自主移动式金属探测器的设计

刘璐玲　陈里

[摘要]电磁感应型金属探测器是金属探测技术中最常用的一种遥控的、短程感测仪器，它能够实现在灰尘、污垢、油和潮湿等恶劣环境中金属目标的低成本、高分辨率感测。文章设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器，采用单片机与数字电感转换器（LDC）为核心，通过对数字电感转换器（LDC）检测到的数据进行分析处理后驱动电机移动，可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示，实现了低成本、快速、精确、高效的金属物体探测与定位。

[关键词]金属探测；LDC1000；自主移动

[DOI]1013939/jcnkizgsc201550046

1引言

近年来，自动化生产线大量使用于各类加工厂，而原料中混入的金属容易造成火灾或机器故障，因此金属探测器成为这类生产线上必不可少的设备。[1]在机场、大型运动会、珠宝店等领域，金属探测器作为安全检测的重要手段，发挥着排除违禁物品、维护安全、防止贵重物品丢失的作用。此外，金属探测器还用于军事上的探雷以及地下金属探测。根据原理和检测线路的不同，常用的金属探测装置大多可分为差拍式、自激感应式、耗能式和平衡式四种类型。[2]传统的金属探测器，容易受到灰尘、水分、湿度等因素的干扰，导致检测精度和探测器智能化程度低，实时运行参数不能直接显示，系统的维护不够方便，直接影响了人员的使用和测试的结果。

本文基于2014年8月全国大学生电子设计大赛湖北赛区的赛题来展开研究，设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器，可探测置于某特定区域的金属物体并给出定位指示。该特定区域用直径为Φ2（mm）的铁丝围成约50cm×50cm的正方形闭合框作为探测区边界，上面放置有机玻璃板，探测器可在该玻璃板上自主移动，且探测器上设计有定位指针，以给出明显定位指示。

2设计方案的比较与选择

整个系统采用模块化设计方式，系统结构如图1所示。主要包含电源模块、控制模块、金属探测模块、电机驱动模块和电机定位模块五大部分。为了防止自主运动模块之间互相干扰、数据传输紊乱，本文利用主从控制結构来分别处理两种数据，通过中断方式实现联动控制，提高检测的速度与效率。[3]

21主控模块方案选择

主控模块1采用单片机STM32F103，它是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核，以 16 位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。主控模块2采用单片机ATmega328，它是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，可以达到接近1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。与传统的51系列单片机相比，这两种单片机速度更快，功耗更低，操作简便快捷，能较好地完成本系统的操作要求。

22金属探测方案选择

常用的金属探测主要有三种方式：电磁感应检测、X 射线检测与微波检测。而电磁感应方式是金属探测器中应用最广泛的一类。本文选择美国TI公司生产的LDC1000作为金属探测模块，它实际上是一个特殊的模数转换器（ADC）外接一个传感线圈。利用电磁感应原理，在传感线圈中加上交变电流时，线圈周围就会产生交变磁场。如果有金属物体进入磁场，金属表面将产生涡流。该涡流电流跟传感线圈的电流方向相反，产生的磁场与线圈产生的也相反。因此，涡流是金属物体距离、大小、成分的函数。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一样。这样LDC1000的传感线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，就形成一个变压器。由于变压器的互感作用，通过初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数。当待测金属物体作为次级线圈接近时，LDC1000的电感系数发生相应的变化，对这一变化进行计算便可基本确定金属物体的位置。理论上其感应信号最大的地方为它的中心，再利用程序给定精确的定位，使传感器上的标志指针指向金属物体的中心。[4]

23探测模块自主移动方案选择

由于待测区域为特定方形区域，本文采用在该区域上方搭建简易XY轴二维滑台来实现探测器的自主移动。考虑到步进电机精度高，惯性小，在不失步的情况下没有步距误差积累，特别适用于数字控制的定位系统，因此本文设计由两个步进电机在主控模块2的控制下带动X轴、Y轴皮带进行运转。整体结构如图2所示。

在金属探测的过程中，探测模块在Y轴皮带的带动下完成垂直方向的扫描，扫描完成之后，经由X轴方向皮带带动探测器前进或后退某一段距离（行程距离由主控模块2的程序设置），再进行对应Y轴的扫描，从而完成了整个区域的扫描。此方案中金属探测器是逐步扫描没有盲区，不会因为电机的抖动而产生偏移，因此能满足设计的精度要求。

考虑到二维滑台只能在50cm×50cm的范围内滑动，而步进电机在控制的过程中是脉冲计数。通过测试可得完成一个轴的脉冲个数是32000个脉冲，步进电机走一步是1600个脉冲，故完成一个轴需要20步。由于探测器线圈厚度为25cm，可以将其分为20等份，每次步进电机向前走一步即可完成整个区域的扫描[5]。

24电机驱动方案选择

传统的电机细分驱动电路由细分环行分配器、放大器和合成器等部分组成，电路结构复杂，灵活性差。本文选择A3967SLB作为步进电机微控芯片，使步进电机的控制实现更加简化。它是一款PWM恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器，一片A3967SLB驱动一台二相步进电机，可实现8细分驱动。芯片内部的PWM电流控制电路可通过加在PFD的电压设置为慢、快、混合三种电流衰减模式。它还能提供完善的保护措施，包括抑制瞬态电压、过热保护、防止电流直通、欠电压自锁等功能。此外，A3967SLB与单片机之间不需要附加其他的接口电路，将8条控制线减少了2条（步长和方向），因此只要简单地输入控制步进电机的脉冲，其内嵌的转换器就可以实现对步进电机的控制。

3硬件电路设计

31单片机与LDC1000连接电路设计

单片机采用四线制SPI的连接方式与LDC1000相连，通过SDI、SDO、SCLK、CSB这四个引脚实现对LDC1000的控制与数据的传输。连接电路如图3所示。在本设计中，LDC1000充当的是从机[4]。

32电机驱动电路设计

在本设计中，A3967SLB还需要一些电容、电阻来调整其工作参数，整个驱动电路如图4所示。其中，电机运转方向的选择线与步长线DIR、STEP接单片机的通用I/O口，OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B接步进电机。

4软件程序设计

主程序流程如图5所示，上电后程序进入运行状态。Y 轴滑台进入扫描状态，在一次扫描后，如果检测到金属物体就直接进入检测响应；若没有检测到金属物体就控制 X 轴滑台前进一定距离，Y 轴滑台开始反向扫描，再次进行判断。如果检测到金属物体则进入响应，没有检测到金属物体，则控制 X 轴滑台继续前进一段距离，开始新一轮Y轴滑台的正向扫描，直到检测到金属物体或扫描完整個区域。

5测试与分析

检测到金属物体的时间与精度是本设计需要测试的两方面内容。其中，检测到金属物体的时间是指从探测模块开始扫描到检测到金属物体后停止扫描所用的时间。对检测时间的测试，考虑最恶劣的情况，即探测模块与金属物体在二维滑台的对角线上，此时扫描时间最长。对于精度的测试，一角硬币要求定位指针指向硬币边沿以内，而对于一元硬币和铁环则要求测试定位指针与物体中心的距离满足要求。为了便于测试，在一元硬币上以中心为圆心，5mm 为半径的区域内涂上黑色，铁环则粘贴在一张标有半径为20mm 的圆形区域的白纸上，铁环中心与圆心重合。整个系统实物如图6所示。

图6系统实物

下表所示的是金属探测模块分别从四个对角出发，扫描整个二维滑台所需要的时间。由于自制二维滑台的滑竿并不能保证完全的平行，所以从对角线的两端分别扫描的时间存在一点的误差，但是都满足设计要求。

对于检测精度，通过目测就可以判断出检测一角硬币时定位指针在硬币边沿以内，一元硬币和铁环的中心与定位指针偏差在5mm以内。因此，整个设计在检测时间与检测精度上基本满足设计要求。

本设计采用单片机与LDC1000作为金属探测系统的主要部件，系统的检测精度、速度、性能大幅度提高；采用扫描式的机械结构，实现检测无死角，且只需要对单片机程序进行适当修改就可实现系统的调试与扩展，应用与推广性良好。

参考文献：

[1] 张泉泉纤维材料加工中金属探测系统研究[D].上海：上海交通大学，2006

[2] 贾海波基于ARM的嵌入式金属探测仪设计[D].合肥：安徽大学，2013

[3] 王勤，梅劲松基于Intel 80C196控制的智能金属探测仪[J].江南大学学报，2003（1）.

[4]德州仪器AY-LDC1000用户手册[Z].2014

[5]严建华，郭烈恩一种基于微机和单片机的步进电机控制[J].机械工程与自动化，2007（1）.