電平使蜂鳴器發(fā)出聲報警。電機驅(qū)動，報警電路與控制器硬件連接如圖4所示。

3　軟件程序設計

3.1平臺自主檢測程序設計

自主掃描程序設計的控制算法如下：

直線行駛矯正算法：利用左右兩輪編碼器傳送給MSP430F5438A的脈沖信號，對信號頻率進行測量、對比，若兩者頻率相同，則走直線［6］，若不同自動減少頻率高的那側電機控制信號PWM的占空比，直到兩個編碼器傳送的脈沖信號相同。

圖4　電機驅(qū)動和報警電路與MCU連接圖

小車初始方向矯正算法：利用角度傳感器向單片機傳送的信號與原定的方向信號數(shù)據(jù)進行對比，確定方向偏移差，單片機向一側電機輸出PWM信號進行調(diào)整，直到和原始方向數(shù)據(jù)一致。

調(diào)頭的角度控制與掉頭的輪距差控制算法：當檢測到轉彎調(diào)頭信號時［7］，單片機對電機控制信號進行調(diào)整，使得內(nèi)側輪子反轉，外側輪子正轉，當角度傳感器檢測到轉90度時，單片機對電機控制信號調(diào)整，使得兩個輪子都正轉，當編碼器傳送來的數(shù)據(jù)經(jīng)運算后達到輪距差（時，單片機對電機的控制信號調(diào)整，使得內(nèi)側輪子反轉，外側輪子正轉，當角度傳感器再次檢測到轉動90度時，單片機對電機的控制信號調(diào)整，使兩個輪子同時正轉。整個平臺完成了調(diào)頭，并達到相應的輪距差。

自主掃描子程序流程如圖5所示。

圖5　平臺檢測程序流程圖

3.2金屬檢測及坐標顯示程序?qū)崿F(xiàn)

對LDC1000進行初始化寫入，設置金屬檢測閾值，設置讀取數(shù)據(jù)其工作方式為中斷方式，即當芯片檢測值大于相應閾值時，單片機進行數(shù)據(jù)讀取，把數(shù)據(jù)存儲到寄存器中，掃描程序進入微調(diào)階段，讀取LDC1000數(shù)據(jù)并寄存數(shù)據(jù)，與寄存器數(shù)據(jù)原有數(shù)據(jù)進行比較，當數(shù)據(jù)最大時平臺停止掃描，并把此時的運算得到的位置坐標傳送到液晶顯示芯片中。金屬探測及坐標顯示子程序流程如圖6所示。

圖6　檢測報警及坐標顯示程序

4　實物測試，及達到的技術指標

經(jīng)過硬件連接軟件調(diào)試后，本設計以自主小車為載體平臺實現(xiàn)了對600*600mm區(qū)域內(nèi)的金屬自主探測，坐標顯示，智能聲光報警。分別對不同尺寸（金屬直徑）金屬作了100次試驗得到的結論如表1所示。

表1　性能參數(shù)

實物效果如圖7所示。

圖7　實物效果圖

5　結束語

本設計介紹了一種廉價高精度智能金屬檢測定位系統(tǒng)，能夠適用于工業(yè)流水金屬檢測、行李安全檢測、地質(zhì)金屬礦檢測等領域。

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Design of intelligent metal detecting and positioning system based on MSP430

LI Ke1，GUO Ying1，F(xiàn)U Yu-xiang2
（1.School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；2.PetroChina Company Fushun Petrochemical Company，F(xiàn)ushun 113008，China）

Now most of the metal detectors are hand-held，which operation is complex and precision is not high，and it has certain risk at the time of using it.The metal detection for a certain area is achieved in the system design，which uses car as the carrier.It can alarm and show the coordinate.The design with MSP430F5438A core，metal detecting circuit，signal conditioning circuit，speed measurement circuit and acousto-optic alarm circuit，etc.，realizes independent testing and high precision for the unknown area.

DY-LDC1000；MSP430 MCU；independent testing；coordinate positioning

TN6

A

1674－6236（2016）06-0149-03

2015-04-29稿件編號：201504311

李 珂（1993—），男，河南南陽人。研究方向：智能儀器，精密測控，測控網(wǎng)絡與系統(tǒng)。