基于單片機(jī)的金屬探測定位器設(shè)計(jì)

陶　醉，陳希平，王　琳

（中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江杭州310018）

基于單片機(jī)的金屬探測定位器設(shè)計(jì)

陶醉，陳希平，王琳

（中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江杭州310018）

摘要：以STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控制器，采用TI公司LDC1000數(shù)字/電感轉(zhuǎn)換器作為金屬探測模塊，通過步進(jìn)電機(jī)控制掃描角度和金屬探測傳感器的移動，從而實(shí)現(xiàn)金屬探測區(qū)域的全方位掃描與探測，通過LCD顯示器顯示探測位置，當(dāng)檢測到金屬時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警提示。該系統(tǒng)具有檢測精度高、檢測速度快、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：金屬探測定位器；LDC1000；STM32F103ZET6單片機(jī)；電機(jī)控制；掃描

1　引言

金屬探測定位器是專門用于探測金屬類物質(zhì)的儀器，開始主要應(yīng)用于探雷和探測地下金屬，經(jīng)發(fā)展已應(yīng)用于反恐、旅行安檢、冶金、藥品和食品等方面的質(zhì)量與安全檢測。根據(jù)設(shè)計(jì)制造原理金屬探測定位器可分為差頻式、脈沖感應(yīng)式、耗能式和平衡式［1］等多種類型。傳統(tǒng)的金屬探測定位器易受環(huán)境因素影響，檢測精度較低。提高金屬探測定位器的精度、穩(wěn)定性及其智能性，具有十分重要的理論和實(shí)際意義［2］。

本文采用TI公司LDC1000數(shù)字/電感轉(zhuǎn)換器作為檢測傳感器，其輸出通過SPI接口傳送到單片機(jī)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)金屬探測區(qū)域的全方位掃描，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理后輸出到LCD顯示器顯示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，主要包括金屬檢測模塊、STM32F103ZET6單片機(jī)模塊、電機(jī)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、電源模塊等。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2.1控制器

采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制器。STM32F103ZET6是32位處理器，使用高性能的ARM CortexTM-M3內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)部資源豐富，包括SRAM、I/O接口、ADC、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、PWM、多種通信接口等，具有控制功能強(qiáng)、速度快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)［3］。

2.2金屬檢測模塊

金屬檢測模塊采用TI公司的LDC1000電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，外接一個PCB線圈或者自制線圈以實(shí)現(xiàn)非接觸電感檢測。LDC1000利用電磁感應(yīng)原理，在PCB線圈或自制線圈中加上交變電流，線圈周圍會產(chǎn)生交變電磁場，如果有金屬物體進(jìn)入電磁場，則會在金屬表面產(chǎn)生渦流（感應(yīng)電流）。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場與線圈的電磁場方向相反。渦流是金屬物體的距離、大小、成分的函數(shù)。利用LDC1000的這個特性配以外部設(shè)計(jì)的金屬物體就可以很方便地實(shí)現(xiàn)水平或垂直距離檢測、角度檢測、位移檢測、運(yùn)動檢測、振動檢測、金屬成分（合金）檢測。LDC1000的SPI接口可以很方便的連接MCU，具有功耗低、成本低、小封裝等特點(diǎn)［4］。單片機(jī)通過四線SPI接口（SDI、SDO、SCLK、CSB）實(shí)現(xiàn)對LDC-1000的控制以及數(shù)據(jù)讀?。?］，LDC1000與單片機(jī)的電路連接原理圖如圖2所示。

圖2　 LDC1000與單片機(jī)連接電路原理圖

在連接LDC1000時(shí)，如果不將LDC1000的線圈和芯片部分分開，則需要較長的杜邦線來連接，而長的杜邦線會影響SPI通信，但是如果將線圈和芯片部分分開，較長的杜邦線則會改變線圈的電感值，從而影響諧振頻率，影響金屬探測，因此，在單片機(jī)和金屬探測模塊之間增加了三態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動器74HC244。

2.3電機(jī)控制模塊

2.3.1電機(jī)控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用兩個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，分別為外徑為57mm的電機(jī)1和外徑為42mm的電機(jī)2。探測器從轉(zhuǎn)角和徑向兩個方向進(jìn)行探測，在電機(jī)1上固定一個平板，在平板上固定一個可以轉(zhuǎn)動的軸，通過電機(jī)1控制掃描角度θ；在軸上固定一個滑桿，滑桿上安裝傳感器LDC1000，通過滑輪上電機(jī)2的轉(zhuǎn)動帶動滑桿在徑向方向上運(yùn)動，控制掃描半徑r。LDC1000每次軸轉(zhuǎn)過一定的角度，便掃描一次，當(dāng)軸從一個邊緣到另一個邊緣時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了整個區(qū)域的掃描探測。其簡化結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　探測器電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

2.3.2電機(jī)驅(qū)動控制

電機(jī)驅(qū)動采用二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器L298N集成模塊，其內(nèi)部包含4通道驅(qū)動電路，內(nèi)含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V/2A以下的電機(jī)，直接對電機(jī)進(jìn)行控制，無需隔離電路。由單片機(jī)的I/O接口控制L298N，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止的控制，其連接電路如圖4所示。

圖4　電機(jī)驅(qū)動電路圖

2.3.3步進(jìn)電機(jī)的步距角與轉(zhuǎn)速

采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，其步距角β的計(jì)算如式（1）所示。

其中：Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m為定子繞組相數(shù)，K為通電系數(shù)，前后通電相數(shù)一致時(shí)K=1,否則K=2。

步進(jìn)電機(jī)1采用32細(xì)分，其步距角為β1=1.8° 32=0.05625°。步進(jìn)電機(jī)2采用8細(xì)分，其步距角為β2＝＝0.225°。

當(dāng)定子控制繞組按著一定順序通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。設(shè)電流的頻率為f（單位為Hz），步距角為β（單位為弧度），則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n（單位為轉(zhuǎn)/s）的計(jì)算式如式（2）所示。

2.4顯示與報(bào)警模塊

單片機(jī)外擴(kuò)液晶顯示器LCD1602用于顯示檢測到的金屬位置及其相關(guān)參數(shù)，外擴(kuò)LED燈和蜂鳴器用于檢測到金屬時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警［5］，其電路圖如圖5所示。

2.5電源供電模塊

步進(jìn)電機(jī)需要24V的供電，STM32F103ZET6需要3.3V的供電，芯片大部分為5V供電，因此，整個系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)24V、5V、3.3V電源。220V交流電通過整流橋轉(zhuǎn)換成脈動直流，經(jīng)濾波后分別通過W7824、W7805穩(wěn)壓后提供24VDC、5VDC電源，采用AMS1117將5V的電壓轉(zhuǎn)化為3.3VDC電源。

3　軟件設(shè)計(jì)

圖5　單片機(jī)擴(kuò)展顯示器與報(bào)警器連接電路圖

軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、LDC1000檢測、電機(jī)驅(qū)動與控制、顯示位置參數(shù)與聲光報(bào)警等部分［6］。上電后，金屬探測器開始工作，循環(huán)檢測是否遇到金屬物體。電機(jī)工作，傳送探測頭直到桿中心，開始θ角度的變換，檢測到金屬物件第一次記錄為IN1標(biāo)記。當(dāng)再次檢測到標(biāo)記時(shí)，存在兩種情況：已檢測到金屬或未檢測到金屬。檢測到邊框時(shí)調(diào)小扇形檢索速度，進(jìn)行回轉(zhuǎn)檢索，判斷LDC1000檢索最大電阻值。若電阻值接近第一次檢索金屬大小，則為上述狀態(tài)二——未檢測到金屬；然后調(diào)整檢測速度恢復(fù)為較大檢索速度，重新進(jìn)行檢索。若電阻值偏大于第一次檢索金屬大小，則為上述狀態(tài)一——已檢測到金屬，此時(shí)逐步減小檢索速度，找到電感強(qiáng)度最大點(diǎn)，則為被測金屬中心，檢索完成，聲光報(bào)警提示用戶，計(jì)算被測金屬中心位置并顯示。程序流程圖如圖6所示［6］。

圖6　程序流程圖

4　結(jié)束語

通過對第五套人民幣1角硬幣、1元硬幣及自制圓鐵環(huán)的測試，結(jié)果如下：1角硬幣的中心位置誤差為1.9mm，平均檢測時(shí)間為62.2s；1元硬幣的中心位置誤差為2.4mm，平均檢測時(shí)間為72.8s；自制鐵環(huán)的中心位置誤差為2.8mm，平均檢測時(shí)間為92.7s。

該測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有金屬探測定位精度較高、檢測速度快、穩(wěn)定性較好、檢測無死角、性價(jià)比高等特點(diǎn)；本系統(tǒng)可從規(guī)定范圍（50cm范圍）內(nèi)的任意位置開始掃描測量，通過LCD顯示器顯示探測到金屬的中心位置，當(dāng)檢測到金屬物并定位后，系統(tǒng)通過聲光報(bào)警提示用戶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。探測器在較近距離時(shí)對金屬物體的檢測效果好，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的金屬材質(zhì)及結(jié)構(gòu)合理設(shè)定探測距離和程序初始值。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐逢秋，許賢澤，樂意，李忠兵.多功能墻體探測儀的設(shè)計(jì)方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（10）：2191－2197.

［2］黃勇.金屬探測器的研究與設(shè)計(jì)［D］.華南理工大學(xué)，2010.

［3］劉火良等.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［4］LDC1000數(shù)據(jù)手冊.http：／www.hpati.com.

［5］楊維祎，郭穎，王雪峰，曲弘揚(yáng).基于TI杯電子競賽的金屬探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.國外電子測量技術(shù)，2015，34 （2）：54－56.

［6］蒙博宇.STM 32自學(xué)筆記（第二版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

The design of metal detector and locator based on SCM

TAO Zui，CHEN Xi－ping，WANG Lin

（College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：The system uses STM32F103ZET6 as the controller and uses the TI company LDC1000 digital／inductive converter as the metal detection module.With the radial movement of metal detection sensor and the angle scanning control of the stepper motor，the system realizes the full range scanning and detecting for the metal detection area.The LCD display shows the detection position，and when metal is detected，the system will alarm by sound and light.The system has many features such as high precision，fast detection，high performance－price ratio etc..

Key words：metal detector and locator；LDC1000；STM32F103ZET6 microcontroller；motor control；scanning

中圖分類號：TP73

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）05—0045—04

作者簡介：

陶醉（1993－），男，在讀本科生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用及通信技術(shù)等。

收稿日期：2015－06－03