基于MSP430智能金屬檢測(cè)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李珂，郭穎，付玉祥

（1.遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順　113001；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 遼寧 撫順　113008）

基于MSP430智能金屬檢測(cè)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李珂1，郭穎1，付玉祥2

（1.遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司 遼寧 撫順113008）

現(xiàn)在的金屬探測(cè)器多為手持式探測(cè)器，操作復(fù)雜且精準(zhǔn)度不高，在使用時(shí)有一定危險(xiǎn)性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以智能自主小車(chē)為載體對(duì)某一區(qū)域范圍進(jìn)行金屬檢測(cè)，并進(jìn)行報(bào)警和坐標(biāo)顯示。本設(shè)計(jì)以MSP430F5438A為核心，配以金屬檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、速度測(cè)量電路、聲光報(bào)警電路等外設(shè)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)未知區(qū)域的進(jìn)行全自主、高精度的金屬檢測(cè)。

DY-LDC1000；MSP430單片機(jī)；自主探測(cè)；坐標(biāo)定位

目前市面上的金屬檢測(cè)系統(tǒng)，往往只能實(shí)現(xiàn)金屬檢測(cè)與報(bào)警功能，且操作復(fù)雜、精度不高。并且在硬件設(shè)計(jì)上，傳統(tǒng)金屬檢測(cè)系統(tǒng)采用模擬電路對(duì)金屬進(jìn)行檢測(cè)，將模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，濾波放大處理，然后由中央處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，閾值判斷，相應(yīng)處理等操作。整個(gè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號(hào)耦合節(jié)點(diǎn)多，噪聲干擾嚴(yán)重，精度差，電子元件多，電氣性能匹配設(shè)計(jì)復(fù)雜。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用DY—LDC1000全數(shù)字芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，代替了原有的信號(hào)采集系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，并配以智能小車(chē)模板為載體平臺(tái)、全自動(dòng)參數(shù)調(diào)整、全自主無(wú)死角探測(cè)、高精度定位顯示、智能報(bào)警等功能，全自動(dòng)高速檢測(cè)系統(tǒng)提高了工作效率，為以后安裝在自動(dòng)化流水線上奠定了基礎(chǔ)。

1　智能金屬檢測(cè)定位系統(tǒng)原理

1.1金屬檢測(cè)原理

金屬檢測(cè)的的原理：當(dāng)金屬探測(cè)線圈金屬檢測(cè)時(shí)，線圈受到高頻信號(hào)作用［1］，產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，當(dāng)有金屬靠近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，此時(shí)探測(cè)線圈的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。線圈之所以能探測(cè)到金屬物體的存在是因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的變化，通過(guò)電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)判斷距離金屬與線圈之間的距離，從而判斷附近有無(wú)金屬。

1.2定位系統(tǒng)原理

自主小車(chē)在前進(jìn)的過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字編碼器測(cè)量自主小車(chē)的實(shí)時(shí)X軸，Y軸車(chē)速，實(shí)時(shí)把測(cè)量值傳送到微型控制器，微型控制器把數(shù)字編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運(yùn)算計(jì)算出相應(yīng)的X軸與Y軸的坐標(biāo)值，并記錄到相應(yīng)寄存器內(nèi)，再傳送到緩存器中，當(dāng)檢測(cè)到有金屬時(shí)把此時(shí)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)LCD12864顯示出來(lái)。自主掃描模型如圖1所示。

圖1　智能金屬探測(cè)器自主掃描模型

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1探測(cè)傳感器選擇

本設(shè)計(jì)采用DY—LDC1000作為金屬探測(cè)傳感器。DY—LDC1000芯片采用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，并具有低功耗，小封裝，低成本的優(yōu)勢(shì)。LDC1000經(jīng)常用來(lái)水平或垂直距離檢測(cè)、角度檢測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、震動(dòng)檢測(cè)、金屬成分鑒定［2］。它的SPI接口可以很方便的連接到MCU。LDC1000采用了四線制SPI連接方式，MCU通過(guò)SPI連接實(shí)現(xiàn)了對(duì)LDC1000的控制，以及參數(shù)的讀取。LDC1000與MCU硬件連接連接如圖2所示。

圖2　LDC1000與MCU的硬件連接圖

2.2微型處理器選擇

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要MCU對(duì)多種中斷指令進(jìn)行處理，SPI總線通信，大量數(shù)據(jù)寄存，數(shù)據(jù)運(yùn)算算法復(fù)雜，多路定時(shí)，多路PWM輸出［3］，以及多通道數(shù)據(jù)信號(hào)讀寫(xiě)，因此選用MSP430F5438A。單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有看門(mén)狗、模擬比較器 A、定時(shí)器A0、定時(shí)器A1、定時(shí)器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘［4］。選用MSP430F5438A芯片作為微型處理器。

2.3坐標(biāo)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的坐標(biāo)顯示模塊，選用液晶JLCD12864。LCD12864液晶顯示器可以進(jìn)行3線串口通信也可以進(jìn)行8線并口通信，顯示器內(nèi)部自帶中文字庫(kù)，顯示信息量大，可以同時(shí)顯示漢字、字母、數(shù)字、圖片，而且與 MCU連接方便靈活、程序操作指令簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。LCD12864與控制器硬件連接如圖3所示。

圖3　LCD12864與MSP430F5438A硬件連接圖

2.4位移檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)編碼器測(cè)量自主小車(chē)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向［5］，編碼器輸出頻率相同的兩路方波信號(hào)，當(dāng)正傳時(shí)A相信號(hào)超前B相信號(hào)，當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)B相信號(hào)超前A相信號(hào)，頻率作為角度測(cè)量。其中左編碼器的A線、B線分別連接MSP430F5438A的P8.0、P8.1端口，右編碼器的A、B線分別連接P8.2、P8.3端口。

2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本探測(cè)系統(tǒng)中采用微型直流電機(jī)作為自主掃描的動(dòng)力系統(tǒng)，L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

在L298N使用過(guò)程中VCC連接+5 V，+VSS連接5-12 V供電電壓，本系統(tǒng)連接6 V電壓，EN A與EN B分別連接兩路PWM信號(hào)，分別控制兩路電機(jī)轉(zhuǎn)速。IN1、IN2控制電機(jī)1的正反轉(zhuǎn)，IN3、IN4控制電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)。

2.6聲光報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)聲光報(bào)警系統(tǒng)采用發(fā)光二管和蜂鳴器相結(jié)合報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到金屬時(shí)，單片機(jī)在P5.0口產(chǎn)生一個(gè)30HZ的脈沖信號(hào)使二極管閃爍，P5.1產(chǎn)生一個(gè)低電平使蜂鳴器發(fā)出聲報(bào)警。電機(jī)驅(qū)動(dòng)，報(bào)警電路與控制器硬件連接如圖4所示。

3　軟件程序設(shè)計(jì)

3.1平臺(tái)自主檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

自主掃描程序設(shè)計(jì)的控制算法如下：

直線行駛矯正算法：利用左右兩輪編碼器傳送給MSP430F5438A的脈沖信號(hào)，對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量、對(duì)比，若兩者頻率相同，則走直線［6］，若不同自動(dòng)減少頻率高的那側(cè)電機(jī)控制信號(hào)PWM的占空比，直到兩個(gè)編碼器傳送的脈沖信號(hào)相同。

圖4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)和報(bào)警電路與MCU連接圖

小車(chē)初始方向矯正算法：利用角度傳感器向單片機(jī)傳送的信號(hào)與原定的方向信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定方向偏移差，單片機(jī)向一側(cè)電機(jī)輸出PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，直到和原始方向數(shù)據(jù)一致。

調(diào)頭的角度控制與掉頭的輪距差控制算法：當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎調(diào)頭信號(hào)時(shí)［7］，單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使得內(nèi)側(cè)輪子反轉(zhuǎn)，外側(cè)輪子正轉(zhuǎn)，當(dāng)角度傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)90度時(shí)，單片機(jī)對(duì)電機(jī)控制信號(hào)調(diào)整，使得兩個(gè)輪子都正轉(zhuǎn)，當(dāng)編碼器傳送來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算后達(dá)到輪距差（時(shí)，單片機(jī)對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)調(diào)整，使得內(nèi)側(cè)輪子反轉(zhuǎn)，外側(cè)輪子正轉(zhuǎn)，當(dāng)角度傳感器再次檢測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)90度時(shí)，單片機(jī)對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)調(diào)整，使兩個(gè)輪子同時(shí)正轉(zhuǎn)。整個(gè)平臺(tái)完成了調(diào)頭，并達(dá)到相應(yīng)的輪距差。

自主掃描子程序流程如圖5所示。

圖5　平臺(tái)檢測(cè)程序流程圖

3.2金屬檢測(cè)及坐標(biāo)顯示程序?qū)崿F(xiàn)

對(duì)LDC1000進(jìn)行初始化寫(xiě)入，設(shè)置金屬檢測(cè)閾值，設(shè)置讀取數(shù)據(jù)其工作方式為中斷方式，即當(dāng)芯片檢測(cè)值大于相應(yīng)閾值時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器中，掃描程序進(jìn)入微調(diào)階段，讀取LDC1000數(shù)據(jù)并寄存數(shù)據(jù)，與寄存器數(shù)據(jù)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)數(shù)據(jù)最大時(shí)平臺(tái)停止掃描，并把此時(shí)的運(yùn)算得到的位置坐標(biāo)傳送到液晶顯示芯片中。金屬探測(cè)及坐標(biāo)顯示子程序流程如圖6所示。

圖6　檢測(cè)報(bào)警及坐標(biāo)顯示程序

4　實(shí)物測(cè)試，及達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)硬件連接軟件調(diào)試后，本設(shè)計(jì)以自主小車(chē)為載體平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)600*600mm區(qū)域內(nèi)的金屬自主探測(cè)，坐標(biāo)顯示，智能聲光報(bào)警。分別對(duì)不同尺寸（金屬直徑）金屬作了100次試驗(yàn)得到的結(jié)論如表1所示。

表1　性能參數(shù)

實(shí)物效果如圖7所示。

圖7　實(shí)物效果圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)介紹了一種廉價(jià)高精度智能金屬檢測(cè)定位系統(tǒng)，能夠適用于工業(yè)流水金屬檢測(cè)、行李安全檢測(cè)、地質(zhì)金屬礦檢測(cè)等領(lǐng)域。

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Design of intelligent metal detecting and positioning system based on MSP430

LI Ke1，GUO Ying1，F(xiàn)U Yu-xiang2
（1.School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China；2.PetroChina Company Fushun Petrochemical Company，F(xiàn)ushun 113008，China）

Now most of the metal detectors are hand-held，which operation is complex and precision is not high，and it has certain risk at the time of using it.The metal detection for a certain area is achieved in the system design，which uses car as the carrier.It can alarm and show the coordinate.The design with MSP430F5438A core，metal detecting circuit，signal conditioning circuit，speed measurement circuit and acousto-optic alarm circuit，etc.，realizes independent testing and high precision for the unknown area.

DY-LDC1000；MSP430 MCU；independent testing；coordinate positioning

TN6

A

1674－6236（2016）06-0149-03

2015-04-29稿件編號(hào)：201504311

李 珂（1993—），男，河南南陽(yáng)人。研究方向：智能儀器，精密測(cè)控，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)。