基于LDC1314的金属探测器设计*

邱崇军，胡登鹏

(空军预警学院,武汉 430019)

基于LDC1314的金属探测器设计*

邱崇军，胡登鹏

(空军预警学院,武汉 430019)

本文设计了一款以MSP430F169单片机为主控制器，LDC1314电感数字转换器[1]作为传感器的金属探测器。单片机通过I2C接口对LDC1314进行初始化值配置和检测结果的读取，并将LDC1314的检测结果在外接的1602液晶显示屏进行实时显示。LDC1314有4个检测通道，可以同时外接4个不同的PCB线圈，通过对线圈的圈数、线宽、线距等参数进行设计，可以实现不同的功能。通过对8种不同金属物质的检测，探测器可以准确、迅速进行区分。

金属探测器；LDC1314；单片机;MSP430F169

引 言

金属传感器是一个专门用来探测金属类物质的仪器，已经广泛应用于生活和工业生产等诸多领域。目前市场上的金属探测装置根据原理的不同，大多分为电磁感应高频震荡型、磁铁磁力型、电容型三种类型。金属检测仪受外在环境影响较大，灰尘、湿度、水分等是影响传统的金属探测装置的主要因素。检测精度及智能化程度低，检测结果不稳定，不能实时观测检测参数是目前金属传感器的使用局限,系统维护不够方便，容易影响检测结果[2]。随着科学技术不断进步以及金属探测器在现代技术生活和工业生产中的作用不断凸显，怎样提升和改善金属探测器的性能，已成为本领域一个亟待解决的问题[3]。

TI公司在之前推出的LDC1000金属传感器是电感数字传感器[4]，其精度高、操作简单、适应性强，只需要外接一个PCB线圈或者自制的线圈就可以完成检测。但是由于其只有一个通道，不能适应多物体的情形，TI公司于2016年5月推出了LDC1314芯片，可同时外接4个线圈，支持内部或外部参考时钟，对直流磁场和磁铁具有一定的免疫能力。

LDC1314能够提供匹配的通道，它允许差和比率测量,这使设计人员能够使用一个通道，以补偿他们的感测环境和老化条件，如温度、湿度和机械漂移。鉴于LDC1314的易用性、低功耗、低系统成本，这些产品使设计者能够大大提高现有的传感解决方案，并引入品牌和新的检测能力。传感器提供了更好的性能、可靠性和灵活性，比竞争者的传感技术具有更低的系统成本和功耗。本文采用MSP430F169作为主控制器，通过对系统硬件和软件设计，对基于LDC1314的金属探测器进行了研究。

1 系统方案设计

系统的总体设计方案如图1所示，主要包括MSP430F169、LDC1314、4个传感线圈、1602液晶显示屏。LDC1314与MSP430F169采用I2C总线接口进行通信，1602与MSP430F169通过多个I/O口连接，用于实时显示LDC1314的检测结果，LDC1314包含4个检测通道，可外接4个线圈实现不同检测功能。

图1 系统整体框图

1.1 主控制器

主控制器采用TI公司的MSP430F169单片机，MSP430F169是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机，配置了2个固定16位定时器、8路快速的12位A/D转换器、双路12 位D/A 转换器、两个通用连续同步/非同步通信接口(USART)、I2C 、DMA和48个I/O引脚。

1.2 LDC1314

LDC1314是TI公司推出的电感数字传感器，可外接4个PCB线圈，实现非接触式电感检测，具有理想的检测结果和精度。检测的原理是利用大学物理中的电磁感应效应原理，在线圈中加一个交变电流，线圈的周围就会产生交变电磁场，此时如果有金属物处于这个电磁场中，就会在金属物表面产生感应电流，感应的电流和线圈的大小及金属物的距离大小有密切的关系[6-7]。

2 系统软硬件设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件设计主要完成 LDC1314及1602液晶显示屏与MSP430F169的连接，以及LDC1314线圈设计等。

(1) LDC1314与MSP430F169连接

图2 MSP430F169与LDC1314的连接

LDC1314与MSP430F169的连接图如图2所示，LDC1314通过I2C总线接口与控制器进行通信，包括时钟SCL和数据SDA两个接口，将SCL和SDA分别与MSP430F169的2、6口和3、1口连接，时钟由MSP430F169提供，LDC1314初始化测量数据和结果通过数据线SDA进行传输。CLKIN、ADDR配置为低电平，SD接高电平，GND接电源地，VCC接电源。LDC1314的4组8个线圈连接引脚分别外接线圈。

(2) 1602与MSP430F169连接

1602液晶显示屏与MSP430F169的连接如图3所示，1602通过SPI接口与控制器进行通信[8]，主要包括R/W、RS、E和8个I/O引脚口。连接时将D0～D7脚分别与MSP430F169的P50～P57口连接，RS和R/W分别与单片机的P40、P41口连接。BLK配置为低电平、BLA配置成高电平，GND接电源地，VCC接电源。1602具有两行，每行显示16个字符的功能[9]。

(3) 线圈设计

图4 PCB线圈

LDC1314的外接线圈作为传感器，其设计好坏直接影响测量的精度。设计线圈如图4所示，采用双层PCB板结构，每层30圈，线宽10 mil，线距20 mil，外接1 kΩ的电阻。

2.2 系统软件设计

图5 主程序流程图

软件系统设计主要包括LDC1314的寄存器初始化配置及系统主程序设计等。

(1) LDC1314寄存器初始化配置

通过对LDC1314相应的寄存器进行适当的设置可以完成不同的功能。

(2) 系统主程序设计

程序采用C语言编写，主程序流程图如图5所示。

3 系统测试结果

为了验证LDC1314的金属探测性能，对硬币、铜丝、铁丝等不同金属分别进行了3次测试，测试结果如表1所列。

表1 传感器对不同材质的测试值

测试结果表明，LDC1314可以有效地区分不同的金属。利用该特性，设计制作了自动寻迹小车，小车可以沿着金属铁丝寻迹，如在铁丝旁放置几枚硬币，也可以完全检测出来。

经过实践证明，本方案的设计合理可靠，并在2016年湖北省大学生电子设计TI杯竞赛中取得了二等奖的好成绩。图6和图7分别是小车实物图和线圈摆放图。

图6 小车实物图

图7 线圈摆放图

结 语

[1] TI.LDC1312,LDC1314 Multi-Channel 12-Bit inductance to Digital Converter(LDC) for Inductive Sensing,2014.

[2] 杨伟祎，郭颖，王雪峰，等.基于TI杯电子竞赛的金属探测系统设计[D].抚顺:辽宁石油化工大学,2015.

[3] 黄勇.金属探测器的研究与设计[D].广州：华南理工大学,2010.

[4] TI.LaunchPad口袋实验平台,2013.

[5] TI.MSP430F15x, MSP430F16x, MSP430F161x MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER,2014.

[6] 王剑锋.基于LDC1000电感到数字转换器的金属探测器[J].电子设计工程，2015(18).

[7] TI.LDC-Q1.ZHCSCS2B,2014.

[8] 郭玉，李彦梅，王鹏.基于电涡流传感器的硬币辨伪系统的设计[J].传感技术学报,2012(4).

[9] 李少华，红白燕.涡流法电阻率测试仪的设计[J].国外电子测量技术, 2013, 32(7):62-65.

Metal Detecting Device Design Based on LDC1314

Qiu Chongjun,Hu Dengpeng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

In the paper,a metal detecting device is designed,which uses MSP430F169 as the control core and the LDC1314 inductor/digital converter evaluation board as the sensor.The microcomputer is used to configure the initialization value of the LDC1314 and to read the detection results through I2C interface ,then the detection results is displayed on 1602 LCD screen in real time.The LCD1314 has four testing channels,and four different PCB coilscan be attached at the same time.The different functions can be realized through setting different values of number of coils,trace widths and trace spacing.The detector can distinguish eight different metal substances accurately and quickly.

metal detecting device;LDC1314;microcomputer;MSP430F169

国际级-雷达通信一体化多载洪共享信号技术研究(61271451)。

TP216

A

�迪娜

2016-09-05)