《电子技术应用》

一种金属物体探测定位系统装置的设计

2016年电子技术应用第3期 作者:黄 虎,汤 惠
2016/3/30 14:48:00

黄  虎,汤  惠

(成都理工大学 信息科学与技术学院,四川 成都610059)


    摘  要: 系统通过金属的涡流效应引起的通电线圈磁场的变化精确检测金属物体,以MSP430为控制核心, LDC1000电感数字转换器作为金属物体探头,采用42BYGH两相混合式步进电机扫描,LCD12864液晶屏显示金属物体的位置,设计制作了一种可自主移动的金属探测定位系统装置,阐释了系统的硬件电路及其软件流程。经测试,硬币和自制铁环置于50 cm×50 cm的检测区域中,系统能准确定位扫描区域内的硬币和铁环。

    关键词: 单片机电感传感器;步进电机;自动扫描;精确检测

0 引言

    金属探测器作为一种常见的非接触式安全检测装置,在工业生产领域及日常安检、社会生活中有着十分广泛的应用。常见的金属探测器以霍尔传感器作为探测头,需要配合较复杂的硬件电路,且误差较大[1-3]。本设计通过步进电机驱动的X、Y轴丝杆滑台带动金属物体探头LDC1000在水平放置的玻璃板扫描区域内按照一定规则进行快速检测扫描,不接触目标物体,电感数字传感器将金属导体的检测信号数字化,主控芯片实时分析处理传感器的数据,准确定位金属物体位置,实时显示出扫描结果,整个扫描过程有语音提示,无人工干预,完全实现自动扫描。系统具有较高的探测速度与精度,既方便又省时。系统可以应用于火车站、码头和大型会场等地方的日常安检及建筑施工中墙壁内钢筋、电线的检测,可以帮助人们寻找身边的金属物件,也能够在灰尘、污垢、油污及潮湿工业生产环境中实现导体目标的低成本、高分辨率的感测。此外,电感数字传感器采用线圈产生磁场,不需要磁体和复杂的校准。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体框架

    系统CPU采用MSP430F169处理器[4],由控制模块、传感器模块、机械扫描模块、LCD液晶显示及语音模块四部分组成。系统整体设计框图如图1所示。考虑在小范围内定位精准位置,使用丝杆作为导轨制作成H型滑台,对检测区域进行无死角扫描检测。通过42步进电机控制滑台在X和Y方向上的运动导轨移动实现自主移动。LDC1000探测器搭载于导轨上,随滑台快速扫描检测金属,当LDC1000传回的阻抗值发生突变,即两位数量级以上的变化时,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。同时,由于滑台使用步进电机控制,在PWM的输出控制下,可以实现金属探头的精确定位。当扫描结束后,根据记录的数据,经过单片机处理后,在LCD液晶显示屏上显示探头坐标,声-光提示检测结束。

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1.2 金属探测器模块电路

    LDC1000电感数字转换器基于感测技术利用电磁感应的原理使金属物体表面产生涡流效应[5-6]来探测与金属物体的间距,而且对于不同的金属材质,其感应的强度也不同。将LCD1000电感传感器的数据传输至微控制器中,经过软件处理后最终确定金属的位置。电感传感器通过外接PCB线圈实现非接触式电感测量,具有小封装、低成本的优点[7]。其内部的AD转换电路直接将模拟量转换为数字量,而且可以测量金属与传感器的距离,并且可以通过测量并联谐振阻抗来区分不同的金属,有效地抵抗铁丝边框对系统的干扰,极大地节省了系统资源。同时,通过SPI接口可以方便地连接MCU,有效地减少了对外部驱动和数据处理电路的依赖。金属探测器模块电路图如图2所示。

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    电路将三线SPI接口与MCU相连,同时添加CSB使能信号控制SPI的读写。从MCU输出一个8 MHz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。

1.3 42步进电机驱动电路

    设计采用42BYGH两相混合式步进电机和配套驱动作为滑台导轨的驱动[8]。42步进电机具有高输出扭矩、高步距角精度等特点,通过MCU的硬件PWM波即可控制,同时可以通过MCU对电机进行转速调整、正反转调整、使能等操作,功能强大操作难度低[9]。42步进电机驱动电路图如图3所示。

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    驱动电路采用LV8731V作为驱动芯片,该驱动芯片外围电路简单,系统采用两片LV8731V芯片分别驱动X、Y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可以通过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。

1.4 LCD12864液晶显示电路

    设计考虑到显示探头坐标位置及方便确认检测完成等功能,采用LCD12864液晶模块作为显示模块,12864液晶具有中文字库,显示内容更丰富。模块控制芯片提供两套控制命令,操作简单,使用方便。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。

2 系统软件设计

    系统基于IAR EW430 5.5平台,利用C语言进行软件开发[10]。软件部分以LDC1000金属探测传感器所采集到的信息处理为中心。系统软件主要包括自动控制(快速扫描)、金属准确定位(精确检测)、数据处理识别和显示控制部分。其中,金属准确定位和数据处理识别是本软件系统中的核心模块。这一核心模块分为两个部分:(1)金属检测的数据处理,通过中垂线检测算法,在水平方向检测金属信号,找到金属强度最大的点后,进行垂直方向扫描,最终确定金属中心位置;(2)步进电机的小距离步进控制,由于精确检测时,步进电机要根据金属探测器传回的数据进行小距离的移动,因此对电机的控制提出了较高要求。

    软件设计主要分为快速扫描和精确检测两个阶段。快速扫描用以确定金属物体在检测区域的大致位置,精确检测用以确定金属物体的准确位置,并减小误差。系统整体流程图如图4所示。

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    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。

2.1 自制线圈N形扫描

    自制线圈扫描过程中,步进电机采用PWM驱动方式,使运动变得更加柔和匀速。软件上,结合单片机的定时器功能,实现励磁信号按一定频率不断送出,使得步进电机匀速转动。利用自制线圈的大范围扫描,采用N 形方式进行扫描,检测扫描区域内是否有金属物体。如果检测到金属物体,则停止快速扫描,进入精确检测过程。

2.2 中垂线检测函数  

    当收到检测到金属物体的信号后,系统停止N形扫描,开始进行精确检测,通过中垂线检测方法,找到金属强度最强的点,即金属物体中心。  

2.3 铁环检测函数

    在中垂线检测完成后,探头停留在金属上方,此时系统判断该金属是否为镀镍钢芯硬币,如果是,则停止检测启动声光提醒;如果不是,则表明是铁环系统进入铁环扫描程序。由于经过中垂线检测,因此探头将会停留在铁环边缘,即金属强度最大的铁环上某一点。此时,进入铁环检测的第一阶段,检测探头四个方向的金属强度,金属强度衰减最快的方向则是铁环外侧,因此应朝其反方向前进。

    第二阶段,根据前进方向,选择前进方向及其相邻方向进行检测。由于此时探头已在铁环内部,而铁环内部的金属强度由内到外不断增强,此时不断检测探头处的金属强度,并向金属强度减弱的方向前进,直到找到金属强度最弱的点及铁环中心。

3 系统测试

3.1 测试条件

    测试环境:电子电装标准实验室,常温常湿常压。

    测试仪器清单如表1所示。

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3.2 测试方案

    测试采用整体测试的方案,初始化完成后,先进行蛇形快速扫描,检测到金属物体后进行精确检测,以最终停止时探头所停留位置与硬币或铁环圆心的相对距离,作为测试结果进行误差分析和改进。

    实际测试时,对直径约19 mm的镀镍钢芯1角硬币、直径约25 mm的镀镍钢芯1元硬币、自制圆铁环(用Φ2铁丝绕制)铁环外直径4 cm这3种金属物体进行3组测试,每组测试5次数据。

3.3 测试结果

    直径约19 mm的镀镍钢芯1角硬币、直径约25 mm的镀镍钢芯1元硬币、自制圆铁环(用Φ2铁丝绕制)铁环外直径4 cm的测试结果如表2所示。

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4 结论

    金属物体探测定位系统装置利用基于感测技术的LDC1000电感数字传感器来实现金属探测定位,采用了数字滤波技术消除干扰,提高了探测器的抗干扰能力,确保了系统的准确性。试验在50 cm×50 cm范围内进行,对不同金属物进行检测,在2 min的检测时间内检出率达100%。该方案定位精度高,定位误差在3.1mm以内。系统硬件电路成本低、结构简单、体积小,可以对狭小及恶劣环境中金属物体进行探测,具有精度高、速度快的特点,结合液晶显示和语音报警功能,其应用范围较广。

参考文献

[1] 董欣,孟令华,孙继华,等.人机界面HMI在涡流探伤中的应用[J].自动化与仪表,2011(8):66-69.

[2] 洪文峰,魏立峰.智能金属探测器设计[J].工矿自动化,2013,39(4):40-43.

[3] 卢超.基于AT89S52的安检金属探测仪[J].仪表技术与传感器,2010(12):26-28.

[4] 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:北京航空航天大学出版社,2008.

[5] 曹青松,周继惠.基于电涡流的金属种类识别技术的理论与实验研究[J].仪器仪表学报,2007,28(9):1718-1722.

[6] 明军,贾海波,王新.一种在线智能金属检测装置[J].仪表技术与传感器,2013(5):20-21.

[7] Hpati.AY-LDC1000Datasheet[EB/OL].[2014-12].http://www.hpati.com.

[8] 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[D].西安:西安科技大学,2005.

[9] 吴春艳,何颖,刘少学.步进电机细分驱动电路设计[C].中国仪器仪表与测控技术交流大会,2007.

[10] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005:132-145.

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