一种精准金属探测装置的设计

赵雨初，王 慧，杨 洁

（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214400）

一、引言

在当今社会，无损检测技术能够在不破坏产品的基础上检测工件是否存在缺陷，保证产品使用的安全性[1]，尤其在食品检测以及儿童玩具安全性能指标检测中都发挥着重要的作用。随着人们对生活品质要求的提高，特别是在儿童用品方面一直存在着不完善的因素。在机器生产儿童玩具时难免会出现混入金属杂质，给儿童产品带来严重的安全隐患。随着金属检测技术的提高，出现了许多金属探测器的厂商，但在儿童玩具加工和检测方面仍存在不足。由于金属检测有着许多不同的检测方法，但在儿童玩具的检测中采用电涡流和电磁场检测的方式居多，因为其具有小巧耐用、灵敏度和精确度较高的特点。针对儿童玩具质量的安全问题，本文提出了一种基于Arduino研发的金属探测器。

二、整体方案设计

本检测系统结构如图1所示。采用PS17-5DN作为主要的金属检测传感器，针对检测的问题，给出了一种脉冲涡流检测的方法[2]。PS17-5DN作为直流三线NPN接近开关，具有灵敏精确的特点。

PS17-5DN作为电感式接近开关，利用直流三线PNP接法，当检测到金属后由于内部结构输出信号转变成低电平，用传感器实现对金属零件数据进行收集和储存[3]，所以本设计中采用Arduino Uno控制板来接受信号改变的方式来对金属进行检测的方案。使用传感器实现对金属零件数据进行收集和储存。

为了保证该设计在金属检测时系统的准确性，因而在金属传感器和Arduino Uno信号输入口之间加入光电耦合开关。从而提高了金属检测的抗干扰性，加强整体系统的稳定性。通过Arduino Uno板对输入信号的检测来控制THB6128步进电机驱动器控制模块，从而对X、Y轴电机进行准确控制，提高检测的可靠性。

THB6128步进电机驱动器控制模块输入电压为12V，板载有78L05稳压块可提供+5V电压输出。为了保证供电的可靠性及便捷性，本设计利用THB6128步进电机驱动器控制模块的这一特性为Arduino控制板提供+5V供电，而它采用由12V锂电池充电头为其供电的的方案。

图1 检测系统结构简图

三、硬件设计

（一）接近开关传感器

PS17-5DN接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当金属物体接近开关的感应面到距离时，不需要机械及施加任何压力即可使开关，从而通过输送给单片机数字信号的改变完成指令控制。

PS17-5DN接近开关内部金属检测为电感式检测，如图2所示。

图2 金属探测原理

本设计所使用的PS17-5DN接近开关是NPN型，外部接线图如图3所示，棕色线接直流12V，蓝色线接地，当检测到金属时黑色信号线输出电平由“高电平”转变为“低电平”，最终通过光耦把电位变化输送给单片机。

图3 传感器外部接线图

（二） THB6128步进电机驱动器控制模块

THB6128步进电机驱动器控制模块（如图4所示）。所用电机驱动器可以驱动2.2A电流以下混合式两相步进电机。THB6128步进电机驱动器控制模块功能强大并具有以下特点：支持多种细分方式，可以通过四个拨码按键来控制；可以调节电流大小和衰减模式；输出电压范围宽范（DC10-30V），并配有电源指示灯。

图4 THB6128模块外观图

THB6128步进电机驱动模块具有共阳极和共阴极两种接法，为方便理解和程序编写，本设计采用共阳极接法。脉冲控制输入端后接高速光电耦合器，方向和使能端分别后接两个低速光电耦合器，其信号输入原理图如图5所示。

其中高速光耦与低速光耦最大的区别在存储时间上，高速光耦响应时间为纳秒级别，适用于高频脉冲信号，而低速光耦最大响应时间为微秒级别，适用于低频脉冲信号。

图5 THB6128信号输入原理图

（三） 主控单元

本设计中主控采用Arduino Uno[4]控制板。Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14个数字输入/输出引脚(其中6个可用作PWM输出)，6个模拟输入，16MHz晶振时钟[5]。只需要通过USB数据线连接电脑就能供电、程序下载和数据通讯。Arduino IDE的软件编程环境可通过串口监视器进行对串口实时返回数据的监视，因此通过对串口返回数据的动态监视。

（四） 金属检测装置设计

金属检测平台是一个300mm×300mm的二维移动平台。平面双轴运动控制系统是生产中比较常见的控制系统[6]，X轴和Y轴在步进电机的带动下可以独立运动。当装置检测到金属物体后，便进入精确定位阶段，通过对脉冲周期的计数和换算在液晶上准确显示出被检测金属所在位置。

本设计采用的二维金属检测平台的结构如图6所示。主要由金属支架、直线导轨、滑块轴承、步进电机、同步带、亚克力底板等构成[7]。在步进电机的转动下带动金属滑块在扫描区域规则运动并快速准确定位被测金属。

图6 二维金属检测平台

四、软件设计

（一）软件流程图

金属检测装置以开发板为核心来控制THB6128步进电机驱动器控制模块驱动步进电机移动并检测定位物体。PS17-5DN接近开关作为核心金属检测传感器，用于识别并处理检测到金属物体后电位的变化，并通过数字输入口送至Arduino开发板。其程序流程图如图7所示。

图7 程序流程图

（二）金属探测路径规划

本设计采用的金属检测平台尺寸为300mm×300mm，考虑到检测速度和准确性故采用两独立自由运动轴按照S型循环检测的方式。为提高检测效率，X轴步进电机扫描速度可通过细分调节加快，Y轴每次上升的高度应不大于检测金属物体的最大直径或金属物件的最小宽度，故Y轴步进电机扫描速度适当减低来提高检测精度。利用图8所示的扫描方式进行循环检测，当检测到被测物体后等待进入精确定位状态。

图8 检测路径规划

（三） 金属探头的精确定位

由于PS17-5DN接近开关扫描的有效区域为圆形，所以取扫描区域的圆心作为检测点，定位方法如图9所示。

当检测到金属物体点A时，暂时停顿并按照原运动方向继续扫描直到碰到另一边缘侧B，线段AB即为圆的弦。再从弦AB的中点向下扫描直到碰到圆的下边缘C,接着向上扫描到圆的上边缘D,线段AB即为圆的直径，通过两次准确定位，即可确定被测圆形的圆心O点。

图9 精确定位示意图

考虑到检测传感器会以四种方式扫描到被测金属（被测物中心点以上的左右侧以及被测物中心点以下的左右侧），为确保扫描的准确可靠性，首先让检测传感器按原X轴扫描方向继续扫描，并在开始检测到金属物体边缘A时记脉冲信号个数，当检测到被测金属另一侧边缘B时停止计数。通过脉冲个数换算出弦AB的长度，再命令检测滑杆反方向运行弦AB一半的距离，从而确定下X轴方向上的中心点X1。

Y轴方向中心点检测与X轴相似，当传感器位于点X1位置时Y轴滑杆先向下运动，运动到最下端C点时开始记脉冲信号个数，同时让Y轴滑杆再向上运动，直至扫描到被测物体的最上端D时停止计数。通过脉冲个数换算出直径CD的长度，再命令检测滑杆反方向向下运行直径CD一半的距离，从而确定下被金属测物体的中心（X0，Y0）。

图10分别为两种起始检测运动方向不同的两种检测情况。设起始点均为（X,Y）,被测金属物体中心点为（X0,Y0）。

当扫描情况为图10左图时有：

当扫描情况为图10右图时有：

考虑到金属传感器在边缘判断时可能存在反应延时或检测不到位的情况发生，所以在程序设计时可以采用多次测量取平均值的方法来缩小实验误差。

图10 被测物体中心定位算法

（四）金属物体定位显示

为了建立一个方便观察的显示界面，对检测到的金属物体的中心坐标进行显示，并可以利用当前的方位数据来计算误差值。

本设计所采用的是12864液晶显示[8]，第一行显示X轴的定位结果（单位mm），第二行显示Y轴的定位结果（单位mm），第三行显示检测中心与实际中心误差值（单位mm），显示效果如图11所示。

图11 12864液晶显示

五、系统调试

本设计所采用的二维自由移动平台在通电后自行复位，在判断到启动按键按下后开始对平台区域面进行扫描，当检测到金属物体的大致位置后随即进入精确扫描，最终定位出被测金属的中心点，并通过12864液晶显示其当前坐标，利用Arduino系统对实际金属物体坐标与实测金属物体坐标进行误差计算并显示。系统调试结果如表1所示。

表1 不同金属被测物中心点定位误差表（单位：mm）

六、结语

本设计采用了以PS17-5DN金属接近开关为核心传感器，由于PS17-5DN金属接近开关具有反应速度快、原理简单、环境适应性强的特点，用其对对外界环境信息的收集，从而大大减低了整个设计的成本。而采用Arduino系列单片机控制板用以代替传统的51单片机则在编程上方便了许多。采用THB6128步进电机驱动器控制模块对步进电机进行驱动控制，通过对出入脉冲信号的控制实现X轴和Y轴滑轨交替扫描。

基于Arduino研发的二维平台金属检测系统，能够实现对在儿童玩具生产过程中进行有效检测可能混杂在儿童玩具中的金属，从而有效降低购买后的风险。本设计的二维检测平台具有X、Y轴方向独立可控的特点，通过系统对不同形状的金属物体调试结果可以看出，本次设计的二维金属检测系统可以对被测金属进行判别和定位，对相关儿童玩具加工企业产品出厂检验具有一定的应用价值。