金屬探測定位器的設計

成都理工大學信息科學與技術學院 湯 惠 徐 濤 陳飛洋 黃 虎 林慧瓊

1 引言

金屬物體探頭在水平放置的玻璃板上移動的環境中，設計自主移動的金屬探測定位器，實現自動控制移動是系統首要解決的問題，關鍵在于金屬物體的探測速度與精度，在軟件上要求檢測程序有快速高效的特點。

2 系統設計

探測的硬幣、鐵環的金屬面積都比較小，需要小范圍內的精準位置判斷，使用金屬滑臺對檢測區域進行無死角掃描檢測。將傳感器模塊固定在H型的金屬滑臺，通過電機控制滑臺的導軌運動，傳感器隨之進行金屬檢測。

2.1 系統整體設計

圖1 系統整體設計框圖

使用絲桿作為導軌制作成H型滑臺，通過42步進電機控制滑臺在X和Y方向上移動。LDC1000探測器搭載于導軌上，通過滑臺快速掃描檢測，當LDC1000的傳回的阻抗值發生突變，說明探頭已接近金屬物體，此時結束快速掃描檢測，再通過探測器進行精確測量，完成對金屬物體的定位。金屬探測器向MCU傳回數字信號，MCU經過簡單的數據處理，得出探測器與金屬的相對位置，并不斷經檢測更正，最終完成探測。當掃描結束后，根據記錄的數據，經過單片機處理后，在12864液晶屏上顯示探頭坐標且聲-光提示檢測結束。

2.2 檢測方式設計

設計檢測區域為50*50的玻璃板，由于金屬放置位置據探測邊界大等于5cm，因此實際掃描范圍應是40*40cm正方形區域。LDC1000自帶PCB線圈直徑：d=14mm；設計掃描間隔距離：l=7mm。設計使用自制線圈N形掃描，精確檢測，中垂線檢測方式對鐵環進行檢測。

2.3 單元電路設計

金屬探測模塊：采用TI公司生產的AY-LDC1000電感傳感器，外接PCB線圈實現非接觸式電感測量，通過三線SPI接口連接MCU，同時添加CSB使能信號控制SPI的讀寫。從MCU輸出一個8M時鐘信號連接至LDC1000的TBCLK引腳作為頻率計數時鐘頻率。在SPI通信中，片選信號發出后，16個時鐘周期即可完成一次讀寫操作。

四二步進電機驅動電路：采用42BYGH兩廂混合式步進電機和配套驅動作為滑臺導軌的驅動。通過MCU的硬件PWM波控制，通過MCU對電機進行轉速調整、正反轉調整、使能等操作。驅動電路使用兩片LV8731V芯片分別驅動XY軸兩個電機。MCU向芯片的STEP輸出PWM波，以此驅動電機旋轉。同時MCU通過AT2/AT1控制驅動電流的大小，FR控制電機正反轉，OE作為使能信號。

LCD12864液晶顯示電路：顯示探頭坐標位置及方便確認檢測完成等功能。

連接：采用串行連接方式，RS、RW和E三條信號線作為控制信號，MCU的P4口作為串行數據輸出口。

3 系統軟件設計

圖2 程序整體流程圖

第一階段：主程序初始化完成后，開始進入“快速掃描”階段，通過蛇形方式對檢測區域進行掃描，當LDC1000的傳回值發生兩位數量級以上的變化時，說明探測器已接近金屬物體，此時停止“快速掃描”，開始“精確檢測”。

第二階段：利用中垂線檢測算法，先對水平方向的金屬強度進行檢測，找到金屬強度最大的點，然后以此點為中心，對垂直方向進行金屬強度檢測，最終確定金屬物體的準確位置。此時，停止檢測，顯示探頭坐標。

4 總結

設計以自動掃描方式，在硬件上采用步進電機驅動的XY 軸絲桿滑臺來帶動傳感器自動掃描，12864 顯示掃描結果，整體電路結構清晰簡單。軟件利用C51 語言的高度靈活性，模塊化進行軟件設計。

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