0 引言

    金屬探測(cè)器作為一種常見(jiàn)的非接觸式安全檢測(cè)裝置，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及日常安檢、社會(huì)生活中有著十分廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的金屬探測(cè)器以霍爾傳感器作為探測(cè)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(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X、Y軸絲桿滑臺(tái)帶動(dòng)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(cè)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(cè)信號(hào)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(gè)掃描過(guò)程有語(yǔ)音提示，無(wú)人工干預(yù)，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描。系統(tǒng)具有較高的探測(cè)速度與精度，既方便又省時(shí)。系統(tǒng)可以應(yīng)用于火車(chē)站、碼頭和大型會(huì)場(chǎng)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(cè)，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(cè)。此外，電感數(shù)字傳感器采用線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(yǔ)音模塊四部分組成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。考慮在小范圍內(nèi)定位精準(zhǔn)位置，使用絲桿作為導(dǎo)軌制作成H型滑臺(tái)，對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行無(wú)死角掃描檢測(cè)。通過(guò)42步進(jìn)電機(jī)控制滑臺(tái)在X和Y方向上的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)。LDC1000探測(cè)器搭載于導(dǎo)軌上，隨滑臺(tái)快速掃描檢測(cè)金屬，當(dāng)LDC1000傳回的阻抗值發(fā)生突變，即兩位數(shù)量級(jí)以上的變化時(shí)，說(shuō)明探頭已接近金屬物體。此時(shí)結(jié)束快速掃描檢測(cè)，再通過(guò)探測(cè)器進(jìn)行精確測(cè)量，完成對(duì)金屬物體的定位。金屬探測(cè)器向MCU傳回?cái)?shù)字信號(hào)，MCU經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，得出探測(cè)器與金屬的相對(duì)位置，并不斷經(jīng)檢測(cè)更正，最終完成探測(cè)。同時(shí)，由于滑臺(tái)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(guò)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(cè)結(jié)束。

1.2 金屬探測(cè)器模塊電路

    LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器基于感測(cè)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(lái)探測(cè)與金屬物體的間距，而且對(duì)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(guò)軟件處理后最終確定金屬的位置。電感傳感器通過(guò)外接PCB線圈實(shí)現(xiàn)非接觸式電感測(cè)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(cè)量金屬與傳感器的距離，并且可以通過(guò)測(cè)量并聯(lián)諧振阻抗來(lái)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(guò)SPI接口可以方便地連接MCU，有效地減少了對(duì)外部驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)處理電路的依賴(lài)。金屬探測(cè)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(hào)控制SPI的讀寫(xiě)。從MCU輸出一個(gè)8 MHz時(shí)鐘信號(hào)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(hào)發(fā)出后，16個(gè)時(shí)鐘周期即可完成一次讀寫(xiě)操作。

1.3 42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)作為滑臺(tái)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)^[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(guò)MCU的硬件PWM波即可控制，同時(shí)可以通過(guò)MCU對(duì)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(dòng)電路圖如圖3所示。

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

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(cè)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(kù)，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(jiǎn)單，使用方便。采用串行連接方式，RS、RW和E三條信號(hào)線作為控制信號(hào)，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(tái)，利用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)^[10]。軟件部分以LDC1000金屬探測(cè)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(dòng)控制（快速掃描）、金屬準(zhǔn)確定位（精確檢測(cè)）、數(shù)據(jù)處理識(shí)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(shí)別是本軟件系統(tǒng)中的核心模塊。這一核心模塊分為兩個(gè)部分：(1)金屬檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理，通過(guò)中垂線檢測(cè)算法，在水平方向檢測(cè)金屬信號(hào)，找到金屬?gòu)?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(cè)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)要根據(jù)金屬探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行小距離的移動(dòng)，因此對(duì)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(cè)兩個(gè)階段。快速掃描用以確定金屬物體在檢測(cè)區(qū)域的大致位置，精確檢測(cè)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(kāi)始進(jìn)入“快速掃描”階段，通過(guò)蛇形方式對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，當(dāng)LDC1000的傳回值發(fā)生兩位數(shù)量級(jí)以上的變化時(shí)，說(shuō)明探測(cè)器已接近金屬物體，此時(shí)停止“快速掃描”，開(kāi)始“精確檢測(cè)”。

    第二階段：利用中垂線檢測(cè)算法，先對(duì)水平方向的金屬?gòu)?qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，找到金屬?gòu)?qiáng)度最大的點(diǎn)，然后以此點(diǎn)為中心，對(duì)垂直方向進(jìn)行金屬?gòu)?qiáng)度檢測(cè)，最終確定金屬物體的準(zhǔn)確位置。此時(shí)，停止檢測(cè)，顯示探頭坐標(biāo)。

2.1 自制線圈N形掃描

    自制線圈掃描過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)采用PWM驅(qū)動(dòng)方式，使運(yùn)動(dòng)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(lì)磁信號(hào)按一定頻率不斷送出，使得步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。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(cè)掃描區(qū)域內(nèi)是否有金屬物體。如果檢測(cè)到金屬物體，則停止快速掃描，進(jìn)入精確檢測(cè)過(guò)程。

2.2 中垂線檢測(cè)函數(shù)  

    當(dāng)收到檢測(cè)到金屬物體的信號(hào)后，系統(tǒng)停止N形掃描，開(kāi)始進(jìn)行精確檢測(cè)，通過(guò)中垂線檢測(cè)方法，找到金屬?gòu)?qiáng)度最強(qiáng)的點(diǎn)，即金屬物體中心。  

2.3 鐵環(huán)檢測(cè)函數(shù)

    在中垂線檢測(cè)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(cè)啟動(dòng)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(guò)中垂線檢測(cè)，因此探頭將會(huì)停留在鐵環(huán)邊緣，即金屬?gòu)?qiáng)度最大的鐵環(huán)上某一點(diǎn)。此時(shí)，進(jìn)入鐵環(huán)檢測(cè)的第一階段，檢測(cè)探頭四個(gè)方向的金屬?gòu)?qiáng)度，金屬?gòu)?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(cè)。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?gòu)?qiáng)度由內(nèi)到外不斷增強(qiáng)，此時(shí)不斷檢測(cè)探頭處的金屬?gòu)?qiáng)度，并向金屬?gòu)?qiáng)度減弱的方向前進(jìn)，直到找到金屬?gòu)?qiáng)度最弱的點(diǎn)及鐵環(huán)中心。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試條件

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

    測(cè)試儀器清單如表1所示。

3.2 測(cè)試方案

    測(cè)試采用整體測(cè)試的方案，初始化完成后，先進(jìn)行蛇形快速掃描，檢測(cè)到金屬物體后進(jìn)行精確檢測(cè)，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(duì)距離，作為測(cè)試結(jié)果進(jìn)行誤差分析和改進(jìn)。

    實(shí)際測(cè)試時(shí)，對(duì)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(cè)試，每組測(cè)試5次數(shù)據(jù)。

3.3 測(cè)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(cè)試結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

    金屬物體探測(cè)定位系統(tǒng)裝置利用基于感測(cè)技術(shù)的LDC1000電感數(shù)字傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬探測(cè)定位，采用了數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾，提高了探測(cè)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(duì)不同金屬物進(jìn)行檢測(cè)，在2 min的檢測(cè)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?xún)?nèi)。系統(tǒng)硬件電路成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可以對(duì)狹小及惡劣環(huán)境中金屬物體進(jìn)行探測(cè)，具有精度高、速度快的特點(diǎn)，結(jié)合液晶顯示和語(yǔ)音報(bào)警功能，其應(yīng)用范圍較廣。

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