0 引言

    金屬探測器作為一種常見的非接觸式安全檢測裝置，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及日常安檢、社會生活中有著十分廣泛的應(yīng)用。常見的金屬探測器以霍爾傳感器作為探測頭，需要配合較復(fù)雜的硬件電路，且誤差較大^[1-3]。本設(shè)計(jì)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的X、Y軸絲桿滑臺帶動金屬物體探頭LDC1000在水平放置的玻璃板掃描區(qū)域內(nèi)按照一定規(guī)則進(jìn)行快速檢測掃描，不接觸目標(biāo)物體，電感數(shù)字傳感器將金屬導(dǎo)體的檢測信號數(shù)字化，主控芯片實(shí)時(shí)分析處理傳感器的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位金屬物體位置，實(shí)時(shí)顯示出掃描結(jié)果，整個掃描過程有語音提示，無人工干預(yù)，完全實(shí)現(xiàn)自動掃描。系統(tǒng)具有較高的探測速度與精度，既方便又省時(shí)。系統(tǒng)可以應(yīng)用于火車站、碼頭和大型會場等地方的日常安檢及建筑施工中墻壁內(nèi)鋼筋、電線的檢測，可以幫助人們尋找身邊的金屬物件，也能夠在灰塵、污垢、油污及潮濕工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體目標(biāo)的低成本、高分辨率的感測。此外，電感數(shù)字傳感器采用線圈產(chǎn)生磁場，不需要磁體和復(fù)雜的校準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

    系統(tǒng)CPU采用MSP430F169處理器^[4]，由控制模塊、傳感器模塊、機(jī)械掃描模塊、LCD液晶顯示及語音模塊四部分組成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示?？紤]在小范圍內(nèi)定位精準(zhǔn)位置，使用絲桿作為導(dǎo)軌制作成H型滑臺，對檢測區(qū)域進(jìn)行無死角掃描檢測。通過42步進(jìn)電機(jī)控制滑臺在X和Y方向上的運(yùn)動導(dǎo)軌移動實(shí)現(xiàn)自主移動。LDC1000探測器搭載于導(dǎo)軌上，隨滑臺快速掃描檢測金屬，當(dāng)LDC1000傳回的阻抗值發(fā)生突變，即兩位數(shù)量級以上的變化時(shí)，說明探頭已接近金屬物體。此時(shí)結(jié)束快速掃描檢測，再通過探測器進(jìn)行精確測量，完成對金屬物體的定位。金屬探測器向MCU傳回?cái)?shù)字信號，MCU經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理，得出探測器與金屬的相對位置，并不斷經(jīng)檢測更正，最終完成探測。同時(shí)，由于滑臺使用步進(jìn)電機(jī)控制，在PWM的輸出控制下，可以實(shí)現(xiàn)金屬探頭的精確定位。當(dāng)掃描結(jié)束后，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，在LCD液晶顯示屏上顯示探頭坐標(biāo)，聲-光提示檢測結(jié)束。

1.2 金屬探測器模塊電路

    LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器基于感測技術(shù)利用電磁感應(yīng)的原理使金屬物體表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)^[5-6]來探測與金屬物體的間距，而且對于不同的金屬材質(zhì)，其感應(yīng)的強(qiáng)度也不同。將LCD1000電感傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至微控制器中，經(jīng)過軟件處理后最終確定金屬的位置。電感傳感器通過外接PCB線圈實(shí)現(xiàn)非接觸式電感測量，具有小封裝、低成本的優(yōu)點(diǎn)^[7]。其內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電路直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而且可以測量金屬與傳感器的距離，并且可以通過測量并聯(lián)諧振阻抗來區(qū)分不同的金屬，有效地抵抗鐵絲邊框?qū)ο到y(tǒng)的干擾，極大地節(jié)省了系統(tǒng)資源。同時(shí)，通過SPI接口可以方便地連接MCU，有效地減少了對外部驅(qū)動和數(shù)據(jù)處理電路的依賴。金屬探測器模塊電路圖如圖2所示。

    電路將三線SPI接口與MCU相連，同時(shí)添加CSB使能信號控制SPI的讀寫。從MCU輸出一個8 MHz時(shí)鐘信號連接至LDC1000的TBCLK引腳作為頻率計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率。在SPI通信中，片選信號發(fā)出后，16個時(shí)鐘周期即可完成一次讀寫操作。

1.3 42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

    設(shè)計(jì)采用42BYGH兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和配套驅(qū)動作為滑臺導(dǎo)軌的驅(qū)動^[8]。42步進(jìn)電機(jī)具有高輸出扭矩、高步距角精度等特點(diǎn)，通過MCU的硬件PWM波即可控制，同時(shí)可以通過MCU對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整、正反轉(zhuǎn)調(diào)整、使能等操作，功能強(qiáng)大操作難度低^[9]。42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖3所示。

    驅(qū)動電路采用LV8731V作為驅(qū)動芯片，該驅(qū)動芯片外圍電路簡單，系統(tǒng)采用兩片LV8731V芯片分別驅(qū)動X、Y軸兩個電機(jī)。MCU向芯片的STEP輸出PWM波，以此驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)MCU可以通過AT2/AT1控制驅(qū)動電流的大小，F(xiàn)R控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，OE作為使能信號。

1.4 LCD12864液晶顯示電路

    設(shè)計(jì)考慮到顯示探頭坐標(biāo)位置及方便確認(rèn)檢測完成等功能，采用LCD12864液晶模塊作為顯示模塊，12864液晶具有中文字庫，顯示內(nèi)容更豐富。模塊控制芯片提供兩套控制命令，操作簡單，使用方便。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(shù)據(jù)輸出口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)基于IAR EW430 5.5平臺，利用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)^[10]。軟件部分以LDC1000金屬探測傳感器所采集到的信息處理為中心。系統(tǒng)軟件主要包括自動控制（快速掃描）、金屬準(zhǔn)確定位（精確檢測）、數(shù)據(jù)處理識別和顯示控制部分。其中，金屬準(zhǔn)確定位和數(shù)據(jù)處理識別是本軟件系統(tǒng)中的核心模塊。這一核心模塊分為兩個部分：(1)金屬檢測的數(shù)據(jù)處理，通過中垂線檢測算法，在水平方向檢測金屬信號，找到金屬強(qiáng)度最大的點(diǎn)后，進(jìn)行垂直方向掃描，最終確定金屬中心位置；(2)步進(jìn)電機(jī)的小距離步進(jìn)控制，由于精確檢測時(shí)，步進(jìn)電機(jī)要根據(jù)金屬探測器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行小距離的移動，因此對電機(jī)的控制提出了較高要求。

    軟件設(shè)計(jì)主要分為快速掃描和精確檢測兩個階段。快速掃描用以確定金屬物體在檢測區(qū)域的大致位置，精確檢測用以確定金屬物體的準(zhǔn)確位置，并減小誤差。系統(tǒng)整體流程圖如圖4所示。

    第一階段：主程序初始化完成后，開始進(jìn)入“快速掃描”階段，通過蛇形方式對檢測區(qū)域進(jìn)行掃描，當(dāng)LDC1000的傳回值發(fā)生兩位數(shù)量級以上的變化時(shí)，說明探測器已接近金屬物體，此時(shí)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(qiáng)度進(jìn)行檢測，找到金屬強(qiáng)度最大的點(diǎn)，然后以此點(diǎn)為中心，對垂直方向進(jìn)行金屬強(qiáng)度檢測，最終確定金屬物體的準(zhǔn)確位置。此時(shí)，停止檢測，顯示探頭坐標(biāo)。

2.1 自制線圈N形掃描

    自制線圈掃描過程中，步進(jìn)電機(jī)采用PWM驅(qū)動方式，使運(yùn)動變得更加柔和勻速。軟件上，結(jié)合單片機(jī)的定時(shí)器功能，實(shí)現(xiàn)勵磁信號按一定頻率不斷送出，使得步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動。利用自制線圈的大范圍掃描，采用N 形方式進(jìn)行掃描，檢測掃描區(qū)域內(nèi)是否有金屬物體。如果檢測到金屬物體，則停止快速掃描，進(jìn)入精確檢測過程。

2.2 中垂線檢測函數(shù)  

    當(dāng)收到檢測到金屬物體的信號后，系統(tǒng)停止N形掃描，開始進(jìn)行精確檢測，通過中垂線檢測方法，找到金屬強(qiáng)度最強(qiáng)的點(diǎn)，即金屬物體中心。  

2.3 鐵環(huán)檢測函數(shù)

    在中垂線檢測完成后，探頭停留在金屬上方，此時(shí)系統(tǒng)判斷該金屬是否為鍍鎳鋼芯硬幣，如果是，則停止檢測啟動聲光提醒；如果不是，則表明是鐵環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入鐵環(huán)掃描程序。由于經(jīng)過中垂線檢測，因此探頭將會停留在鐵環(huán)邊緣，即金屬強(qiáng)度最大的鐵環(huán)上某一點(diǎn)。此時(shí)，進(jìn)入鐵環(huán)檢測的第一階段，檢測探頭四個方向的金屬強(qiáng)度，金屬強(qiáng)度衰減最快的方向則是鐵環(huán)外側(cè)，因此應(yīng)朝其反方向前進(jìn)。

    第二階段，根據(jù)前進(jìn)方向，選擇前進(jìn)方向及其相鄰方向進(jìn)行檢測。由于此時(shí)探頭已在鐵環(huán)內(nèi)部，而鐵環(huán)內(nèi)部的金屬強(qiáng)度由內(nèi)到外不斷增強(qiáng)，此時(shí)不斷檢測探頭處的金屬強(qiáng)度，并向金屬強(qiáng)度減弱的方向前進(jìn)，直到找到金屬強(qiáng)度最弱的點(diǎn)及鐵環(huán)中心。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試條件

    測試環(huán)境：電子電裝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，常溫常濕常壓。

    測試儀器清單如表1所示。

3.2 測試方案

    測試采用整體測試的方案，初始化完成后，先進(jìn)行蛇形快速掃描，檢測到金屬物體后進(jìn)行精確檢測，以最終停止時(shí)探頭所停留位置與硬幣或鐵環(huán)圓心的相對距離，作為測試結(jié)果進(jìn)行誤差分析和改進(jìn)。

    實(shí)際測試時(shí)，對直徑約19 mm的鍍鎳鋼芯1角硬幣、直徑約25 mm的鍍鎳鋼芯1元硬幣、自制圓鐵環(huán)（用Φ2鐵絲繞制）鐵環(huán)外直徑4 cm這3種金屬物體進(jìn)行3組測試，每組測試5次數(shù)據(jù)。

3.3 測試結(jié)果

    直徑約19 mm的鍍鎳鋼芯1角硬幣、直徑約25 mm的鍍鎳鋼芯1元硬幣、自制圓鐵環(huán)（用Φ2鐵絲繞制）鐵環(huán)外直徑4 cm的測試結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

    金屬物體探測定位系統(tǒng)裝置利用基于感測技術(shù)的LDC1000電感數(shù)字傳感器來實(shí)現(xiàn)金屬探測定位，采用了數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾，提高了探測器的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)在50 cm×50 cm范圍內(nèi)進(jìn)行，對不同金屬物進(jìn)行檢測，在2 min的檢測時(shí)間內(nèi)檢出率達(dá)100%。該方案定位精度高，定位誤差在3.1ｍｍ以內(nèi)。系統(tǒng)硬件電路成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可以對狹小及惡劣環(huán)境中金屬物體進(jìn)行探測，具有精度高、速度快的特點(diǎn)，結(jié)合液晶顯示和語音報(bào)警功能，其應(yīng)用范圍較廣。

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