2016金属物体探测定位器(B题含代码)报告

金属物体探测定位器（B题）

【本科组】

摘要：

该系统以单片机MSP430F5529单片机为控制核心，由LDC1000电感传感器探测目标物体，通过比较无目标物体处和有目标物体处传感器的返回值来确定目标物体的位置。通过单片机产生PWM控制两个轴向的小车运动，X 轴方向小车负责行扫描，Y轴方向小车负责列扫描，从而实现了固定在X轴小车上的LDC1000电感传感器探测并定位目标物体的功能，采用以LM7805稳压芯片为核心的电源电路为系统供电。

本课题所采用的电路简单，算法合理。经过实际制作和测试，完全达到了题目基本部分和发挥部分的所有要求，效果很好

关键字：LDC1000 MSP430F5529 电感检测（不超过5个）

引言

随着电子技术的进步，金属探测器从电子管、晶体管乃至集成电路，有了更新换代的发展，其应用范围几乎扩大到各个领域，对工业生产乃至人身安全起着重要的作用。目前，金属探测器大致分为两种类型：①安装在冶金、烧结、水泥、玻璃、造纸、化工、卷烟等工厂和矿山生产线的自动传送皮带上，用以检测矿石、烟草等原料中混入的废金属，保护破碎机不受损伤，此类称为“工业型金属探测器”；②随着交通、旅游、金融和娱乐事业的发展，在机场、银行、珠宝店和珠宝制造厂、贵金属加工厂等，需要对过往人员进行检测，以使贵重物品不丢失及排除危险品、枪支等，此类称为“安全型金属探测器”。它们应用广泛，效益可观。几千元一台的金属探测器就可以保护价值十几万的矿石破碎机；几万至几十万元买一套安全门式金属探测器，可以保护价值上千万元乃至上亿元的飞机及人身安全。因此对金属探测器的研究和生产引起国内外专家的高度重视。

本系统中的LDC1000是世界首款电感到数字传感器，具有低功耗，小封装，低成本的特点，它的SPI接口可以很方便连接MCU，只需外接一个PCB线圈或者自制线圈就可以实现非接触式电感检测。LDC1000的电感检测并不是指像Q那样测试线圈的电感量，而是可以测试外部金属物体和LDC1000相连的测试线圈的空间位置关系。利用LDC1000这个特性配以外部设计的金属物体即可很方便实现：水平或垂直距离检测；角度检测；位移检测；运动检测；振动检测；金属成分检测（合金检测)。可以广泛应用在汽车、消费电子、计算机、工业、通信和医疗领域。

1 系统方案

1.1比较与选择

1.1.1 机械构架选择方案

为了准确实现金属探测器可自主移动，金属物体探测定位装置的移动方式是整个设计的基础，它对整个系统的工作尤为重要。经过反复论证对比，本系统中金属物体探测定位装置采用小车移动从而带动LDC1000传感器进行扫描，而不用牙条、传送带等机械结构传动，采用小车在保证系统稳定的前提下简化了系统结构，提高了扫描速度，同时

X

Y

扫描 小车 O

旋转 电机

传感器

循迹 小车

旋转 电机

传感器

有效的降低了制作成本。

方案一：步进电机固定角度旋转及导轨小车单向往返运动扫描

将一个步进电机放在正方形铁丝框任意一角，碳素杆一端固定在该电机上，以电机为中心，以铁丝一边为X 轴（与之垂直并以电机中心轴为公共点的另一条铁丝为Y 轴），从X 轴出发，做圆弧线运动，旋转角度范围为0~90゜，固定旋转角度可设置。沿碳素杆方向有一个以碳素杆为导轨的两轮小车作为导轨小车（车身与固定导轨贯连的电动小车），该小车沿碳素杆做单向往返运动。LDC1000传感器固定在导轨小车前端，可通过步进电机旋转从而带动传感器在水平面玻璃板上做旋转扫描，当传感器旋转到边界铁丝，传感器采集信息传给单片机，单片机迅速作出判断，从而避免错误指示。步进电机固定角度旋转及导轨小车单向往返运动可实现传感器扫描检测，从而定位玻璃板上的铁丝框内任意一点，当定位指针指定在硬币（或铁圈）边沿之内，单片机发出指令，迅速进行声-光报警指示。系统结构图如图1所示。

图1 旋转扫描结构图 图2 循迹扫描结构图

方案二：循迹小车沿铁丝运动扫描

考虑到铁丝框为规则正方形，探测区域距探测边界≥5cm ，可采用循迹小车沿铁丝运动。在小车车身顶端固定一个步进电机，碳素杆一端固定在该电机上，碳素杆另一端固定LDC1000传感器，碳素杆长度>25cm 。小车沿铁丝运动过程中，传感器探头由电机带动做圆弧形运动。同样当传感器旋转到边界铁丝，传感器采集信息传给单片机，单片机迅速作出判断，从而避免错误指示。循迹小车前端固定两个LDC1000传感器，一个位于铁丝圈内部，一个位于铁丝圈外部，用于保障小车沿铁丝水平运动及转向。当探头

X

Y

Y 轴 小车

O

X 轴

小车

传感器

检测到金属物体，关闭小车前端传感器，小车进入到铁丝框以内迅速定位并进行声-光报警指示。系统结构图如图2所示。

方案三：平行于X 、Y 轴的导轨小车进行行列扫描

该设计采用平行于X 、Y 轴的导轨小车作为探测定位装置的主体构架，用平行于Y 轴的坦克小车作为双导轨小车（简称Y 轴小车），将碳素杆一端固定在Y 轴小车车身顶端，沿碳素杆方向有一个以碳素杆为导轨的两轮小车作为平行于X 轴的导轨小车（简称X 轴小车），X 轴小车沿碳素杆做单向往返运动。为了保证系统稳定，Y 轴小车根据控制算法确定运动一定距离后停下等待，当 X 轴小车进行行扫描回到该行起点，Y 轴小车继续按照控制算法前进，如此重复执行上述过程即可完成整个行列扫描。通过传感器探头检测到边界铁丝时，传感器采集信息传给单片机，单片机迅速判断小车的位置并发出控制指令。当进行行扫描时，中途检测到金属物体，单片机控制X 轴小车停下，同时迅速定位并进行声-光报警指示。系统结构图如图3所示。

图3 行列扫描结构图

方案一中用于旋转的步进电机固定，因而结构更为稳定，扫描方式更简单，但是存在步进电机固定旋转角度时旋转速度较慢，用直流电机又不容易控制速度的问题。方案二结构简单小巧，便于用于小范围探测，因而实用性更强，但是控制算法相对过于复杂，探测灵敏度相对较差。

经过实验论证与分析，在满足题目要求的情况下，方案三采用行列扫描，使用导轨小车可以提高金属物体探测定位装置的稳定性。同时导轨小车速度相对较快，可以减少扫描过程的时间。另外，由于导轨平行于铁丝，，便于判断小车的位置，同时更容易区分铁丝与检测物体。故本系统采用方案三的机械架构进行扫描。

1.1.2 电机选择方案

在上述机械架构方案三中，对于导轨小车正常高效运动，电机的选择至关重要，。电机的种类有很多，在智能小车制作中用得最多的是步进电机、舵机、和直流电机，根据不同选择，选择合适的电机。

方案一：步进电机。步进电机可将电脉冲信号转变为角位移，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此，不但控制精度高，而且简单可靠。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或停止。

方案二：舵机。舵机的转动位置是内部反馈的，位置和频率呈线性关系，因此给一个固定频率的PWM 波，舵机就会转到一个特定的位置，无需驱动电路，绝对式的系统，无论来回多少次，都不会有误差累积。但是其价格较贵，此外，舵机的转动需要时间较长，速度较慢。不能满足题目的转动速度要求。

方案三：采用直流减速电机。直流减速电机具有体积小，重量轻，力矩大，控制能力强，结构紧凑，运行可靠等优点，可实现直流电能和机械能互相转换，具有优良的调速特性，调整范围广，过载能力强，能承受较大重物。一般用在低速大扭矩场合，步进功率小，非常实用于控制坦克小车从而进行精确定位。故本系统采用方案三。 1.2 方案描述

根据题目的要求，设计任务是通过使用TI 公司生产的LDC1000传感器进行电感检测来判断待检测金属的位置并进行声-光报警指示。为了完成上述功能，将整个系统设计为三个基本模块，电机控制模块，扫描检测与信号采集模块和定位显示模块，其中电机控制模块由稳压电源电路，L298驱动电路，光耦隔离电路三部分组成，扫描检测与信号采集模块由X 轴小车，Y 轴小车及其导轨构成的扫描载体和LDC1000传感器构成的金属物体探头组成，定位显示模块包括声-光报警电路。整个系统的总体框图如图 4 所示：

图4 系统总体框图

MSP430F5529

单片机

X 轴小车

Y 轴小车

L298驱动

LDC1000 传感器

连杆导引 固定 连接

本系统核心模块是扫描检测与信号采集模块，机械构架的稳定性决定了金属物体探头采集信号的精确度，采用平行于X、Y轴的导轨小车进行行列扫描的机械结构具有很好的稳定性，结构和控制算法相对较为简单，

2理论分析与计算

2.1 探测器组成方案与工作原理分析

LDC1000的电感检测原理是利用大学物理中讲到的电磁感应原理。在PCB线圈或者自制线圈（如图16左边）中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时如果有金属物体（如图16右边）进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流（感应电流）。涡流电流跟线圈电流方向相反，涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属物体的距离，大小，成分的函数。

图16 电感的感应

涡流产生的反向磁场跟线圈耦合在一起，就像是有另一个次级线圈存在一样。这样LDC1000的线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，就形成了一个变压器。如图17所示，由于变压器的互感作用，在初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数。

图17 互感

上图中Ls 是初级线圈电感值，Rs 是初级线圈的寄生电阻。L(d)是互感值，R(d)是互感的寄生电阻，括号中用d 是因为它们是距离的函数。

交变电流如果只加在电感上（初级线圈），则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这时将一个电容并联在电感上，由于LC 的并联谐振作用能量损耗大大减小，能量只会损耗在Rs 和R(d)上。如下图所示。可以看出检测到R(d)的损耗就可以间接的检测到d。

2.2 检测与控制算法

上电后，先检测传感器返回的数值并保存，以应对不同环境下传感器返回数值不同的情况，然后让传感器运动到探头进入区的最左边，然后开始行扫描，行扫描时实时检测是否到了边界，若检测到边界，则迅速停下，完成一次行扫描；X轴每扫描完一行后,Y 轴小车向前走一定距离，依次循环，当检测到目标物体后，在目标物体大致范围内进行精细扫描，根据测试传感器的经验，当传感器在目标物体的圆心处时，传感器返回的值是最大的，故可精细扫描检测最大值，然后在最大值处停住，既可准确定位目标物体。

3 电路与程序设计

3.1 电路设计

3.1.1 L298N电机驱动电路

3.2 程序结构与设计

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案及测试条件

4.2 测试结果

4.3 测试结果分析

通过对不同区域的测试发现：当在离初始位置远的区域探测并定位时，所花时间比离初始位置近的区域多，说明此算法还有改进的空间

5 总结

参考文献

[1] 作者，文献名称，出版社，出版年月

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次数

时间(秒) 区域1角

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铁环

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铁环

第二

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铁环

第三

次

A40 55 51 53 48 52 81 83 86 B38 42 43 45 49 43 85 78 89 C70 74 77 68 65 72 98 95 93 D66 65 70 71 78 68 100 103 97

附录：

1.实物图