一 種 新 型 金 屬 探 測 小 車 的 研 制

李萬兵, 黃 健

(西京學院 機械工程學院， 西安 710123)

一種新型金屬探測小車的研制

李萬兵, 黃 健

(西京學院 機械工程學院， 西安 710123)

設計了一個自動金屬探測的移動小車。采用LDC1000電感數字傳感器作為金屬探測傳感器，傳感器連接自制的電感線圈,當金屬物靠近線圈時，傳感器輸出的數字量將會發生明顯的變化，通過硬件SPI接口將數據送給STM32進行處理顯示。自制線圈可將探測的有效距離提高到10 cm。以STM32作為主控，設計了電機驅動電路和藍牙通信電路，通過手機可遙控小車的行駛，檢測到金屬時有聲光報警提示。測試結果表明，手機遙控有效遙控距離達到10 m，能夠探測到直徑為0.6 mm的細鐵絲，以及比它更大的金屬，金屬面積越大，效果越明顯。

金屬探測； 移動小車； 感測技術

0 引 言

電感感測技術是一種無接觸、低功耗的感測技術，在工業生產和實驗研究中得到了廣泛的應用。目前常用的電感感測技術，應用電磁感應物理原理檢測金屬物品，但大多數輸出是模擬信號，要經過放大、濾波、A/D采集才可接入微處理器進行處理，因此存在誤差大、精度差等缺點。

為有效解決該問題，本文提出采用新型數字電感傳感器LDC1000作為傳感器，通過在印制電路板(PCB)上繪制一個電感線圈或用細鐵絲繞制線圈的方法，實現對金屬物的檢測，小到0.6 mm的細鐵絲。LDC1000輸出28位的數字量，可用SPI串行總線方便地與各種微處理器連接，達到采集和處理的目的。28位的數字量可實現對金屬物高分辨率、高精度檢測，廣泛應用在灰塵、污垢、油和潮濕環境中，實現線性角位置、位移、運動、壓縮、振動、金屬成分檢測，以及汽車、消費、計算機、工業、醫療和通信在內的很多其他應用的高精度測量[1-5]。

1 系統設計框圖

系統設計框圖如圖1所示。圖中主控采用STM32F103ZET6，該處理器共有3個硬件SPI接口、8個定時器、3個串口、144個引腳，是基于Cortex M3的32位微處理器，功能強大，資源豐富。LDC1000通過固定在小車底部自制的電感線圈檢測金屬，當檢測到金屬物后通過硬件SPI2接口將數據快速傳遞給STM32去處理，STM32將處理后的數據通過硬件SPI1送給3.66 cm TFT真彩屏顯示。手機可用藍牙遙控小車的行駛，采用DRV8825控制電機的行駛，通過底部的電感線圈檢測金屬物品，由于采用步進電動機，故可以提高小車行駛的準確度和精度。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 LDC1000傳感器設計

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產生SPI2的片選信號SPI2_NSS； PB13產生SPI2的時鐘信號SPI2_SCK；PB14產生SPI2的主入從出的數據傳送信號SPI2_MISO； PB15產生SPI2的主出從入數據傳送信號SPI2_MOSI。以上4條信號線構成硬件SPI2的連接線，完成數據的讀寫操作[6-7]。 圖中PC9通過STM32F103ZET6的定時器產生6 MHz的方波，輸入給LDC1 000作為時鐘信號，可使硬件SPI2的讀寫速率達到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，直徑達到10 cm。圖中線圈相當于電感，給該電感配置一個合適的電容。當外部有金屬物體時，就會產生LC諧振,LC的諧振頻率通過下式計算:

(1)

式中:Fsen是LC諧振頻率,Fex是外部時鐘基準頻率，取值為6 MHz；Fcnt是LDC1000內部計數器值；RT是LDC1000內部寄存器設置的響應時間。對式(1)兩邊分別求倒數，并做適當變化，可得：

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

(2)

式中：1/Fsen是LC諧振周期；1/Fex是基準時鐘周期。式(2)表明在RT個LC諧振周期內，可使用LDC1000的Fcnt計數器記錄基準時鐘的個數來推算LC的諧振頻率。

根據電渦流原理，檢測細小的金屬，必須要產生足夠大的渦流，就必須增大電感量L。通過多次實驗，繪制了直徑為10 cm的電感線圈，線的粗細為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 步進電動機驅動電路設計

DRV8825具有片上1/32微步進分度器，最大電流可達2.5 A，可驅動39、42步進電動機。本設計中采用的是42步進電動機。步進電動機與DRV8825的連接圖如圖4所示。

圖4 DRV8825步進電機驅動電路圖

圖4中M0、M1、M2是細分選擇控制位，當全部為“1”時，得到最高32細分。PE15連接到DIR,控制步進電動機的方向;PE14由STM32F103ZET6的定時器1產生PWM(脈沖寬度調制)波，控制電動機的轉速[8]。經實測，驅動42步進電動機時，頻率范圍在10～28 kHz，頻率越高，電動機轉速越快。

2.3 TFT顯示單元電路設計

TFT顯示單元采用5.27 cm SPI接口真彩屏，顯示電路設計如圖5所示。

圖5 TFT顯示電路設計原理圖

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。因為對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為復位信號,GND要共地，VCC接3.3 V。

2.4 藍牙模塊電路設計

藍牙模塊電路設計如圖6所示。藍牙模塊通過串口的RXD和TXD可實現數據從接收和發送，將藍牙模塊的RXD連接到STM32F103ZET6的PD5(串口2的TXD)引腳，將藍牙模塊的TXD連接到STM32F103ZET6的P65(串口2的RXD)引腳，通過串口2控制藍牙模塊的收發，可與手機或其他有藍牙裝置的設備通信。無線通信的最遠距離可以達到10 m。

圖6 藍牙通信電路設計

3 軟件設計

3．1 軟件設計流程圖

軟件設計流程圖如圖7所示。首先對定時器、SPI接口進行初始化，然后通過硬件SPI2接口循環采集LDC1000的金屬探測值。為了使檢測值穩定、可靠。共循環采集50次，進行冒泡排序，去掉最大值和最小值各10個，用剩下的30個求均值，并將結果送給5.27 cm TFT屏顯示。同時，小車接收手機藍牙遙控信息，根據發生的不同字符，控制小車的前進、后退、左轉、右轉，探測尋找別的金屬物品。

3．2 SPI讀寫時序

為了提高速度，對SPI的讀寫操作采用硬件方式。設計中LDC1000和3.66 cm TFT均用到了SPI時序，以LDC1000為例，圖8中給出了其讀寫時序[9-10]。

圖7 軟件流程圖

圖8 SPI讀寫時序

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

(1) 片選信號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SCLK時鐘周期，在此期間，SDI處于高阻狀態。

(4) 如果命令為讀，步驟(1)中最高位為1，表示讀出，SDO線上發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位數據，并將其寫入相應的寄存器中。

(6) 完成讀寫后，片選置高，釋放對該從機的控制。

4 測試結果

測試分靜態測試和動態測試兩種。靜態測試時，裝配并調試好硬件電路，測試1角、5角、1元硬幣、細鐵絲(直徑d=0.6 mm)，得到數據如表1所示。

從表1可以看出，距離與頻率值之間有一定的對應關系，隨著距離的增大，頻率值變大。但是因材質和面積的不同，得到的值不同。當面積減小時，變化就非常小，比如細鐵絲，當<5 mm時，基本上沒有變化。

動態測試時的場地如圖9所示。場地周圍用0.6 mm的細鐵絲圍成，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應關系

圖9 測試場地(m)

動態測試時，將小車隨意放在場地中某個位置，用手機遙控小車行駛，分別在空白處、細鐵絲處、1角硬幣、5角硬幣、1元硬幣測得的數據與表1所示的數據(距離為5 mm)時的一致。

根據此規律，增大金屬的面積或者體積，有效檢測距離將會達到提升。當將金屬物品換成鋁塊或者鐵塊時，有效檢測距離可達到10 cm。此外，根據前面所述原理，增大電感量，即將線圈繞制地更大，檢測的效果和距離也會進一步提高。

5 結 語

本文采用LDC1000數字電感傳感器設計的金屬檢測裝置可實現對金屬物體的探測。采用藍牙遙控小車，可提高探測的范圍。也可將LDC1000硬件電路和自制線圈拆下，將其安裝在其他設備上，構成其他用途的探測儀。本設計不僅可探測金屬，還可探測金屬物體的成分和大小，具有一定的實用價值，可應用在灰塵、污垢、油和潮濕等惡劣環境中。

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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

陜西省教育廳科學研究計劃項目(15JK2170); 西京學院基金項目(XJ150110)

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