金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)

1、金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)摘 要本文設(shè)計(jì)了一種基于LDC1000的金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)。以MSP430單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)自主移動(dòng)的小車攜帶LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使LDC1000在閉合區(qū)域內(nèi)全覆蓋式掃描并搜索金屬物體。LDC1000傳感器攜帶的線圈在探測(cè)物體產(chǎn)生渦流后，等效電阻Rp可以反映位置的情況，因而可以判定出金屬物體位置，并由蜂鳴器、開關(guān)電路以及彩色二極管組成的聲光報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)同時(shí)使小車停止運(yùn)動(dòng)。所設(shè)計(jì)的金屬物體探測(cè)器搜索時(shí)間較短，定位準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：MSP430F149；LDC1000；金屬探測(cè)定位1引 言全球第一臺(tái)金屬探測(cè)器誕生于1960年。40多年過(guò)去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾

2、代探測(cè)技術(shù)的變革，從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)再到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測(cè)器簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。無(wú)論是靈敏度、分辨率、探測(cè)精確度還是工作性能上都有了質(zhì)的飛躍。應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到了多個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器是利用模擬電路進(jìn)行檢測(cè)和控制的，其電路復(fù)雜，探測(cè)靈敏度低，且整個(gè)系統(tǒng)易受外界環(huán)境如溫度、濕度、電焊等諸因素的干擾，工作期間需要頻繁的復(fù)位和調(diào)校。本文介紹的基于單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)定位器，采用TI公司新研發(fā)的LDC1000作為傳感器，提高檢測(cè)精度；處理部件則采用MSP430單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，并利用其內(nèi)部的定時(shí)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)探測(cè)

3、波形幅值的采樣量化，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理提高系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力；硬件則由小車和LDC1000套件組成，可自主探測(cè)指定區(qū)域內(nèi)的金屬體并發(fā)出聲光提示，較傳統(tǒng)金屬探測(cè)儀更加智能化，應(yīng)用前景更加廣泛。2方案設(shè)計(jì)及論證2.1總體方案概述本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為控制核心，由LDC傳感模塊、聲光報(bào)警模塊、小車以及電源通過(guò)自主移動(dòng)小車控制LDC1000數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向使LDC1000在金屬框內(nèi)扇形移動(dòng)并搜索金屬物體。定位金屬物體后，由聲光報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)同時(shí)小車停止運(yùn)動(dòng)。其中LDC1000數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器是利用外接線圈與金屬物體表面的渦流所產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)與線圈的電磁場(chǎng)相抵消的能量損耗量

4、來(lái)間接地計(jì)算金屬物體與線圈之間的位置關(guān)系。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2.2控制方案的選擇與論證方案一：采用XC9000系列的FPGA。 該種處理器具有并行處理能力，能快速的響應(yīng)外部的各種數(shù)字信號(hào)，但在數(shù)字的乘除運(yùn)算等處理方面不方便，且芯片昂貴。方案二：采用MSP430單片機(jī)作為控制核心。 其數(shù)字運(yùn)算功能較強(qiáng)，功耗較低，在程序相互調(diào)用方面，處理方便靈活，適合實(shí)際應(yīng)用。且單片機(jī)技術(shù)發(fā)展較為成熟，價(jià)格合適。方案比較：綜合以上方案，結(jié)合金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)的要求，方案二不僅在程序處理方面方便靈活適合實(shí)際應(yīng)用，而且功耗較低，精度也完全滿足應(yīng)用要求，所以決定選擇方案二的MSP430

5、單片機(jī)作為控制核心。2.3探測(cè)器的選擇與論證方案一：采用TI公司生產(chǎn)的電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換評(píng)估板。 LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供低功耗、小封裝、低成本的解決方案。它的SPI接口可以很方便的連接MCU。此外，LDC1000可以測(cè)量外部金屬物體和與LDC1000相連的測(cè)試線圈的空間位置關(guān)系。利用LDC1000的此特性配以外部設(shè)計(jì)的金屬物體?？梢院芊奖愕膶?shí)現(xiàn)水平或者垂直距離檢測(cè)、角度檢測(cè)、位移檢測(cè)和金屬成分檢測(cè)（合金檢測(cè)）。方案二：M12金屬探測(cè)器。 M12金屬探測(cè)器由兩部分組成，即檢測(cè)線圈裝置與自動(dòng)剔除裝置，其中檢測(cè)線圈為核心部分。線圈通電后會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，有金屬進(jìn)入會(huì)引起磁場(chǎng)變化，由此判斷是否有金屬物

6、體。方案比較：經(jīng)過(guò)比較可以看出方案一中的LDC1000是集水平垂直距離檢測(cè)，角度檢測(cè)以及金屬成分檢測(cè)等功能于一體的電感數(shù)字轉(zhuǎn)換評(píng)估器，可以進(jìn)行角度矯正并檢測(cè)出測(cè)試線圈與金屬物體的空間位置關(guān)系；而方案二中的M12金屬探測(cè)器雖然可以檢測(cè)金屬物體但其不能確定金屬物體的位置且不具有角度檢測(cè)的功能。因此我們選擇方案一。2.4自主移動(dòng)方案的選擇與論證方案一：電腦鼠。 電腦鼠是由嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的裝置。它具有穩(wěn)定且快速的行走能力；正確的判斷能力以及記憶路徑的能力。電腦鼠功能強(qiáng)大但價(jià)格昂貴。方案二：小車。 使用舵機(jī)控制小車可以完成自由的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單。小車可以承載

7、LDC1000傳感器在金屬框內(nèi)進(jìn)行扇形搜索并探測(cè)定位。方案比較：經(jīng)過(guò)比較和分析可以看出，方案一中的電腦鼠功能強(qiáng)大，但其價(jià)格昂貴且自帶傳感器不符合題目要求；而方案二中小車承載傳感器LDC1000在金屬框內(nèi)扇形搜索并定位金屬物體的位置。此種方案方便可行且符合題目要求，因此采用方案二作為自主移動(dòng)的方案。3理論分析LDC1000檢測(cè)的原理LDC1000電感的檢測(cè)原理是利用電磁感應(yīng)原理。在線圈中加一個(gè)交變電流，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這時(shí)如果有金屬物體（如圖3-1）進(jìn)入這個(gè)磁場(chǎng)則會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流與線圈電流的方向相反。渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)與線圈的電磁場(chǎng)方向相反。渦流與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率

8、、線圈的幾何形狀、幾何尺寸以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。渦流產(chǎn)生的反方向磁場(chǎng)跟線圈耦合在一起，就像是有另一個(gè)次級(jí)線圈存在一樣。這樣LDC1000的線圈作為次級(jí)線圈就形成了一個(gè)變壓器。如圖3-2所示由于變壓器的互感作用，在初級(jí)線圈這一側(cè)就可以檢測(cè)到次級(jí)線圈的參數(shù)。圖3-1 電感感應(yīng)圖圖3-2 互感的感應(yīng)圖設(shè)Ls為初級(jí)線圈的電感值，Rs為初級(jí)線圈的寄生電阻。L(d)為互感，R(d)是互感電阻的寄生電阻，其中d為距離的函數(shù)。交流電若只加在電感上（初級(jí)線圈），則在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的同時(shí)也會(huì)消耗大量的能量。這時(shí)將一個(gè)電容并聯(lián)在電感上，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會(huì)損耗在Rs和R(

9、d)上。由此可知檢測(cè)到R(d)的損耗就可以間接的檢測(cè)到d。由上可知LCD1000并不是直接檢測(cè)串聯(lián)電阻，而是檢測(cè)等效并聯(lián)電阻。4電路與程序設(shè)計(jì)4.1電路設(shè)計(jì) LDC1000與MCU的連接原理LDC1000與MCU的連接原理圖如圖4-1所示。采用了四線制SPI連接方式，MCU通過(guò)SDI連接（SDI、SDO、SLCK、CSB）實(shí)現(xiàn)對(duì)LDC1000的控制，以及數(shù)據(jù)讀取。在SPI通信中，LDC1000扮演從機(jī)的角色。圖4-1 LDC1000與MCU的連接原理圖4-1-2聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警電路圖由開關(guān)電路、蜂鳴器和雙色二極管組成。操作十分簡(jiǎn)單，主要由MSP430單片機(jī)控制。聲光報(bào)警電路圖如圖4-2所示

10、。圖4-2 聲光報(bào)警電路圖4.2程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主流程圖如圖4-3所示。程序運(yùn)行后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，I/O口初始化。后進(jìn)入探測(cè)區(qū)，讀取Rp值。檢測(cè)數(shù)據(jù)是否異常，若數(shù)據(jù)異常，判斷是否為邊界值，重新讀取Rp值；若數(shù)據(jù)正常，則檢測(cè)是否有金屬，若沒有金屬，則進(jìn)行邊界處理，重新讀取Rp值，若有金屬，進(jìn)行聲光報(bào)警并結(jié)束。圖4-3 系統(tǒng)主流程圖5系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析5.1測(cè)試方法（1）靜態(tài)調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試是用戶系統(tǒng)未工作前的硬件檢查過(guò)程。首先要對(duì)表面進(jìn)行檢查，即對(duì)焊接后的電路板的所有連線仔細(xì)檢查，通過(guò)目測(cè)查出一些明顯的安裝及連接錯(cuò)誤并及時(shí)排除。（2）萬(wàn)用表測(cè)量：測(cè)量可能短路或斷路的電路，尤其要測(cè)量電源與地之間是否

11、短路。（3）加電檢查：開啟電源后，檢查芯片的電源電壓是否正確，也可以用手觸摸是否有明顯的發(fā)燙，所遇芯片均未發(fā)現(xiàn)異常，可進(jìn)入下一步調(diào)試。5.2數(shù)據(jù)測(cè)試及功能分析5.2.1 Rp數(shù)據(jù)測(cè)量如表1所示。表1 Rp數(shù)據(jù)測(cè)量項(xiàng)目次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次第六次相切一角幣669867486688676868376910一元幣670366896728670866986693鐵環(huán)678467096658673867586708邊沿一角幣929886888748902888888800一元幣792876987539752677237798鐵環(huán)719871087268736874087168正上方一角幣10

12、9221182811798117681179311468一元幣887889589168895390298869鐵環(huán)6979696869986978693869885.2.2定位成功率如表2所示。表2 定位成功率鐵 環(huán)一元硬幣一角硬幣測(cè)量次數(shù)666識(shí)別次數(shù)455定位成功率66.7%83.3%83.3%如表所示，按照遍歷整個(gè)區(qū)域的搜索方法定位的成功率很高。但是實(shí)測(cè)所得搜索所耗費(fèi)的時(shí)間變化很大，這與區(qū)域掃描方法有直接關(guān)系，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。6總 結(jié)本文設(shè)計(jì)了一種基于LDC1000的金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)。以MSP430單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)自主移動(dòng)的小車攜帶LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使LDC10

13、00在閉合區(qū)域內(nèi)全覆蓋式掃描并搜索金屬物體。利用單片機(jī)自身的定時(shí)中斷、外部中斷、計(jì)數(shù)功能控制小車的運(yùn)動(dòng)軌跡；實(shí)現(xiàn)了在50cm×50cm閉合區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確定位金屬物體的功能。此次設(shè)計(jì)的金屬物體探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，功能穩(wěn)定，使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。由于時(shí)間較短，且知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)雖已完成，但仍有許多不足。比如不能語(yǔ)音播報(bào)所檢測(cè)的金屬物體的類型，檢測(cè)范圍較小等在設(shè)計(jì)中，還存在有傳感器偶爾不能識(shí)別鐵環(huán)、小車承載傳感器對(duì)閉合區(qū)域掃描一周所用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。希望以后可以通過(guò)學(xué)習(xí)和知識(shí)的積累來(lái)改良金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)的性能。參考文獻(xiàn)1赫建國(guó).葛海波.MSP430微控制器基礎(chǔ)和應(yīng)用設(shè)計(jì)

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