自主移動(dòng)式金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)

劉璐玲　陳里

[摘要]電磁感應(yīng)型金屬探測(cè)器是金屬探測(cè)技術(shù)中最常用的一種遙控的、短程感測(cè)儀器，它能夠?qū)崿F(xiàn)在灰塵、污垢、油和潮濕等惡劣環(huán)境中金屬目標(biāo)的低成本、高分辨率感測(cè)。文章設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可自主移動(dòng)的金屬物體探測(cè)定位器，采用單片機(jī)與數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）為核心，通過對(duì)數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)，可探測(cè)置于玻璃板下的金屬物體并給出定位指示，實(shí)現(xiàn)了低成本、快速、精確、高效的金屬物體探測(cè)與定位。

[關(guān)鍵詞]金屬探測(cè)；LDC1000；自主移動(dòng)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201550046

1引言

近年來，自動(dòng)化生產(chǎn)線大量使用于各類加工廠，而原料中混入的金屬容易造成火災(zāi)或機(jī)器故障，因此金屬探測(cè)器成為這類生產(chǎn)線上必不可少的設(shè)備。[1]在機(jī)場(chǎng)、大型運(yùn)動(dòng)會(huì)、珠寶店等領(lǐng)域，金屬探測(cè)器作為安全檢測(cè)的重要手段，發(fā)揮著排除違禁物品、維護(hù)安全、防止貴重物品丟失的作用。此外，金屬探測(cè)器還用于軍事上的探雷以及地下金屬探測(cè)。根據(jù)原理和檢測(cè)線路的不同，常用的金屬探測(cè)裝置大多可分為差拍式、自激感應(yīng)式、耗能式和平衡式四種類型。[2]傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器，容易受到灰塵、水分、濕度等因素的干擾，導(dǎo)致檢測(cè)精度和探測(cè)器智能化程度低，實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)不能直接顯示，系統(tǒng)的維護(hù)不夠方便，直接影響了人員的使用和測(cè)試的結(jié)果。

本文基于2014年8月全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽湖北賽區(qū)的賽題來展開研究，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可自主移動(dòng)的金屬物體探測(cè)定位器，可探測(cè)置于某特定區(qū)域的金屬物體并給出定位指示。該特定區(qū)域用直徑為Φ2（mm）的鐵絲圍成約50cm×50cm的正方形閉合框作為探測(cè)區(qū)邊界，上面放置有機(jī)玻璃板，探測(cè)器可在該玻璃板上自主移動(dòng)，且探測(cè)器上設(shè)計(jì)有定位指針，以給出明顯定位指示。

2設(shè)計(jì)方案的比較與選擇

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包含電源模塊、控制模塊、金屬探測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)定位模塊五大部分。為了防止自主運(yùn)動(dòng)模塊之間互相干擾、數(shù)據(jù)傳輸紊亂，本文利用主從控制結(jié)構(gòu)來分別處理兩種數(shù)據(jù)，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，提高檢測(cè)的速度與效率。[3]

21主控模塊方案選擇

主控模塊1采用單片機(jī)STM32F103，它是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。主控模塊2采用單片機(jī)ATmega328，它是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，可以達(dá)到接近1MIPS/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。與傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)相比，這兩種單片機(jī)速度更快，功耗更低，操作簡(jiǎn)便快捷，能較好地完成本系統(tǒng)的操作要求。

22金屬探測(cè)方案選擇

常用的金屬探測(cè)主要有三種方式：電磁感應(yīng)檢測(cè)、X 射線檢測(cè)與微波檢測(cè)。而電磁感應(yīng)方式是金屬探測(cè)器中應(yīng)用最廣泛的一類。本文選擇美國(guó)TI公司生產(chǎn)的LDC1000作為金屬探測(cè)模塊，它實(shí)際上是一個(gè)特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）外接一個(gè)傳感線圈。利用電磁感應(yīng)原理，在傳感線圈中加上交變電流時(shí)，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。如果有金屬物體進(jìn)入磁場(chǎng)，金屬表面將產(chǎn)生渦流。該渦流電流跟傳感線圈的電流方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的也相反。因此，渦流是金屬物體距離、大小、成分的函數(shù)。渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)跟線圈耦合在一起，就像是有另一個(gè)次級(jí)線圈一樣。這樣LDC1000的傳感線圈作為初級(jí)線圈，渦流效應(yīng)作為次級(jí)線圈，就形成一個(gè)變壓器。由于變壓器的互感作用，通過初級(jí)線圈這一側(cè)就可以檢測(cè)到次級(jí)線圈的參數(shù)。當(dāng)待測(cè)金屬物體作為次級(jí)線圈接近時(shí)，LDC1000的電感系數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，對(duì)這一變化進(jìn)行計(jì)算便可基本確定金屬物體的位置。理論上其感應(yīng)信號(hào)最大的地方為它的中心，再利用程序給定精確的定位，使傳感器上的標(biāo)志指針指向金屬物體的中心。[4]

23探測(cè)模塊自主移動(dòng)方案選擇

由于待測(cè)區(qū)域?yàn)樘囟ǚ叫螀^(qū)域，本文采用在該區(qū)域上方搭建簡(jiǎn)易XY軸二維滑臺(tái)來實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的自主移動(dòng)。考慮到步進(jìn)電機(jī)精度高，慣性小，在不失步的情況下沒有步距誤差積累，特別適用于數(shù)字控制的定位系統(tǒng)，因此本文設(shè)計(jì)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)在主控模塊2的控制下帶動(dòng)X軸、Y軸皮帶進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在金屬探測(cè)的過程中，探測(cè)模塊在Y軸皮帶的帶動(dòng)下完成垂直方向的掃描，掃描完成之后，經(jīng)由X軸方向皮帶帶動(dòng)探測(cè)器前進(jìn)或后退某一段距離（行程距離由主控模塊2的程序設(shè)置），再進(jìn)行對(duì)應(yīng)Y軸的掃描，從而完成了整個(gè)區(qū)域的掃描。此方案中金屬探測(cè)器是逐步掃描沒有盲區(qū)，不會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)的抖動(dòng)而產(chǎn)生偏移，因此能滿足設(shè)計(jì)的精度要求。

考慮到二維滑臺(tái)只能在50cm×50cm的范圍內(nèi)滑動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)在控制的過程中是脈沖計(jì)數(shù)。通過測(cè)試可得完成一個(gè)軸的脈沖個(gè)數(shù)是32000個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)走一步是1600個(gè)脈沖，故完成一個(gè)軸需要20步。由于探測(cè)器線圈厚度為25cm，可以將其分為20等份，每次步進(jìn)電機(jī)向前走一步即可完成整個(gè)區(qū)域的掃描[5]。

24電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選擇

傳統(tǒng)的電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路由細(xì)分環(huán)行分配器、放大器和合成器等部分組成，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差。本文選擇A3967SLB作為步進(jìn)電機(jī)微控芯片，使步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)化。它是一款PWM恒流控制微步距驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，一片A3967SLB驅(qū)動(dòng)一臺(tái)二相步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)8細(xì)分驅(qū)動(dòng)。芯片內(nèi)部的PWM電流控制電路可通過加在PFD的電壓設(shè)置為慢、快、混合三種電流衰減模式。它還能提供完善的保護(hù)措施，包括抑制瞬態(tài)電壓、過熱保護(hù)、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。此外，A3967SLB與單片機(jī)之間不需要附加其他的接口電路，將8條控制線減少了2條（步長(zhǎng)和方向），因此只要簡(jiǎn)單地輸入控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖，其內(nèi)嵌的轉(zhuǎn)換器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

3硬件電路設(shè)計(jì)

31單片機(jī)與LDC1000連接電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用四線制SPI的連接方式與LDC1000相連，通過SDI、SDO、SCLK、CSB這四個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)LDC1000的控制與數(shù)據(jù)的傳輸。連接電路如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，LDC1000充當(dāng)?shù)氖菑臋C(jī)[4]。

32電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，A3967SLB還需要一些電容、電阻來調(diào)整其工作參數(shù)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。其中，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的選擇線與步長(zhǎng)線DIR、STEP接單片機(jī)的通用I/O口，OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B接步進(jìn)電機(jī)。

4軟件程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖5所示，上電后程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。Y 軸滑臺(tái)進(jìn)入掃描狀態(tài)，在一次掃描后，如果檢測(cè)到金屬物體就直接進(jìn)入檢測(cè)響應(yīng)；若沒有檢測(cè)到金屬物體就控制 X 軸滑臺(tái)前進(jìn)一定距離，Y 軸滑臺(tái)開始反向掃描，再次進(jìn)行判斷。如果檢測(cè)到金屬物體則進(jìn)入響應(yīng)，沒有檢測(cè)到金屬物體，則控制 X 軸滑臺(tái)繼續(xù)前進(jìn)一段距離，開始新一輪Y軸滑臺(tái)的正向掃描，直到檢測(cè)到金屬物體或掃描完整個(gè)區(qū)域。

5測(cè)試與分析

檢測(cè)到金屬物體的時(shí)間與精度是本設(shè)計(jì)需要測(cè)試的兩方面內(nèi)容。其中，檢測(cè)到金屬物體的時(shí)間是指從探測(cè)模塊開始掃描到檢測(cè)到金屬物體后停止掃描所用的時(shí)間。對(duì)檢測(cè)時(shí)間的測(cè)試，考慮最惡劣的情況，即探測(cè)模塊與金屬物體在二維滑臺(tái)的對(duì)角線上，此時(shí)掃描時(shí)間最長(zhǎng)。對(duì)于精度的測(cè)試，一角硬幣要求定位指針指向硬幣邊沿以內(nèi)，而對(duì)于一元硬幣和鐵環(huán)則要求測(cè)試定位指針與物體中心的距離滿足要求。為了便于測(cè)試，在一元硬幣上以中心為圓心，5mm 為半徑的區(qū)域內(nèi)涂上黑色，鐵環(huán)則粘貼在一張標(biāo)有半徑為20mm 的圓形區(qū)域的白紙上，鐵環(huán)中心與圓心重合。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6系統(tǒng)實(shí)物

下表所示的是金屬探測(cè)模塊分別從四個(gè)對(duì)角出發(fā)，掃描整個(gè)二維滑臺(tái)所需要的時(shí)間。由于自制二維滑臺(tái)的滑竿并不能保證完全的平行，所以從對(duì)角線的兩端分別掃描的時(shí)間存在一點(diǎn)的誤差，但是都滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于檢測(cè)精度，通過目測(cè)就可以判斷出檢測(cè)一角硬幣時(shí)定位指針在硬幣邊沿以內(nèi)，一元硬幣和鐵環(huán)的中心與定位指針偏差在5mm以內(nèi)。因此，整個(gè)設(shè)計(jì)在檢測(cè)時(shí)間與檢測(cè)精度上基本滿足設(shè)計(jì)要求。

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)與LDC1000作為金屬探測(cè)系統(tǒng)的主要部件，系統(tǒng)的檢測(cè)精度、速度、性能大幅度提高；采用掃描式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)無死角，且只需要對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行適當(dāng)修改就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試與擴(kuò)展，應(yīng)用與推廣性良好。

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