2020年10月14日 | 基于LDC1000的金属物体探测定位系统

　　本文设计了一种基于LDC1000的金属物体探测定位系统。以MSP430单片机作为控制核心，通过自主移动的小车携带LDC1000电感数字转换器，使LDC1000在闭合区域内全覆盖式扫描并搜索金属物体。LDC1000传感器携带的线圈在探测物体产生涡流后，等效电阻Rp可以反映位置的情况，因而可以判定出金属物体位置，并由蜂鸣器、开关电路以及彩色二极管组成的声光报警电路发出警报同时使小车停止运动。所设计的金属物体探测器搜索时间较短，定位准确。

　　1引 言

　　全球第一台金属探测器诞生于1960年。50多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术再到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。

　　传统的金属探测器是利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界环境如温度、湿度、电焊等诸因素的干扰，工作期间需要频繁的复位和调校。

　　本文介绍的基于单片机控制的智能型金属探测定位器，采用TI公司新研发的LDC1000作为传感器，提高检测精度；处理部件则采用MSP430单片机作为检测和控制核心，并利用其内部的定时器和模数转换器实现探测波形幅值的采样量化，通过数字信号处理提高系统的灵敏度和抗干扰能力；硬件则由小车和LDC1000套件组成，可自主探测指定区域内的金属体并发出声光提示，较传统金属探测仪更加智能化，应用前景更加广泛。

　　2方案设计及论证

　　2.1总体方案概述

　　本系统以MSP430单片机作为控制核心，由LDC传感模块、声光报警模块、小车以及电源通过自主移动小车控制LDC1000数字电感转换器的前进、后退和转向使LDC1000在金属框内扇形移动并搜索金属物体。定位金属物体后，由声光报警电路发出警报同时小车停止运动。其中LDC1000数字电感转换器是利用外接线圈与金属物体表面的涡流所产生的感应电磁场与线圈的电磁场相抵消的能量损耗量来间接地计算金属物体与线圈之间的位置关系。

　　2.2控制方案的选择与论证

　　方案一：采用XC9000系列的FPGA。 该种处理器具有并行处理能力，能快速的响应外部的各种数字信号，但在数字的乘除运算等处理方面不方便，且芯片昂贵。

　　方案二：采用MSP430单片机作为控制核心。 其数字运算功能较强，功耗较低，在程序相互调用方面，处理方便灵活，适合实际应用。且单片机技术发展较为成熟，价格合适。

　　方案比较：综合以上方案，结合金属物体探测定位系统的要求，方案二不仅在程序处理方面方便灵活适合实际应用，而且功耗较低，精度也完全满足应用要求，所以决定选择方案二的MSP430单片机作为控制核心。

　　2.3探测器的选择与论证

　　方案一：采用TI公司生产的电感/数字转换评估板。 LDC1000电感数字转换器提供低功耗、小封装、低成本的解决方案。它的SPI接口可以很方便的连接MCU。此外，LDC1000可以测量外部金属物体和与LDC1000相连的测试线圈的空间位置关系。利用LDC1000的此特性配以外部设计的金属物体。可以很方便的实现水平或者垂直距离检测、角度检测、位移检测和金属成分检测（合金检测）。

　　方案二：M12金属探测器。 M12金属探测器由两部分组成，即检测线圈装置与自动剔除装置，其中检测线圈为核心部分。线圈通电后会产生磁场，有金属进入会引起磁场变化，由此判断是否有金属物体。

　　方案比较：经过比较可以看出方案一中的LDC1000是集水平垂直距离检测，角度检测以及金属成分检测等功能于一体的电感数字转换评估器，可以进行角度矫正并检测出测试线圈与金属物体的空间位置关系；而方案二中的M12金属探测器虽然可以检测金属物体但其不能确定金属物体的位置且不具有角度检测的功能。因此我们选择方案一。

　　2.4自主移动方案的选择与论证

　　方案一：电脑鼠。 电脑鼠是由嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的装置。它具有稳定且快速的行走能力；正确的判断能力以及记忆路径的能力。电脑鼠功能强大但价格昂贵。

　　方案二：小车。 使用舵机控制小车可以完成自由的前进、后退和转向等动作，实现起来简单。小车可以承载LDC1000传感器在金属框内进行扇形搜索并探测定位。

　　方案比较：经过比较和分析可以看出，方案一中的电脑鼠功能强大，但其价格昂贵且自带传感器不符合题目要求；而方案二中小车承载LDC1000传感器在金属框内扇形搜索并定位金属物体的位置。此种方案方便可行且符合题目要求，因此采用方案二作为自主移动的方案。

　　3理论分析

　　LDC1000检测的原理

　　LDC1000电感的检测原理是利用电磁感应原理。在线圈中加一个交变电流，线圈周围会产生交变磁场，这时如果有金属物体（如图3-1）进入这个磁场则会在金属物体表面产生涡流。涡流电流与线圈电流的方向相反。涡流产生的感应电磁场与线圈的电磁场方向相反。涡流与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。

　　涡流产生的反方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的线圈作为次级线圈就形成了一个变压器。如图3-2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。

　　设Ls为初级线圈的电感值，Rs为初级线圈的寄生电阻。L（d）为互感，R（d）是互感电阻的寄生电阻，其中d为距离的函数。

　　交流电若只加在电感上（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，只会损耗在Rs和R（d）上。由此可知检测到R（d）的损耗就可以间接的检测到d。

　　由上可知LCD1000并不是直接检测串联电阻，而是检测等效并联电阻。

　　4电路与程序设计

　　4.1电路设计

　　4.1.1 LDC1000与MCU的连接原理

　　LDC1000与MCU的连接原理图如图4-1所示。采用了四线制SPI连接方式，MCU通过SDI连接（SDI、SDO、SLCK、CSB）实现对LDC1000的控制，以及数据读取。在SPI通信中，LDC1000扮演从机的角色。

　　4-1-2声光报警电路

　　声光报警电路图由开关电路、蜂鸣器和双色二极管组成。操作十分简单，主要由MSP430单片机控制。声光报警电路图如图4-2所示。

　　4.2程序设计

　　系统主流程图如图4-3所示。程序运行后，先进行系统初始化，I/O口初始化。后进入探测区，读取Rp值。检测数据是否异常，若数据异常，判断是否为边界值，重新读取Rp值；若数据正常，则检测是否有金属，若没有金属，则进行边界处理，重新读取Rp值，若有金属，进行声光报警并结束。

　　5系统调试及结果分析

　　5.1测试方法

　　（1）静态调试：静态调试是用户系统未工作前的硬件检查过程。首先要对表面进行检查，即对焊接后的电路板的所有连线仔细检查，通过目测查出一些明显的安装及连接错误并及时排除。

　　（2）万用表测量：测量可能短路或断路的电路，尤其要测量电源与地之间是否短路。

　　（3）加电检查：开启电源后，检查芯片的电源电压是否正确，也可以用手触摸是否有明显的发烫，所遇芯片均未发现异常，可进入下一步调试。

　　5.2数据测试及功能分析

　　5.2.1 Rp数据测量如表1所示。

　　如表所示，按照遍历整个区域的搜索方法定位的成功率很高。但是实测所得搜索所耗费的时间变化很大，这与区域扫描方法有直接关系，需要进一步的改进。

　　6总 结

　　本文设计了一种基于LDC1000的金属物体探测定位系统。以MSP430单片机作为控制核心，通过自主移动的小车携带LDC1000电感数字转换器，使LDC1000在闭合区域内全覆盖式扫描并搜索金属物体。利用单片机自身的定时中断、外部中断、计数功能控制小车的运动轨迹；实现了在50cm×50cm闭合区域内准确定位金属物体的功能。

　　此次设计的金属物体探测系统实现简单，功能稳定，使用方便，应用广泛，具有实际意义。由于时间较短，且知识有限，本次设计虽已完成，但仍有许多不足。比如不能语音播报所检测的金属物体的类型，检测范围较小等在设计中，还存在有传感器偶尔不能识别铁环、小车承载传感器对闭合区域扫描一周所用时间较长时间较长等缺点。希望以后可以通过学习和知识的积累来改良金属物体探测定位系统的性能。