金属探测定位器的设计

成都理工大学信息科学与技术学院 汤 惠 徐 涛 陈飞洋 黄 虎 林慧琼

1 引言

金属物体探头在水平放置的玻璃板上移动的环境中，设计自主移动的金属探测定位器，实现自动控制移动是系统首要解决的问题，关键在于金属物体的探测速度与精度，在软件上要求检测程序有快速高效的特点。

2 系统设计

探测的硬币、铁环的金属面积都比较小，需要小范围内的精准位置判断，使用金属滑台对检测区域进行无死角扫描检测。将传感器模块固定在H型的金属滑台，通过电机控制滑台的导轨运动，传感器随之进行金属检测。

2.1 系统整体设计

图1 系统整体设计框图

使用丝杆作为导轨制作成H型滑台，通过42步进电机控制滑台在X和Y方向上移动。LDC1000探测器搭载于导轨上，通过滑台快速扫描检测，当LDC1000的传回的阻抗值发生突变，说明探头已接近金属物体，此时结束快速扫描检测，再通过探测器进行精确测量，完成对金属物体的定位。金属探测器向MCU传回数字信号，MCU经过简单的数据处理，得出探测器与金属的相对位置，并不断经检测更正，最终完成探测。当扫描结束后，根据记录的数据，经过单片机处理后，在12864液晶屏上显示探头坐标且声-光提示检测结束。

2.2 检测方式设计

设计检测区域为50*50的玻璃板，由于金属放置位置据探测边界大等于5cm，因此实际扫描范围应是40*40cm正方形区域。LDC1000自带PCB线圈直径：d=14mm；设计扫描间隔距离：l=7mm。设计使用自制线圈N形扫描，精确检测，中垂线检测方式对铁环进行检测。

2.3 单元电路设计

金属探测模块：采用TI公司生产的AY-LDC1000电感传感器，外接PCB线圈实现非接触式电感测量，通过三线SPI接口连接MCU，同时添加CSB使能信号控制SPI的读写。从MCU输出一个8M时钟信号连接至LDC1000的TBCLK引脚作为频率计数时钟频率。在SPI通信中，片选信号发出后，16个时钟周期即可完成一次读写操作。

四二步进电机驱动电路：采用42BYGH两厢混合式步进电机和配套驱动作为滑台导轨的驱动。通过MCU的硬件PWM波控制，通过MCU对电机进行转速调整、正反转调整、使能等操作。驱动电路使用两片LV8731V芯片分别驱动XY轴两个电机。MCU向芯片的STEP输出PWM波，以此驱动电机旋转。同时MCU通过AT2/AT1控制驱动电流的大小，FR控制电机正反转，OE作为使能信号。

LCD12864液晶显示电路：显示探头坐标位置及方便确认检测完成等功能。

连接：采用串行连接方式，RS、RW和E三条信号线作为控制信号，MCU的P4口作为串行数据输出口。

3 系统软件设计

图2 程序整体流程图

第一阶段：主程序初始化完成后，开始进入“快速扫描”阶段，通过蛇形方式对检测区域进行扫描，当LDC1000的传回值发生两位数量级以上的变化时，说明探测器已接近金属物体，此时停止“快速扫描”，开始“精确检测”。

第二阶段：利用中垂线检测算法，先对水平方向的金属强度进行检测，找到金属强度最大的点，然后以此点为中心，对垂直方向进行金属强度检测，最终确定金属物体的准确位置。此时，停止检测，显示探头坐标。

4 总结

设计以自动扫描方式，在硬件上采用步进电机驱动的XY 轴丝杆滑台来带动传感器自动扫描，12864 显示扫描结果，整体电路结构清晰简单。软件利用C51 语言的高度灵活性，模块化进行软件设计。

[1]沈建华,杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京航空航天大学出版社,2008.

[2]李建玲.基于PWM的两相混合式步进电机细分驱动芯片的设计[M].西安科技大学出版社,2005.

[3]田良.综合电子设计与实践[M].东南大学出版社,2010.