摘  要： 利用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了一個(gè)金屬探測(cè)小車。小車以MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，控制裝有LDC1000電感傳感器的擺臂左右擺動(dòng)，進(jìn)行金屬探測(cè)。控制策略為先粗略掃描再精確定位，能在500 mm×500 mm的測(cè)試區(qū)域內(nèi)探測(cè)到探頭下方一定距離內(nèi)的特定金屬，并分辨出金屬的不同特性。該金屬探測(cè)小車探測(cè)精度高，測(cè)量信息準(zhǔn)確、穩(wěn)定，而且成本低，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，在軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： LDC1000；MC9S12XS128；金屬探測(cè)；電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器

0 引言

　　金屬探測(cè)器是利用金屬傳感器實(shí)現(xiàn)的能在一定范圍內(nèi)探測(cè)到是否有金屬物體并能對(duì)金屬物體進(jìn)行定位的儀器。由于采用非接觸式的感測(cè)技術(shù)，使得金屬探測(cè)器在軍事、工業(yè)和安全等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如地雷探測(cè)、食品質(zhì)量檢測(cè)、地鐵安檢等，也可用于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)中化工、橡膠、制塑、食品加工、采礦、采煤等行業(yè)，還可應(yīng)用于食品、藥品、玩具等領(lǐng)域[1]。目前，市場(chǎng)上大多數(shù)金屬探測(cè)器還是采用體積龐大、價(jià)格昂貴的電磁式金屬傳感器。相比之下，電感式數(shù)字金屬傳感器體積更小，價(jià)格更低，測(cè)量數(shù)據(jù)也更精確。

1 探測(cè)原理

　　1.1 LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器簡介

　　LDC1000是美國德州儀器（TI）公司研發(fā)的世界上首例實(shí)現(xiàn)了電感式感測(cè)的電感到數(shù)字化的轉(zhuǎn)換器。它通過以較低的系統(tǒng)成本提供優(yōu)于現(xiàn)有解決方案的性能、可靠性和靈活性，徹底地變革了感測(cè)技術(shù)。LDC1000提供了16位的諧振阻抗和24位的電感值，從而可在位置感測(cè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的分辨率。另外，電感式感測(cè)還可耐受諸如污垢和灰塵等非導(dǎo)電干擾，并且支持布設(shè)遠(yuǎn)程傳感器，從而使其非常適合于嚴(yán)酷環(huán)境[2]。而且，此款電感傳感器體積非常小，使其能夠安裝在微型設(shè)備上成為可能；同時(shí)，更小的體積給設(shè)計(jì)者保留了更充足的設(shè)計(jì)空間，應(yīng)用范圍也更加廣泛。

　　1.2 LDC1000電感感測(cè)原理

　　LDC1000電感感測(cè)探頭為一個(gè)自制線圈，在線圈中加上一個(gè)交變電流，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，如果有金屬物體進(jìn)入這個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖1所示。感應(yīng)電流與線圈電流方向相反，感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)方向相反。而感應(yīng)電流的大小與金屬物體的大小、成分、金屬物體與線圈的距離相關(guān)。

　　如圖2所示，由于金屬物體與自制線圈的互感作用，在自制線圈這一側(cè)就可以檢測(cè)到金屬物體的參數(shù)。圖中Ls是自制線圈電感值，Rs是自制線圈的寄生電阻；L（d）是互感值，R（d）是互感寄生電阻，L（d）和R（d）都是距離d的函數(shù)。交變電流如果只加在電感（自制線圈）上，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，能量損耗大大減少，只會(huì)損耗在Rs和R（d）上，只要檢測(cè)到R（d）的損耗就可以間接地檢測(cè)到距離d。

　　LDC1000并不是直接檢測(cè)串聯(lián)的電阻，而是檢測(cè)等效并聯(lián)電阻。等效并聯(lián)電阻的計(jì)算公式為：

　　圖3為實(shí)測(cè)結(jié)果，測(cè)試點(diǎn)在線圈的兩級(jí)，利用差分探頭可以在示波器上直接看到波形。可以看出，實(shí)測(cè)波形是正弦波，正弦波的頻率是諧振頻率。金屬遠(yuǎn)離線圈時(shí)，由于沒有感應(yīng)電流的反向磁場(chǎng)，線圈的電感最大，諧振頻率最低（2.71 MHz），如圖3（a）所示。當(dāng)金屬物體靠近時(shí)，由于感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)，使線圈的等效電感下降，諧振頻率就會(huì)提高（3.01 MHz），如圖3（b）所示。諧振LC中的電容C是已知的，所以根據(jù)諧振頻率就能計(jì)算出電感L值。根據(jù)衰減震蕩的曲線可以計(jì)算出并聯(lián)等效電阻Rp。

2 總體設(shè)計(jì)

　　2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　為了讓金屬探測(cè)小車結(jié)構(gòu)更簡單而又轉(zhuǎn)向靈活，小車采用雙驅(qū)動(dòng)輪加一個(gè)萬向輪的兩驅(qū)三輪車體結(jié)構(gòu)。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別用單獨(dú)的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，第三個(gè)輪起支撐作用。這種結(jié)構(gòu)可以使小車在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)任意位置和角度。

　　為了使小車在同一位置掃描更大的區(qū)域，小車的前方裝有能左右旋轉(zhuǎn)180°的數(shù)字舵機(jī)，舵盤上固定著長為300 mm的擺臂，擺臂的末端固定著LDC1000傳感器。這樣就可以讓小車更快速地完成探測(cè)任務(wù)，也為后來的控制算法提供了有力的保障。小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　金屬探測(cè)小車以飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128MAA單片機(jī)為主控芯片，該芯片由16位中央處理單元（CPU12X）、128 KB程序Flash、8 KB RAM、8 KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲(chǔ)器，而且還集成了串行通信接口（SCI）、串行外設(shè)接口（SPI）、定時(shí)器模塊（TIM）和脈沖調(diào)制模塊（PWM）等豐富的片上資源[3]。小車用單片機(jī)內(nèi)的SPI模塊與LDC1000進(jìn)行通信，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)讀取到單片機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通過PWM模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行下一個(gè)位置點(diǎn)的探測(cè)。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到最小角度或最大角度時(shí)，同時(shí)控制電機(jī)使小車向前運(yùn)動(dòng)一小段距離，然后舵機(jī)以反方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此往復(fù)，直到探測(cè)到目標(biāo)金屬物體，蜂鳴器發(fā)出提示音為止。系統(tǒng)功能圖如圖5所示。

　　2.3 控制算法

　　控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心。一個(gè)好的控制算法不僅能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，還能盡可能地提高金屬探測(cè)的精度。本金屬探測(cè)小車的控制算法總體思想為：先找到大概位置，再精確定位。

　　金屬探測(cè)小車以20 ms為一個(gè)控制周期，即每20 ms讀一次傳感器數(shù)據(jù)，然后根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的輸出。剛開始探測(cè)時(shí)，小車把擺臂轉(zhuǎn)到最左邊。此后，在每個(gè)控制周期內(nèi)，單片機(jī)從金屬傳感器讀取一次諧振阻抗數(shù)據(jù)（以下簡稱數(shù)據(jù)），并將此數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的舵機(jī)打角記錄下來，然后，擺臂向右轉(zhuǎn)動(dòng)大約1°，等待進(jìn)入到下一個(gè)控制周期。當(dāng)擺動(dòng)到最右端時(shí)，小車向前移動(dòng)大約  5 mm，然后讀取傳感器數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的舵機(jī)打角，擺臂向左轉(zhuǎn)動(dòng)大約1°，等待進(jìn)入到下一個(gè)控制周期。如此往復(fù)，直到讀取回來的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，這時(shí)就可以推斷出傳感器附近有金屬物體了。此時(shí)，讓金屬探測(cè)小車?yán)^續(xù)掃描，直到數(shù)據(jù)幅值出現(xiàn)下降趨勢(shì)。再通過查找記錄下來的數(shù)據(jù)，找到幅值最大時(shí)的小車位置及舵機(jī)打角，并將舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的打角，然后進(jìn)入精確定位階段。

　　在精確定位階段，金屬探測(cè)小車還是以20 ms作為一個(gè)控制周期。先讓舵機(jī)保持之前數(shù)據(jù)幅值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的打角，然后在每個(gè)控制周期內(nèi)向后以1 mm的間距移動(dòng)小車，并讀取諧振阻抗數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降后停止向后移動(dòng)。此時(shí)，舵機(jī)每個(gè)控制周期向右轉(zhuǎn)動(dòng)大約0.2°，并記錄下傳感器數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)大小開始下降，然后，舵機(jī)每個(gè)控制周期向左轉(zhuǎn)動(dòng)大約0.2°，直到數(shù)據(jù)大小開始下降。

　　經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，得到了探測(cè)器探頭與硬幣中心之間的距離和諧振阻抗數(shù)據(jù)的關(guān)系，如圖6所示，測(cè)試所用的硬幣分別為一角硬幣（2005年版，不銹鋼，直徑為19 mm）和一元硬幣（1999年版，鋼芯鍍鎳，直徑為25 mm）。根據(jù)數(shù)據(jù)的幅值大小即可判斷硬幣種類。至此，金屬探測(cè)任務(wù)已經(jīng)完成，金屬探測(cè)小車發(fā)出“滴滴滴”的提示音。

3 實(shí)際測(cè)試

　　3.1 測(cè)試方式

　　分別將一角硬幣和一元硬幣放在大小為500 mm×500 mm的測(cè)試區(qū)域內(nèi)的任一位置，測(cè)試區(qū)域上方覆蓋一層厚度為3 mm的有機(jī)玻璃，將小車放在測(cè)試區(qū)域外，并將小車的方向朝向測(cè)試區(qū)。如圖7所示，打開小車電源開關(guān)，小車開始金屬探測(cè)。記錄探測(cè)完成所需時(shí)間（探測(cè)用時(shí)）及探頭中心與硬幣圓心之間的距離（探測(cè)誤差）。

　　3.2 測(cè)試結(jié)果

　　將金屬探測(cè)小車按照上述方法進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，經(jīng)過5組測(cè)試后，將測(cè)試結(jié)果制成表格，如表1所示。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，小車能夠在2 min內(nèi)完成探測(cè)任務(wù)，并且能將探測(cè)誤差控制在5 mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

　　本金屬探測(cè)小車能夠在2 min之內(nèi)探測(cè)到500 mm×500 mm測(cè)試區(qū)域內(nèi)任意位置上的硬幣，并能將探測(cè)誤差控制在5 mm以內(nèi)，而且能夠分辨出硬幣類別?？焖?、精確是本金屬探測(cè)小車的特性，但由于電機(jī)齒輪、舵機(jī)齒輪有少許的空程，使之與理論上的控制精度有一些差別。如果小車使用更精密的電機(jī)和舵機(jī)，將會(huì)進(jìn)一步減小探測(cè)誤差，使金屬探測(cè)小車更加完美。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 楊勇，曲曉東，劉志珍，等.一種改進(jìn)的高靈敏度金屬檢測(cè)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（17）：23-25.

　　[2] 單祥茹.TI首創(chuàng)電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器滿足多領(lǐng)域應(yīng)用[J].中國電子商情（基礎(chǔ)電子），2013（10）：28.

　　[3] 張陽，吳曄，騰勤.MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.