金属物体探测定位器（共3篇）
金属物体探测定位器 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
金属物体探测定位器 篇2
本设计由定位模块、控制模块、金属探测模块、H桥电路控制模块、声光报警模块等部分组成, 各部分之间的连接关系如图1所示。
1) 定位模块:采用X、Y轴可自由滑动的导轨以及H桥电路驱动金属探头, 该方案硬件简单, 通过算法判定探测物的位置。
2) 边界测定模块:采用LD C 1000电感到数字转换器。提供低功耗, 小封装, 低成本的解决方案。它的SPI接口可以很方便连接M C U。LD C 1000只需要外接一个PC B线圈或者自制线圈就可以实现非接触式电感检测。利用LD C 1000这个特性配以外部设计的金属物体即可很方便的实现:水平或垂直距离检测;角度检测;位移监测;运动检测;振动检测;金属成分检测 (合金检测) 等, 可以广泛应用在汽车、消费电子、计算机、工业、通信和医疗领域。
3) 控制模块:M SP430系列单片机是美国TI公司1996年开始推向市场的一种16位的超低功耗的混合信号处理器。其之所以称之为混合信号处理器, 主要是由于其针对实际应用需求, 把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上, 以提供“单片”解决方案。M SP430单片机更适合于低功耗、高速实时控制以及数据计算, 它拥有更多的片上资源供设计使用, 是设计的不错选择。
2 硬件电路设计
2.1 主控模块
主控模块采用德州仪器M SP430F149, 主要完成电机驱动、声光报警、金属探测模块传来的数据处理等功能。通过SPI口与LD C 1000连接。
2.2 金属探测模块
本设计采用TI推出首款电感数字转换器, 即LD C 1000。LD C 1000由三部分组成:第一部分包含PC B、传感器线圈及微型电容器;第二部分包含LD C 1000 IC;第三部分是一个使用M SP430的U SB接口。LD C -1000与M SP430f149的连接采用四线制SPI连接方式, 通过SPI串行总线实现对LD C -1000的控制, 完成时序定义和数据读取。
2.3 H桥控制电路
处理器输出信号通过H桥驱动电路, 完成电机1 (X轴) 和电机2 (Y轴) 的控制。根据电机负载, 选择不同的驱动晶体管, 本设计中使用8050和8550对管实现, 采用 +12V直流电驱动。测试中电机运转正常, 控制较为灵敏。
为保证整个探测区域, 采用X -Y轴系统完成, 电机1驱动滑块完成X轴运动 (如图1) , 电机2固定在电机1的滑块上, 完成Y轴的运动, 再将主控制器固定在滑块2上, LD C -1000传感器则尽量与玻璃平面靠近, 采集相应数据。
3 软件设计
3.1 金属物体探测算法
设定相对于操作人员前后方向作为Y轴, 左右方向作为X轴, 然后根据矢量合成的原则, 计算出金属探测头应该行进的方向, 其中X为两个导轨的速度差, Y为共同速度。
由于金属探测头采用X Y轴导轨的差动控制, 在导轨测试时, 若X和Y的差距太小, 会导致趋金属物并不明显, 若Y的值太小又会使金属探测头前进速度很慢。
3.2 设计思想
根据电磁理论, 当金属物体被置于变化的磁场中时, 金属导体内就会产生自行闭合的感应电流, 这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场, 与外磁场方向相反, 削弱外磁场的变化。据此, 将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上, 流过线圈的电流会在周围产生交变磁场, 当将金属靠近线圈时, 金属产生的祸流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大, 交变电流的频率越大, 则祸电流强度越大, 对原磁场的抑制作用越强。通过以上分析可知, 当有金属物靠近通电线圈平面附近时, 无论是介质磁导率的变化, 还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属[包括抗磁体 (如:金、银、铜、铅、锌等) 和顺磁体 (如锰、铬、钦等) 可以认为是导电不导磁的物质, 主要产生涡流效应, 磁效应可忽略不计;对于铁磁性金属 (如:铁、钴、镍) 可认为是既可导电又导磁的物质, 主要产生磁效应, 同时又有涡流效应。
本设计正是基于这样的理论, 利用LD C 1000实现了电涡流传感器参数电感量到数字量的转换。需要在固定的区域内自主移动找到金属物, 通过滑块移动传感器, 在经过的地方对数据的比较, 去发现数值的变化情况, 并进行比较, 逐次逼近金属物, 而最终停止在金属物上方。
4 测试
分别对镀镍钢芯直径约19m m的1角硬币 (第五套人民币的1角硬币) 、直径约25m m的镀镍钢芯1元硬币 (第五套人民币1元硬币) 和圆铁环进行了测试, 在测试过程中发现, 传感器距金属物体的距离较近时, 对于探测一角和一元硬币显示值会有明显的变化, 而多探测圆铁环时效果不是很理想, 因此需要更新程序的算法。
5 结束语
本设计是一款基于M SP430F149为核心的单片机控制的可自主移动智能型金属探测定位器。在机械结构上, 通过可自由移动的X轴方向与Y轴方向的导轨, 实现探测定位器可自主移动。探头可在水平放置的玻璃板上移动, 完成定位时给出声- 光指示, 同时探头不再移动。系统软件采用C语言编写。在软件设计中, 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。
参考文献
[1]MSP430F13X_14X系列中文数据手册.
[2]AY-LDC1000_用户手册-V1.0.
[3]康华光.电子技术基础 (模拟部分) [M].北京:高等教育出版社, 1998.
金属物体探测定位器 篇3
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.