摘  要： 利用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器設計了一個金屬探測小車。小車以MC9S12XS128單片機為控制核心,，控制裝有LDC1000電感傳感器的擺臂左右擺動,，進行金屬探測?？刂撇呗詾橄却致話呙柙倬_定位,，能在500 mm×500 mm的測試區(qū)域內(nèi)探測到探頭下方一定距離內(nèi)的特定金屬，并分辨出金屬的不同特性,。該金屬探測小車探測精度高,，測量信息準確、穩(wěn)定,，而且成本低,，能適應多種惡劣環(huán)境，在軍事領(lǐng)域,、工業(yè)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域都有很好的應用前景,。

　　關(guān)鍵詞： LDC1000；MC9S12XS128,；金屬探測,；電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器

0 引言

　　金屬探測器是利用金屬傳感器實現(xiàn)的能在一定范圍內(nèi)探測到是否有金屬物體并能對金屬物體進行定位的儀器。由于采用非接觸式的感測技術(shù),，使得金屬探測器在軍事,、工業(yè)和安全等領(lǐng)域都有著廣泛的應用，如地雷探測,、食品質(zhì)量檢測,、地鐵安檢等，也可用于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)中化工,、橡膠,、制塑、食品加工,、采礦,、采煤等行業(yè)，還可應用于食品,、藥品,、玩具等領(lǐng)域[1]。目前,，市場上大多數(shù)金屬探測器還是采用體積龐大,、價格昂貴的電磁式金屬傳感器,。相比之下，電感式數(shù)字金屬傳感器體積更小,，價格更低,，測量數(shù)據(jù)也更精確。

1 探測原理

　　1.1 LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器簡介

　　LDC1000是美國德州儀器（TI）公司研發(fā)的世界上首例實現(xiàn)了電感式感測的電感到數(shù)字化的轉(zhuǎn)換器,。它通過以較低的系統(tǒng)成本提供優(yōu)于現(xiàn)有解決方案的性能,、可靠性和靈活性，徹底地變革了感測技術(shù),。LDC1000提供了16位的諧振阻抗和24位的電感值,，從而可在位置感測應用中實現(xiàn)亞微米級的分辨率。另外,，電感式感測還可耐受諸如污垢和灰塵等非導電干擾,，并且支持布設遠程傳感器，從而使其非常適合于嚴酷環(huán)境[2],。而且,，此款電感傳感器體積非常小，使其能夠安裝在微型設備上成為可能,；同時,，更小的體積給設計者保留了更充足的設計空間,，應用范圍也更加廣泛,。

　　1.2 LDC1000電感感測原理

　　LDC1000電感感測探頭為一個自制線圈，在線圈中加上一個交變電流,，線圈周圍會產(chǎn)生交變電磁場,，如果有金屬物體進入這個磁場時，就會在金屬物體表面產(chǎn)生感應電流,，如圖1所示,。感應電流與線圈電流方向相反，感應電流產(chǎn)生的感應磁場與線圈的磁場方向相反,。而感應電流的大小與金屬物體的大小,、成分、金屬物體與線圈的距離相關(guān),。

　　如圖2所示,，由于金屬物體與自制線圈的互感作用，在自制線圈這一側(cè)就可以檢測到金屬物體的參數(shù),。圖中Ls是自制線圈電感值,，Rs是自制線圈的寄生電阻；L（d）是互感值,，R（d）是互感寄生電阻,，L（d）和R（d）都是距離d的函數(shù),。交變電流如果只加在電感（自制線圈）上，則在產(chǎn)生交變磁場的同時也會消耗大量的能量,。這時將一個電容并聯(lián)在電感上,，由于LC的并聯(lián)諧振作用，能量損耗大大減少,，只會損耗在Rs和R（d）上,，只要檢測到R（d）的損耗就可以間接地檢測到距離d。

　　LDC1000并不是直接檢測串聯(lián)的電阻,，而是檢測等效并聯(lián)電阻,。等效并聯(lián)電阻的計算公式為：

　　圖3為實測結(jié)果，測試點在線圈的兩級,，利用差分探頭可以在示波器上直接看到波形,。可以看出,，實測波形是正弦波,，正弦波的頻率是諧振頻率。金屬遠離線圈時,，由于沒有感應電流的反向磁場,，線圈的電感最大，諧振頻率最低（2.71 MHz）,，如圖3（a）所示,。當金屬物體靠近時，由于感應電流產(chǎn)生的反向磁場,，使線圈的等效電感下降,，諧振頻率就會提高（3.01 MHz），如圖3（b）所示,。諧振LC中的電容C是已知的,，所以根據(jù)諧振頻率就能計算出電感L值。根據(jù)衰減震蕩的曲線可以計算出并聯(lián)等效電阻Rp,。

2 總體設計

　　2.1 機械結(jié)構(gòu)

　　為了讓金屬探測小車結(jié)構(gòu)更簡單而又轉(zhuǎn)向靈活,，小車采用雙驅(qū)動輪加一個萬向輪的兩驅(qū)三輪車體結(jié)構(gòu)。兩個驅(qū)動輪分別用單獨的電機來驅(qū)動,，第三個輪起支撐作用,。這種結(jié)構(gòu)可以使小車在較短的時間內(nèi)到達任意位置和角度。

　　為了使小車在同一位置掃描更大的區(qū)域,，小車的前方裝有能左右旋轉(zhuǎn)180°的數(shù)字舵機,，舵盤上固定著長為300 mm的擺臂，擺臂的末端固定著LDC1000傳感器,。這樣就可以讓小車更快速地完成探測任務,，也為后來的控制算法提供了有力的保障,。小車的機械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　金屬探測小車以飛思卡爾（Freescale）半導體公司的MC9S12XS128MAA單片機為主控芯片,，該芯片由16位中央處理單元（CPU12X）,、128 KB程序Flash、8 KB RAM,、8 KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲器,，而且還集成了串行通信接口（SCI）、串行外設接口（SPI）,、定時器模塊（TIM）和脈沖調(diào)制模塊（PWM）等豐富的片上資源[3],。小車用單片機內(nèi)的SPI模塊與LDC1000進行通信，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)讀取到單片機中,，對數(shù)據(jù)進行分析后,，通過PWM模塊控制舵機轉(zhuǎn)動，進行下一個位置點的探測,。當舵機轉(zhuǎn)到最小角度或最大角度時,，同時控制電機使小車向前運動一小段距離，然后舵機以反方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動,。如此往復,，直到探測到目標金屬物體，蜂鳴器發(fā)出提示音為止,。系統(tǒng)功能圖如圖5所示,。

　　2.3 控制算法

　　控制算法是整個系統(tǒng)的核心。一個好的控制算法不僅能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作,，還能盡可能地提高金屬探測的精度,。本金屬探測小車的控制算法總體思想為：先找到大概位置,，再精確定位,。

　　金屬探測小車以20 ms為一個控制周期，即每20 ms讀一次傳感器數(shù)據(jù),，然后根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)做出相應的輸出,。剛開始探測時，小車把擺臂轉(zhuǎn)到最左邊,。此后,，在每個控制周期內(nèi)，單片機從金屬傳感器讀取一次諧振阻抗數(shù)據(jù)（以下簡稱數(shù)據(jù)）,，并將此數(shù)據(jù)及對應的舵機打角記錄下來,，然后，擺臂向右轉(zhuǎn)動大約1°,，等待進入到下一個控制周期,。當擺動到最右端時,，小車向前移動大約  5 mm，然后讀取傳感器數(shù)據(jù),，記錄數(shù)據(jù)及對應的舵機打角,，擺臂向左轉(zhuǎn)動大約1°，等待進入到下一個控制周期,。如此往復,，直到讀取回來的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度波動，這時就可以推斷出傳感器附近有金屬物體了,。此時,，讓金屬探測小車繼續(xù)掃描，直到數(shù)據(jù)幅值出現(xiàn)下降趨勢,。再通過查找記錄下來的數(shù)據(jù),，找到幅值最大時的小車位置及舵機打角，并將舵機轉(zhuǎn)動到相應的打角,，然后進入精確定位階段,。

　　在精確定位階段，金屬探測小車還是以20 ms作為一個控制周期,。先讓舵機保持之前數(shù)據(jù)幅值最大時對應的打角,，然后在每個控制周期內(nèi)向后以1 mm的間距移動小車，并讀取諧振阻抗數(shù)據(jù),，直到數(shù)據(jù)出現(xiàn)下降后停止向后移動,。此時，舵機每個控制周期向右轉(zhuǎn)動大約0.2°,，并記錄下傳感器數(shù)據(jù),，直到數(shù)據(jù)大小開始下降，然后,，舵機每個控制周期向左轉(zhuǎn)動大約0.2°,，直到數(shù)據(jù)大小開始下降。

　　經(jīng)過一系列的實驗與測試,，得到了探測器探頭與硬幣中心之間的距離和諧振阻抗數(shù)據(jù)的關(guān)系,，如圖6所示，測試所用的硬幣分別為一角硬幣（2005年版,，不銹鋼,，直徑為19 mm）和一元硬幣（1999年版，鋼芯鍍鎳,，直徑為25 mm）,。根據(jù)數(shù)據(jù)的幅值大小即可判斷硬幣種類。至此，金屬探測任務已經(jīng)完成,，金屬探測小車發(fā)出“滴滴滴”的提示音,。

3 實際測試

　　3.1 測試方式

　　分別將一角硬幣和一元硬幣放在大小為500 mm×500 mm的測試區(qū)域內(nèi)的任一位置，測試區(qū)域上方覆蓋一層厚度為3 mm的有機玻璃,，將小車放在測試區(qū)域外,，并將小車的方向朝向測試區(qū)。如圖7所示,，打開小車電源開關(guān),，小車開始金屬探測。記錄探測完成所需時間（探測用時）及探頭中心與硬幣圓心之間的距離（探測誤差）,。

　　3.2 測試結(jié)果

　　將金屬探測小車按照上述方法進行實際測試,，經(jīng)過5組測試后，將測試結(jié)果制成表格,，如表1所示,。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以看出，小車能夠在2 min內(nèi)完成探測任務,，并且能將探測誤差控制在5 mm以內(nèi),。

4 結(jié)論

　　本金屬探測小車能夠在2 min之內(nèi)探測到500 mm×500 mm測試區(qū)域內(nèi)任意位置上的硬幣，并能將探測誤差控制在5 mm以內(nèi),，而且能夠分辨出硬幣類別,。快速,、精確是本金屬探測小車的特性,，但由于電機齒輪、舵機齒輪有少許的空程,，使之與理論上的控制精度有一些差別,。如果小車使用更精密的電機和舵機，將會進一步減小探測誤差,，使金屬探測小車更加完美,。

參考文獻

　　[1] 楊勇，曲曉東,，劉志珍,，等.一種改進的高靈敏度金屬檢測系統(tǒng)[J].微型機與應用,，2014,，33（17）：23-25.

　　[2] 單祥茹.TI首創(chuàng)電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器滿足多領(lǐng)域應用[J].中國電子商情（基礎(chǔ)電子），2013（10）：28.

　　[3] 張陽,，吳曄,，騰勤.MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.