金属物体探测定位装置

吴文池，李成林，潘 潇，刘国华

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

金属物体探测定位装置

吴文池，李成林，潘 潇，刘国华

（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

本文设计的金属探测装置以MC9S12XS128单片机作为上位机和主控制器，以TI公司的MSP430单片机为下位机，以LDC1000为传感器，用3个步进电机控制LDC1000进行平面扫描，通过蓝牙传递采集的数据，这些信息经过上位机处理后完成金属物体（如硬币、铁圈等）的探测及定位。

金属探测；MC9S12XS128；定位；LDC1000

金属在生活生产中有着重要的地位,尤其是矿产业中。所以,金属探测显得尤为重要。TI公司开发的LDC1000是一个电感数字转换器,它利用电感感测技术,感应磁感应强度,并将其数字化。本装置利用其特性,探测一个平面上的金属物体,进行定位。并且本装置采用蓝牙方式传输采集的数据,增加了配置的灵活性[1]。

1 装置硬件设计方案

1.1 机械设计

金属的探测和定位是在一个平面上进行的,装置采用的是二维平面扫描,而XY导轨正符合这种扫描方式,所以在X轴上面架一个云台,把MSP430和LDC1000放在上面便可进行数据的采集。采集的时候,云台在X轴上左右移动,进行X轴方向的扫描,如果没有发现金属物体,则Y轴方向会前进一段距离,然后再进行X轴方向的扫描,如此循环,便能扫描完整个平面。

导轨上面自带一个步进电机,步进电机转动带动丝杆,从而带动在丝杆上的云台。这种方式相当于变相的减速,会减慢云台的运动。而在试验中,进行X轴扫描的时候,不需要那么慢的速度,所以,可以将X轴上原先的丝杆拆除,在左右两边各放一个步进电机,两个电机各拉动一根绳子,绳子固定在云台的左右两端。当需要云台往左边移动的时候,就驱动左边的步进电机转动,需要云台往右边移动的时候,就驱动右边的电机转动。由于LDC1000探测的范围较小,所以Y轴方向一次前进的距离不能太长,那么Y轴上面步进电机和丝杆的配合,能够很好的控制Y轴方向的前进距离,自然就不需要其他改装。整个装置如图1所示。

图1 装置结构图Fig.1 Structure diagram of the device

1.2 硬件设计

1.2.1电源模块

电源模块主要分为3个部分：变压器交直流转换以及稳压滤波、开关电源、线性稳压电源[2]。

装置中使用的变压器是30 W、双15 V变压器,经过整流桥完成交直流转换,然后给整个系统供电,功率完全满足本装

置的需求。

考虑到步进电机的瞬间电流会相对比较大,而单片机以及其他的熟悉芯片的电源需要比较稳定,所以我们做了两路开关电源为步进电机直接供电,而控制步进电机的信号则通过光耦间接控制步进电机。开关电源选用的是AS1015芯片,最大电流可达5安培,但是它需要的电感值相对较大,开关频率300 KHz。

线性稳压电源因为其纹波小、电路简单等特性,受到大多同学的青睐。我们的线性电源使用的是LM1084芯片的可调版本以及LM2940的5 V版本,前者最大峰值电流有3 A,但是使用中最多只能使用1 A左右,否则芯片会严重发烫。5 V主要给单片机,蓝牙以及蜂鸣器等其他小功率元件供电。

1.2.2 步进电机模块

步进电机内部主要由定子和转子组成,是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的控制电机,经常被用作数字控制系统中的执行单元。当定子的矢量磁场旋转一个角度,转子也跟着旋转一个角度,也就是说每输入一个脉冲,电机向前转动一个角度。更有利的是,它的旋转角度与脉冲数成正比,转动的速度与脉冲的频率成正比,这使得步进电机的控制变得相当准确可靠。只要累计脉冲个数N,转轴的旋转半径R,以及单次步进角度α,即可精确得到转动的距离L,其中：

装置使用的步进电机驱动THB7128芯片是一款专用型两相步进电机驱动芯片,它内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路,配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。在低成本、低振动、小噪声、高速度的设计中应用效果较佳。并且为了防止驱动对单片机造成的各种干扰,装置采用了光耦6N137隔离控制信号,保证主控单片机的安全与稳定,这也是保证我们设计中主控芯片没有损坏的精髓[3]。

步进电机驱动原理图如图2所示。

图2 步进电机驱动原理图Fig.2 Schematic diagram of the step motors driver

在步进电机的使用过程中,值得我们注意的是：芯片击穿的电压为36 V(空载状态下),电机在运行时会产生感应电动势,电感越大、速度越快产生的电动势越大。所以在选择电源时,需要把这考虑进去,我们只使用了12 V的开关电源为其供电；并且芯片的锁定时间设置在0.6 s,也就是说,在0.6 s的时间内脉冲(CLK)没有变化,芯片就减小VREF的值,从而达到电机在无信号的情况下低电流工作,降低芯片的功耗。改变下图中电阻R4的大小,即可改变锁定电流的大小。

在靠近15脚(VCC)、14脚(VM)管脚处各放置1个0.1 μF的电容。检测电阻选用2512封装的贴片或1W的金属膜,推荐使用0.22 Ω电流大小按下面公式计算：

芯片的使能引脚不能一直处于使能状态,最好是需要使用时才开启使能,否则芯片将会持续工作导致电源部分和THB7128过热而损坏。

1.2.3 整体模块

系统总体框架如图3所示。

图3 系统总体框架图Fig.3 Frame diagram of the whole system

LDC1000在平面进行数据采集,通过MSP430把数据发送给MC9S12XS128。为了便于调试,装置采用OLED显示平面信息和采集信息,便于分析数据。数据分析完成之后,就控制步进电机运动,最终找到平面内的金属物体[4]。

2 装置软件设计方案

2.1 LDC工作原理

LDC1000的电感检测原理是利用大学物理中讲到的电磁感应原理。在PCB线圈或者自制线圈中加上一个交变电流,线圈周围就会产生交变电磁场,这时如果有金属物体进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流(感应电流)。涡流

电流方向与线圈电流方向相反,涡流产生的感应电磁场方向与线圈的电磁场方向相反。涡流大小与金属物体的距离,大小,材料有关[5]。

LDC1000可以同时检测阻抗和谐振频率,LDC1000是通过调节振荡器的幅度同时检测LC的谐振损耗来实现这个测量的。通过检测注入到LC谐振单元的能量,可以计算出等效并联电阻Rp。在LDC1000中Rp值被转化为数字量,数值跟Rp的值成反比。LDC1000可以检测到LC的谐振频率,谐振频率用于计算LC中的L值。频率值也由LDC1000转换为数字量。

LDC1000支持很宽范围的LC谐振频率,具体支持5 kHz到5 MHz的谐振频率,Rp(等效并联电阻)的范围支持798 Ω到3.93 MΩ。Rp的范围可以看作是LDC1000内部ADC的信号输入范围。通过编程可以改变这个范围,注意这个范围影响ADC的分辨率。注：这跟用电阻分压调节ADC的量程一样,分压比越大ADC量程越宽,但是对小信号的精度越差。

Rp对应的码值图如图4所示。

图4 Rp对应的码值图Fig.4 Value diagram of Rp

Rp为等效并联电阻。外部没有金属时,与d相关变量为0。

LC谐振回路中的电容C是已知的(电容已安装在电路板上),所以根据谐振频率就能计算出L值。根据衰减振荡的曲线可以计算出Rp。

2.2 探测思路及算法实现

代码程序设计总体框架如图5所示。

图5 代码程序设计总体框架Fig.5 Structure diagram of total code

装置先进行X轴方向的扫描,如果没有发现金属物体,那么就在Y轴方向前进一段距离,再进行X轴方向的扫描,如此循环往复,直到扫描完整个平面。整个扫描路线呈S形。

根据LDC特性,当检测到电感值变化大于一定的值时,即可认为是存在金属物体,并且此时处于金属边界,于是立即降低X轴的扫描速度,同时在该位置左右范围进行微调,即先按照X轴之前的扫描方向继续缓慢前进,直到LDC1000返回的数值出现变小的趋势的时候,再往回移动到之前的最大值的地方,X轴停止运动,即找到了X轴方向上的最大值。Y轴方向也是一样,按照X轴微调的方式,找到Y轴方向上的最大值,然后停止运动,那么我们就认为,此时的位置就是金属物体中心位置。如果感觉此时位置不是很准确,可以在X轴和Y轴方向进行多次微调。

当其找到金属物体后,会自动停止扫描,并发出声光警报,以提醒扫描完毕,已经找到金属物体[6]。

3 测试结果

测试内容：用此装置探测定位3个物体,分别是一个直径约19 mm的镀镍一角硬币、一个直径约25 mm的镀镍钢芯一元硬币和一个直径4 cm的自制圆形铁环。其中,探测的区域为边长50 cm的正方形区域,进行探测时,探头必须从60 cm的正方形外面进入,并且可以从四边任意一边的的任意位置进入正方形区域。要求在2 min之内能够检测到物体,并且在定位时的误差,即离物体的圆心距离,不能超过5 mm。

探测区域如图6所示,测试结果记录所用时间和误差如表1所示。

图6 探测区域示意图Fig.6 Area of detection

表1 测试结果记录Tab.1 Test result of text

4 结论

根据测试结果,该装置利用LDC1000进行探测,使用X、优点：采用普通单片机作为主控,在不影响电路的性能的前提下大大降低了成本。利用RC延时电路,采用斩波的方式获得窄脉冲。利用MOSFET开通的上升沿来开启和关断单个脉冲,有效地解决了由于MOSFET关断时间长而导致的脉冲关断缓慢的问题。

[1]何广敏,赵万生,郭永丰,等.纳秒级脉冲电源的研制[J].电加工,1999(4)：13-15.

[2]张勇.微细电火花加工系统及其工艺技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2004.

[3]高长水,宋小中,刘正埙.电火花微细加工微能脉冲电源研制[J].航空精密制造技术,1997(3)：9-11.

[4]文保平.第五代MOSFET在精加工电源设计中的应用[J].电子工艺技术,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]张言,唐婷,范钧.微细电火花加工用脉冲电源发展现状的分析[J].成都工业学院学报,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稿件编号：201502036

杭州电子科技大学教学研究项目(SY2C1104)

吴文池(1994—)，男，安徽滁州人。研究方向：集成电路设计与集成系统。