金属探测定位器（精选6篇）
金属探测定位器 篇1
引言
金属物体探测定位器从最初仅用于金属物体探测发展到战争时期的地雷检测,到如今军事,考古等以及在机场、码头、海关、 车站等的安检应用,可以说,金属物体探测器已经普及到我们的生活。那么,提升金属物体探测定位器的扫描速度、定位灵敏度等以及降低其功耗、成本等将成为研究的重点。本次系统设计选用TI公司的AY-LDC1000电感 / 数字转换器评估板作为金属物体探头, 它提供低功耗、小封装、低成本的解决方案,同时将测量量转换成数字量,可提高其测量速度和定位精度。使用STM32f103单片机为控制核心,它具有低成本、低功耗、控制灵活精确等特点。因此, 本次设计绝对满足大部分的应用场合。
1系统总体设计
■ 1.1系统总体设计思想
该系统使用LDC1000作为金属物体探头,通过小车来实现探头的移动,从而实现对金属物体的探测。小车采用两轮双电机的驱动方式,使用两个伺服电机来驱动小车移动,以微控制器STM32作为控制核心,再使用TB65603A驱动步进电机来带动探头,使小车每前进LDC-1000评估板电感线圈直径的距离,探头就在0 ~ 180度范围内进行弧形扫描,探测金属,从而提高系统发现金属物体的速度。当发现金属物体之后小车就停止,探头定位在金属物体正上方, 同时报警电路发出声 - 光指示。其系统设计框图如图1。
■ 1.2检测原理
在LDC1000进行金属物体检测时 主要关心 两个值,Rp和Frequency的值。Rp值和Frequency值在LDC-1000中被转化为数字量,数值跟Rp和Frequency的值成一定比例, 在系统设计时将这两个数字量显示在LCD显示屏上,方便后续测试分析与设计。不同的测试对象和距离会产生不同的损耗,也就是这两个值会不同,因此,不同的测试对象会有不同的阈值,在程序设计时可通过测试不同对象观察并记录显示屏上的不同数值,设置多个阈值,来达到探测定位金属物体并区分不同物体的目的,在显示屏上分别显示“一元硬币”,“一角硬币”,“自制铁圈”。
2硬件设计
■ 2.1探测器模块
LDC-1000是一款电感到数字转换器的非接触式传感器芯片,它的SPI接口可以很方便的连接到MCU,可通过SPI协议与MCU完成信息数据的交换。 LDC-1000只需要外接一个PCB线圈或自制线圈就可实现非接触式电感测量。因此,LDC-1000非常适合作为本次设计的探头。
■ 2.2电机及驱动模块
由于要进行金属物体的探测定位,则对小车行进的距离和探头扫描的角度要能很精确的控制,伺服电机与步进电机都能实现每个步进的精确控制,但伺服电机的控制更为简单,可直接通过单片机进行控制,而探头在扫描定位金属时会涉及转矩角的控制, 则使用步进电机会有更好的控制效果。所以在此次设计中选用两个伺服电机驱动小车的移动,一个步进电机控制探头每次扫描的角度。伺服电机与步进电机的控制方式一样,都是通过单片机输出的PWM波驱动。但步进电机需要使用驱动模块,本次设计中驱动模块采用高速不失步的TB65603A。
■ 2.3电源模块
小车要带动探头在规定范围内自由的移动去探测金属物体, 则不能使用外部电源供电。则在本次设计使用提供12V的移动电源给其供电,通过升压或降压稳压电路来得到想要的电压。
3软件设计
本系统整个功能的实现主要在于软件部分的程序设计,其设计的程序框图如图2。小车在玻璃板上不断向前移动,探头不断的扫描, 当探测到不同对象时,LDC-1000会返回不同的数值给单片机,通过单片机的分析处理,发出不同的控制信号,从而完成对金属物体的探测定位。图2中的阈值,为本次设计过程中测试而得。
4整体测试
用直径 Φ2(mm)的铁丝围成约50cm×50cm的正方形闭合框作为探测区边界置于玻璃板下,在玻璃板下方任意位置分别放置一枚直径约19mm的镀镍钢芯1角硬币,一枚直径约25mm的镀镍钢芯1元硬币,用 Φ2铁丝绕制自制直径约4cm圆铁环, 然后再让小车从探测进入区的任意位置,按任意方向进入探测区, 分别去探测1角硬币、1角硬币和自制铁圈。
通过实际测试,该系统可在两分钟内探测到相应的金属物体, 发出声光指示。另外,通过多次测试发现,每次定位时,探头基本都停留在相应物体的正上方,同时,还在屏幕上分别显示“一元硬币”“一角硬币”“自制铁圈”。
5结束语
通过合理的系统构建和软件编程,该系统能够对一定区域内的金属物体进行探测定位。实际测试表明,所设计的软件和硬件系统具备良好的稳定性,能够在一定的探测范围内快速精确的定位金属物体, 实际测试与理论分析一致,完成了金属物体探测定位器的设计实现。
摘要：本系统能实现对规定范围内的金属物体探测定位。该设计是以STM32f103单片机作为核心处理平台,使用AY-LDC1000电感/数字转换器评估板作为金属物体探头,通过伺服电机驱动一个小车前进,小车带动探头在有机玻璃板上用铁丝围成的50×50cm的范围内移动,从而实现对规定范围内金属物体的探测定位。
关键词：STM32f103单片机,AY-LDC1000评估板,伺服电机,步进电机
金属探测定位器 篇2
地下金属探测器利用电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场可以在金属物体内部能感生涡电流。涡电流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，引发探测器发出鸣声。金属探测器的精确性和可靠性取决于电磁发射器频率的稳定性，一般使用从80 to 800 kHz的工作频率。工作频率越低，对铁的检测性能越好；工作频率越高，对高碳钢的检测性能越好。检测器的灵敏度随着检测范围的增大而降低，感应信号大小取决于金属粒子尺寸和导电性能。
伴随着科技考古的兴起和发展，从20世纪50年代开始，浅层地球物理（Nearsurface Geophysics）等探测方法被引入考古勘探中，逐渐形成了地球物理勘探，简称物探。考古物探方法类型繁多，但受探测对象的物理特性限制，最常用的.有电阻率法、电磁法、探地雷达法三种方法[1]。金属探测器（Metal Detector）作为电磁法的一个具体应用，是一种专门用来探测金属的仪器。因为在考古发掘中，有相当多的古物都是金属制品。比如，金银器、钱币、青铜器等代表财富和权力的贵金属文物，以及刀剑、箭镞、大炮、炮弹等冷兵器时代的金属兵器，还有锄、铲、斧、锯、凿等生产生活中必不可少的金属工具。所以，金属探测器已逐渐成为考古学家的重要勘探工具之一。近年来，在西方兴起了“寻宝热”，进一步加快了金属探测器，尤其是地下金属探测器在考古领域的研究、生产和推广。
基于单片机的金属探测定位器设计 篇3
金属探测定位器是专门用于探测金属类物质的仪器,开始主要应用于探雷和探测地下金属,经发展已应用于反恐、旅行安检、冶金、药品和食品等方面的质量与安全检测。根据设计制造原理金属探测定位器可分为差频式、脉冲感应式、耗能式和平衡式[1]等多种类型。传统的金属探测定位器易受环境因素影响,检测精度较低。提高金属探测定位器的精度、稳定性及其智能性,具有十分重要的理论和实际意义[2]。
本文采用TI公司LDC1000数字/电感转换器作为检测传感器,其输出通过SPI接口传送到单片机,单片机控制步进电机实现金属探测区域的全方位扫描,并对检测数据进行计算和处理后输出到LCD显示器显示。
2 系统硬件设计
系统的总体框图如图1所示,主要包括金属检测模块、STM32F103ZET6单片机模块、电机模块、显示模块、报警模块、电源模块等。
2.1 控制器
采用STM32F 103ZET6单片机作为控制器。STM32F103ZET6是32位处理器,使用高性能的ARM CortexTM-M3内核,工作频率为72MHz,内部资源丰富,包括SRAM、I/O接口、ADC、定时器/计数器、PWM、多种通信接口等,具有控制功能强、速度快、性价比高等优点[3]。
2.2 金属检测模块
金属检测模块采用TI公司的LDC1000电感/数字转换器,外接一个PCB线圈或者自制线圈以实现非接触电感检测。LDC1000利用电磁感应原理,在PCB线圈或自制线圈中加上交变电流,线圈周围会产生交变电磁场,如果有金属物体进入电磁场,则会在金属表面产生涡流(感应电流)。涡流电流跟线圈电流方向相反,涡流产生的感应电磁场与线圈的电磁场方向相反。涡流是金属物体的距离、大小、成分的函数。利用LDC1000的这个特性配以外部设计的金属物体就可以很方便地实现水平或垂直距离检测、角度检测、位移检测、运动检测、振动检测、金属成分(合金)检测。LDC1000的SPI接口可以很方便的连接MCU,具有功耗低、成本低、小封装等特点[4]。单片机通过四线SPI接口(SDI、SDO、SCLK、CSB) 实现对LDC -1000的控制以及数据读取[5],LDC1000与单片机的电路连接原理图如图2所示。
在连接LDC1000时,如果不将LDC1000的线圈和芯片部分分开,则需要较长的杜邦线来连接,而长的杜邦线会影响SPI通信,但是如果将线圈和芯片部分分开,较长的杜邦线则会改变线圈的电感值,从而影响谐振频率,影响金属探测,因此,在单片机和金属探测模块之间增加了三态数据驱动器74HC244。
2.3 电机控制模块
2.3.1电机控制结构
系统采用两个步进电机进行控制,分别为外径为57mm的电机1和外径为42mm的电机2。探测器从转角和径向两个方向进行探测,在电机1上固定一个平板,在平板上固定一个可以转动的轴,通过电机1控制扫描角度θ;在轴上固定一个滑杆,滑杆上安装传感器LDC1000,通过滑轮上电机2的转动带动滑杆在径向方向上运动,控制扫描半径r。LDC1000每次轴转过一定的角度,便扫描一次,当轴从一个边缘到另一个边缘时,便实现了整个区域的扫描探测。其简化结构示意图如图3所示。
2.3.2 电机驱动控制
电机驱动采用二相和四相电机的专用驱动器L298N集成模块,其内部包含4通道驱动电路,内含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收TTL逻辑电平信号,可驱动46V/2A以下的电机,直接对电机进行控制,无需隔离电路。由单片机的I/O接口控制L298N,实现电机的正转、反转以及停止的控制,其连接电路如图4所示。
2.3.3 步进电机的步距角与转速
采用两相四线步进电机,其步距角β的计算如式(1)所示。
其中:Z为转子齿数,m为定子绕组相数,K为通电系数,前后通电相数一致时K=1,否则K=2。
步进电机1采用32细分,其步距角为β1=1.8°/32=0.05625°。步进电机2采用8细分,其步距角为β2=1.8°/8=0.225°。
当定子控制绕组按着一定顺序通电时,步进电机旋转。设电流的频率为f(单位为Hz),步距角为β(单位为弧度),则步进电机的转速n(单位为转/s)的计算式如式(2)所示。
2.4 显示与报警模块
单片机外扩液晶显示器LCD1602用于显示检测到的金属位置及其相关参数,外扩LED灯和蜂鸣器用于检测到金属时发出声光报警[5],其电路图如图5所示。
2.5 电源供电模块
步进电机需要24V的供电,STM32F103ZET6需要3.3V的供电,芯片大部分为5V供电,因此,整个系统需要设计24V、5V、3.3V电源。220V交流电通过整流桥转换成脉动直流,经滤波后分别通过W7824、W7805稳压后提供24VDC、5VDC电源,采用AMS1117将5V的电压转化为3.3VDC电源。
3 软件设计
软件设计包括系统初始化、LDC1000检测、电机驱动与控制、显示位置参数与声光报警等部分[6]。上电后,金属探测器开始工作,循环检测是否遇到金属物体。电机工作,传送探测头直到杆中心,开始θ角度的变换,检测到金属物件第一次记录为IN1标记。当再次检测到标记时,存在两种情况:已检测到金属或未检测到金属。检测到边框时调小扇形检索速度,进行回转检索,判断LDC1000检索最大电阻值。若电阻值接近第一次检索金属大小,则为上述状态二——未检测到金属;然后调整检测速度恢复为较大检索速度,重新进行检索。若电阻值偏大于第一次检索金属大小,则为上述状态一——已检测到金属,此时逐步减小检索速度,找到电感强度最大点,则为被测金属中心,检索完成,声光报警提示用户,计算被测金属中心位置并显示。程序流程图如图6所示[6]。
4 结束语
通过对第五套人民币1角硬币、1元硬币及自制圆铁环的测试,结果如下:1角硬币的中心位置误差为1.9mm,平均检测时间为62.2s;1元硬币的中心位置误差为2.4mm,平均检测时间为72.8s;自制铁环的中心位置误差为2.8mm,平均检测时间为92.7s。该测试结果表明,本系统具有金属探测定位精度较高、检测速度快、稳定性较好、检测无死角、性价比高等特点;本系统可从规定范围(50cm范围)内的任意位置开始扫描测量,通过LCD显示器显示探测到金属的中心位置,当检测到金属物并定位后,系统通过声光报警提示用户发现目标。探测器在较近距离时对金属物体的检测效果好,因此在实际应用中应根据不同的金属材质及结构合理设定探测距离和程序初始值。
摘要：以STM32F103ZET6单片机作为主控制器,采用TI公司LDC1000数字/电感转换器作为金属探测模块,通过步进电机控制扫描角度和金属探测传感器的移动,从而实现金属探测区域的全方位扫描与探测,通过LCD显示器显示探测位置,当检测到金属时发出声光报警提示。该系统具有检测精度高、检测速度快、性价比高等特点。
金属探测定位器 篇4
摘要
根据低频放大器的功率大，频响好效率高的一般要求，本文提及的一种集成低频功放，应用了桥式电路使得能够运用在低电压的环境下，而输出足够的功率。配合前置放大和金属探测功能，体现了低频放大器的多用途特性。
关键词：
功率放大 非线性失真
差拍
低频功率放大器是指一类工作在频率在10hz-10Khz，输出用于拖动功率大的负载的交流放大器。常用于音频设备推动扬声器或者用于工业领域。具体产品有收音机、扩音机，电视的放大单元，一些新技术的加工设备也可用上低频功率放大器。低频功率放大器发展从古老的电子管放大器，经历了晶体管、集成电路的元件升级，由于不同技术需要，低电压的，高效率开关型低频功率放大器也得到长足发展。
对低频功率放大器一般要求是：
（1）输出功率要大。一般采用提高电源电压，综合平衡无变压器电路，采用大功率，低管耗的元件办法实现。
（2）效率η要高：放大器的效率η定义为：η=交流输出功率/直流输入功率。为了提高整体效率，使用高效率低噪声开关电源，低频功率放大器也用上了PWM脉宽调制技术，使功率管工作在开关状态，管耗降到最低，效率可达到90%以上,广场大会扩音设备常采用。
（3）非线性失真在允许范围内：由于功率放大器在大信号下工作，所以非线性失真是难免的。问题是要把失真控制在允许范围内，对于克服非线性失真，有的是从主观听觉上来对非线性失真进行评价，这样难以形成统一标准。现在公认技术上是主要采用扫频方式进行低频功率放大器幅频特性测试，找到幅频特性不平的位置进行调整。使失真得以减轻。
实际工作中，为了多用途的目的，可以选择集成功率放大器，这样综合指标容易达到，其价格也容易满足要求，而电源采用开关型，节约了金属资源，体积也小得多。
功率放大器按工作状态和电路形式可分成以下几种：
（1）甲类功率放大器：在整个信号功率范围内内，存在相同的集电极电流，效率只有10-30%，如果要达到同乙类放大器同样的输出，消耗电力大3倍，散热器和功放的体积也大得多，而且在大功率运用失真现象很严重；
（2）乙类功率放大器：只有半个信号周期内，存在集电极电流，按电路形式它又可分为：
1）双端推挽电路（DEPP）要使用音频变压器，消耗金属资源。2）单端推挽电路（SEPP）也要使用音频变压器。3）平衡无变压器电路（BTL）。现在普遍采用。
在实际运用中，为了克服交越失真，推挽式电路是工作于甲、乙类状态的。
集成功率放大器也是工作于甲、乙类状态的，其效率最高可以达到78%。本文所述的利用一款流行的TDA2030模块进行组装功率放大器，用于话筒的音频放大和金属异物检测的应用。这样设备就要包括对微小的音频电压进行前置放大器放大，还有金属检测电路，包括内外双LC振荡器, 外振荡器的线圈因为金属存在造成感量变化，与内振荡器频率产生差拍，差拍频率在音频范围时，使得集成功率放大器发出声音。
1、集成电路功率放大器
给定条件
设计一款额定输出功率为10 ~ 20W的低失真集成电路功率放大器，要求电路简洁，制作方便、性能可靠。性能主要指标：
输出功率：10 ~ 20W（额定功率）；
频率响应：20Hz ~ 100kHz非线性失真允许范围（≤3dB）
谐波失真：≤1％(10W,30Hz~20kHz）；
输入灵敏度：50mV（1000Hz，额定输出时）
2、设计内容
该电路用两片TDA2030连接成桥式放大器，上下结构和参数完全相同，下面的模块通过22K负反馈电阻受控于上面模块的输出。二极管In4001用于防止扬声器电感负载的过电压损换模块。电路放大系数由输出端脚4和输入端脚2的电阻来调整。当下面的模块放大受到控制后，与之串联的扬声器电路电流自然受到控制。由于上下两个模块输出直流电位一致，可以省去连接扬声器体积很大的隔直电容，该电路还有一个特点就是比单TDA2030放大器需要的低一倍，特别适用于便携设备。
下面还有一种单电源接法的功率放大器电路原理图，这种电路由于电源单一，易于用于开关电源。
用于话筒微小电压的音频放大的前置放大器是用运放lm358做话筒电压放大和阻抗变换。这样的例子较多，电路图比较简单。
比较复杂的是金属探测单元。见图2。输出Vout经过幅度调整和高频滤波后连接低频放大器。简单原理是用两个门电路做的约400khz高频振荡器，将高频信号送到第3个门电路后，如果频率相同，就没有音频输出，如果L2感应到金属物体就会改变感量，即使千分之一的变化，也会使门电路差拍输出频率变化的音频。从而使低频功放随着探测不同的物体发出不同的声音。L1线圈应加上屏蔽罩。C1可调，使没有检测物体时，两个振荡器频率基本一致。
图2 金属探测单元
这样的3个单元组成的低频放大器应用装置框图如图3，这样应用装置既可作为喊话器也可作为金属探测仪。
图3 装置框图
作者简介：武汉交通职业学院
电子信息工程系 09级 王圣
指导教师：罗云高
10级
王圣 张吉智 刘柯
武汉交通职业学院 大学生科技创新项目资助
参考文献：低频电子线路
傅丰林(编者)
高教出版社 低频功率放大器的可靠性设计
江南大学学报
金属探测定位器 篇5
1 系统设计
本设计为一种特定范围扫描系统。通过扫描预先给定的范围, 准确定位出期望扫描到的物体。将TI公司的非接触式传感器芯片LDC1000搭载在可移动小车上, 在探测区域内部进行搜索, 采用Freescale Kinetis K60单片机, 通过程序控制小车遍历区域内部各点, 实现对金属的探测, 主驱动芯片采用ST公司
2 原理分析
探测器对不同材料的物品反馈信息不同, 单片机据此作出相应动作。
2.1 LDC1000参数的确定
为提高LDC1000的测量精度, 需要调整它的参数, 即寄存器Rp_Max和Rp_Min的值。
首先选取两个合适的值写入寄存器, 再将金属物体放在距离线圈最近位置, 此时涡流损耗最大, 将Rp_Min的值逐渐增大当code值接近25000时选择此时的Rp_Min, 反之亦然。为实现金属探测器对不同材料的识别, 将传感器隔着3mm厚的有机玻璃板进行了大量的实验, 对传感器的返回值Proximity data进行测量, 总结出了对于不同材料合理的范围, 以利于不同目标的识别。如表1所示。
2.2 检测与控制算法
由于小车的特殊性, 无法从机械上规定运动方向, 本控制策略采用了边沿检测, 随机路径规划, 传感器数值滤波等算法来保障小车能带动传感器有到达任何探测区域的可能。
2.2.1 沿检测
当传感器检测到边沿时, 小车自动停止前进, 执行随机路径规划策略。
2.2.2 随机路径规划
小车后退并转向, 选取随机路径继续前进, 避免路径扫描重复, 具体通过单片机产生间断的PWM波控制车轮微调, 后退、转向时间在一定范围内随机。
2.2.3 发现可疑物品
微调车轮自动滤掉非有效数据, 并定位目标。
2.3 测试结果
为了验证算法的合理性, 将传感器搭载到以0.1m/s速度运行的小车上, 对1角硬币和1元硬币进行实际测试, 连续8次所用时间分别为40s, 5s, 28s, 80s, 10s, >120s, 32s, 13s。
从数据可以看出, 这种算法有较大几率可以快速测到硬币的位置, 速度远比逐行扫描的速度快, 同时也存在少数检测超时的情况, 但总体来说成功率很高, 是一种非常好的扫描方法。同时, 在试验中发现, 若提高小车速度, 虽然检测效率会提高, 但降低了定位准确性, 故设定一个合适的速度非常重要。
3 总结
本系统整体思路较完善, 可行性较高, 但由于传感器检测范围有限, 想要提高检测效率, 必须对检测路线进行优化, 这也是本系统可以进一步改进的地方。整个系统的难点在于对传感器采集信号的处理以及对小车的控制。小车的速度会直接影响传感器的数值, 因此速度不宜过快。虽然本系统检测准确率很高, 但是定位的准确度还需进一步提高, 可以用步进电机取代直流电机。
摘要：针对LDC1000数字传感器, 利用K60单片机, 实现可自主移动金属探测定位器的设计。本文详细讨论了系统设计方案的选择及其可行性, 并给出硬件电路设计及部分软件程序。本设计较好的实现了金属检测功能, 定位准确, 可行性高。
关键词：金属检测,LDC1000,数字传感器,K60单片机直流电机
参考文献
[1]雷红淼, 程耀瑜.基于L298N的直流电机驱动电路优化设计[J].数字技术与应用, 2012 (2) :118-120.
[2]杨少环, 高晓光, 符小卫.基于博弈论的无人机搜索路径规划[J].系统工程与电子技术, 2011 (10) :2254-2257.
二维平面金属探测器 篇6
关键词：自动检测,二维平面,报警
1.背景与意义
金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器, 常用来排查地雷, 排查违禁物品, 检测隐蔽的电线、管线的布线等领域。目前国际国内开发较多的是手持式金属探测器。其检测局限于检测人体携带的金属物体或检测小型密闭箱体中的金属, 并且扫描区域不全面, 误差大等不足。为此我们提出一种基于二维平面坐标系下可自主移动探测的金属探测器, 其扫描过程无人工参与, 扫描区域完整, 可显示金属物体的坐标。具有设备成本低, 探测精度高, 定位明确, 自主探测等特点。并且适合在恶劣环境中实现金属的准确检测。
2.整体设计
2.1 设计内容方案
根据本课题工作的实际背景, 设计流程如下:
(1) 原理分析, 收集金属探测器产品和原理的资料, 并进行金属探测器资料整理和分析利用。
(2) 系统整体设计, 根据调研结果和可行性分析, 设计系统总体框架。根据探测精度高, 适应恶劣环境等要求。
(3) 硬件设计方案, 其硬件设计包括:平面二维坐标机械运动, 金属检测, 报警显示, 系统电源四模块。初步设想金属检测部分采用LDC1000 数字转换器。
(4) 软件设计方案, 软件设计要求完成:二位自主运动功能, 检测功能、动态显示检测结果、数据输出功能。
(5) 系统联合调试与参数测试, 完成硬件和软件的联合调试, 以及参数测量。
2.2. 设计目标
(1) 具有足够高的灵敏度, 能检测出满足精度要求的金属。
(2) 具有足够高的稳定度, 能抵抗各种外界环境的干扰, 维护方便。
(3) 具有足够高的快速检测性, 能快速完成检测数据采集、处理、显示、存储和标记等任务。
3.检测原理
3.1 电感检测原理
LDC1000 芯片采用的电感检测原理是利用大学物理中的讲到的电磁感应原理. 在其电路的自有线圈中加上一个交变电流 (如图1 右侧) , 在线圈的周围就会产生一个交变电场。这时如果有金属物体进入这个交变电场 (如图1 左侧) 则会在金属表面产生涡流即感应电流, 感应电流跟线圈中的电流方向相反, 感应电流产生的感应电磁场和线圈的电磁场相反。这时, 涡流产生的感应电磁场就可以反映出金属物体大小和距离线圈远近的函数。检测这个与线圈电磁场相反的感应电磁场就可以知道金属的位子。
检测感应电磁场的方法如下, 涡流产生的反向电磁场和线圈耦合在一起, 就像有另一个次级线圈存在一样。这样自有线圈作为初级线圈, 涡流效应作为次级线圈, 就形成了一个“变压器”, 如图2 所示, 通过变压器的互感作用, 在初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数。
图2 中Ls是初级线圈电感值, Rs是初级线圈的寄生电阻。L (d) 是互感值, R (d) 是互感的寄生电阻, 括号中用d是因为它们是距离的函数[1]。
3.2 LDC1000 的检测原理
LDC1000芯片的检测原理并不是直接检测串联的电阻, 而是检测等效并联电阻。因为交变电流如果只加在自有线圈的电感上 (初级线圈) , 则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。但如果将一个电容并联在电感上, 由于LC的并联谐振作用, 能量损耗大大减小, 其能量只会损耗在Rs和R (d) 上。所以检测R (d) 的损耗就可以间接的检测到d。其原理图和实物图如图3 所示。
根据大学物理教科书可以得到等效并联电阻的计算公式[2], 如下。
等效并联电阻:
外部没有金属物体时 ( 也就是去掉和d相关变量) :
4.硬件设计
4.1 自主运动机械结构
自主运动机械结构采用二维坐标式扫描, 将整个探测区域置于二维坐标X轴Y轴第一象限中, 与电动机安置在一起的探测头置于两坐标交点处, 分别在X轴Y轴上运动, 以达到对第一象限中的所有点的扫描。如图4。
X轴Y轴均由导轨构成, 为保证结构稳定性将两个平行的导轨置于X轴以起到稳定作用。同时两个X轴导轨和一个Y周导轨安置减速电机, 将金属探测器探头放置在Y轴上的减速电机上。并分别在X轴导轨两端和Y轴两端末端放置碰撞开关, 当探头电机或Y轴碰撞到其两端的碰撞开关后即向相反方向运动。检测开始后, Y轴上的电机带动探测头从任意点进入探测区在并在Y轴上往复运动来回后X轴上的电机带动Y轴轨道移动一次 (1.5CM即探头探测宽度) , 接着电机带动探测头在Y轴上再次往复运动来回, 如是反复直到检测到金属物体。
此方案扫描区域全, 控制机械简单明了, 运动自如, 定位精准。
4.2. 电路设计
(1) 复位电路
REST引脚持续两个周期以上高电平则单片机所有的I/O口都将复位到“1”状态, 编程地址计数器复位到000H。针对这一特点设置一个电键并在其两端并联10μf的电解电容, 正极接电源[3]。由于一个时钟周期很短, 这样在电键按下又释放后即可完成复位。如图5。
(2) 蜂鸣器电路
给蜂鸣器的正极和负极分别通上高电平和低电平时蜂鸣器就会发声, 因此用单片机给蜂鸣器不同频率的电平即可使它发出不同的声音[3]。电路图如图6。
(3) 单片机电路
单片机选用的是12C5A60S2 高性能单片机, 内含8K的可反复檫写的FLASH只读存储器和128B的随机存储器。由于本次金属探测器的设计, 包括前端金属探测部分和后台数据处理和显示两个部分, 因此在前断只需要一个容量不大的单片机进行振荡频率的测量、报警和通信, 8K的12C5A60S2足以满足需求[3]。电路图如图7所示。
6.系统测试
6.1测试方法
金属物体放入检测区任意位置 ( 距探测边界≥ 5cm) , 探头置于任意位置。启动金属探测器, Y轴上的电机带动探测头迅速沿Y轴往复运动一次后, X轴上的电机带动Y轴轨道向X轴正半轴运动一次 (约1.5cm) .X轴上的电机每动一次Y轴上的电机便迅速沿Y轴运动一次。当X轴上的电机或Y轴上的电机运动到坐标末端时, 接触碰撞开关, 电机开始向反方向运动, 直到当LCD1000 的感应线圈感应到金属物体。
6.2 测试结果
当检测到金属物体时, 蜂鸣器发声, LED灯点亮, 同时X轴上的电机停止, Y轴上的电机缓慢的上下运动, 反复检测确定金属物体位子, 当确定金属物体的确切位子后, Y轴电机停止运动, 指针指向金属物体中心, 数码管显示当前金属物体坐标。
结果显示装置可以检测并指示金属物体的具体位置, 检测用时满足快速性要求, 测试平均误差在0.5cm以内, 部分坐标点能达到0.3cm标准, 整体测试数据符合设计要求。
6.3测试数据及分析
将金属物体分别置于坐标 (35, 15) (25, 10) (40, 20) (15, 15) (25, 15) 点, 使用我们设计的金属探测器进行检测, 检测用时结果如表1 所示。从检测结果中可以看出系统能够稳定的检测各个坐标点的金属物体, 并且检测用时均小于120S, 满足了系统检测的快速性要求。检测结果在Y轴误差稍大于X轴误差, 但是误差距离均不大于0.5cm, 部分情况下可以达到0.3m以内, 系统的准确性较手持式金属探测器有很大的提高。
7.总结
在整个设计制作过程中, 我们收获是颇多的, 不仅重温了数电, 模电等基本知识, 也让我们认识到应该将所学付诸实用。同时, 我们翻阅了很多资料, 一起解决了许多问题, 提高了我们的团队意识和解决问题的能力。经努力我们初步实现到上述的设计方案及实现期望。最终探测器可以检测到金属物体的位子, 指针能指示金属物体中心, 同时检测到金属物体时蜂鸣器发声, LED灯点亮, 数码管显示金属物体坐标。
参考文献
[1]邱关源。电路[M]。北京:高等教育出版社, 2006.5 (252, 271)
[2]徐送宁。大学物理[M]。北京:科学出本社, 2013.1 (87, 99)