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)領域及日常安檢、社會生活中有著十分廣泛的應用。常見的金屬探測器以霍爾傳感器作為探測頭，需要配合較復雜的硬件電路，且誤差較大^[1-3]。本設計通過步進電機驅動的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)域內按照一定規(guī)則進行快速檢測掃描，不接觸目標物體，電感數(shù)字傳感器將金屬導體的檢測信號數(shù)字化，主控芯片實時分析處理傳感器的數(shù)據(jù)，準確定位金屬物體位置，實時顯示出掃描結果，整個掃描過程有語音提示，無人工干預，完全實現(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。系統(tǒng)可以應用于火車站、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)境中實現(xiàn)導體目標的低成本、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，不需要磁體和復雜的校準。

1 系統(tǒng)硬件設計

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)整體設計框圖如圖1所示?？紤]在小范圍內定位精準位置，使用絲桿作為導軌制作成H型滑臺，對檢測區(qū)域進行無死角掃描檢測。通過42步進電機控制滑臺在X和Y方向上的運動導軌移動實現(xiàn)自主移動。LDC1000探測器搭載于導軌上，隨滑臺快速掃描檢測金屬，當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，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(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，由于滑臺使用步進電機控制，在PWM的輸出控制下，可以實現(xiàn)金屬探頭的精確定位。當掃描結束后，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機處理后，在LCD液晶顯示屏上顯示探頭坐標，聲-光提示檢測結束。

1.2 金屬探測器模塊電路

    LDC1000電感數(shù)字轉換器基于感測技術利用電磁感應的原理使金屬物體表面產(chǎn)生渦流效應^[5-6]來探測與金屬物體的間距，而且對于不同的金屬材質，其感應的強度也不同。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線圈實現(xiàn)非接觸式電感測量，具有小封裝、低成本的優(yōu)點^[7]。其內部的AD轉換電路直接將模擬量轉換為數(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對系統(tǒng)的干擾，極大地節(jié)省了系統(tǒng)資源。同時，通過SPI接口可以方便地連接MCU，有效地減少了對外部驅動和數(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，同時添加CSB使能信號控制SPI的讀寫。從MCU輸出一個8 MHz時鐘信號連接至LDC1000的TBCLK引腳作為頻率計數(shù)時鐘頻率。在SPI通信中，片選信號發(fā)出后，16個時鐘周期即可完成一次讀寫操作。

1.3 42步進電機驅動電路

    設計采用42BYGH兩相混合式步進電機和配套驅動作為滑臺導軌的驅動^[8]。42步進電機具有高輸出扭矩、高步距角精度等特點，通過MCU的硬件PWM波即可控制，同時可以通過MCU對電機進行轉速調整、正反轉調整、使能等操作，功能強大操作難度低^[9]。42步進電機驅動電路圖如圖3所示。

    驅動電路采用LV8731V作為驅動芯片，該驅動芯片外圍電路簡單，系統(tǒng)采用兩片LV8731V芯片分別驅動X、Y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可以通過AT2/AT1控制驅動電流的大小，F(xiàn)R控制電機正反轉，OE作為使能信號。

1.4 LCD12864液晶顯示電路

    設計考慮到顯示探頭坐標位置及方便確認檢測完成等功能，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)軟件設計

    系統(tǒng)基于IAR EW430 5.5平臺，利用C語言進行軟件開發(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，找到金屬強度最大的點后，進行垂直方向掃描，最終確定金屬中心位置；(2)步進電機的小距離步進控制，由于精確檢測時，步進電機要根據(jù)金屬探測器傳回的數(shù)據(jù)進行小距離的移動，因此對電機的控制提出了較高要求。

    軟件設計主要分為快速掃描和精確檢測兩個階段?？焖賿呙栌靡源_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，開始進入“快速掃描”階段，通過蛇形方式對檢測區(qū)域進行掃描，當LDC1000的傳回值發(fā)生兩位數(shù)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。

2.1 自制線圈N形掃描

    自制線圈掃描過程中，步進電機采用PWM驅動方式，使運動變得更加柔和勻速。軟件上，結合單片機的定時器功能，實現(xiàn)勵磁信號按一定頻率不斷送出，使得步進電機勻速轉動。利用自制線圈的大范圍掃描，采用N 形方式進行掃描，檢測掃描區(qū)域內是否有金屬物體。如果檢測到金屬物體，則停止快速掃描，進入精確檢測過程。

2.2 中垂線檢測函數(shù)  

    當收到檢測到金屬物體的信號后，系統(tǒng)停止N形掃描，開始進行精確檢測，通過中垂線檢測方法，找到金屬強度最強的點，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，即金屬強度最大的鐵環(huán)上某一點。此時，進入鐵環(huán)檢測的第一階段，檢測探頭四個方向的金屬強度，金屬強度衰減最快的方向則是鐵環(huán)外側，因此應朝其反方向前進。

    第二階段，根據(jù)前進方向，選擇前進方向及其相鄰方向進行檢測。由于此時探頭已在鐵環(huán)內部，而鐵環(huán)內部的金屬強度由內到外不斷增強，此時不斷檢測探頭處的金屬強度，并向金屬強度減弱的方向前進，直到找到金屬強度最弱的點及鐵環(huán)中心。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試條件

    測試環(huán)境：電子電裝標準實驗室，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，先進行蛇形快速掃描，檢測到金屬物體后進行精確檢測，以最終停止時探頭所停留位置與硬幣或鐵環(huán)圓心的相對距離，作為測試結果進行誤差分析和改進。

    實際測試時，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種金屬物體進行3組測試，每組測試5次數(shù)據(jù)。

3.3 測試結果

    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的測試結果如表2所示。

4 結論

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

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