摘  要： 利用LDC1000電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了一個(gè)金屬探測(cè)小車,。小車以MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心,，控制裝有LDC1000電感傳感器的擺臂左右擺動(dòng)，進(jìn)行金屬探測(cè),?？刂撇呗詾橄却致話呙柙倬_定位，能在500 mm×500 mm的測(cè)試區(qū)域內(nèi)探測(cè)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(cè)小車探測(cè)精度高，測(cè)量信息準(zhǔn)確,、穩(wěn)定,，而且成本低，能適應(yīng)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(yīng)用前景。

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

0 引言

　　金屬探測(cè)器是利用金屬傳感器實(shí)現(xiàn)的能在一定范圍內(nèi)探測(cè)到是否有金屬物體并能對(duì)金屬物體進(jìn)行定位的儀器,。由于采用非接觸式的感測(cè)技術(shù),，使得金屬探測(cè)器在軍事、工業(yè)和安全等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,，如地雷探測(cè),、食品質(zhì)量檢測(cè)、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(yīng)用于食品、藥品,、玩具等領(lǐng)域[1],。目前,，市場(chǎng)上大多數(shù)金屬探測(cè)器還是采用體積龐大、價(jià)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(jià)格更低,，測(cè)量數(shù)據(jù)也更精確,。

1 探測(cè)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(shí)現(xiàn)了電感式感測(cè)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(cè)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(cè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的分辨率,。另外，電感式感測(cè)還可耐受諸如污垢和灰塵等非導(dǎo)電干擾,，并且支持布設(shè)遠(yuǎn)程傳感器,，從而使其非常適合于嚴(yán)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(shè)備上成為可能；同時(shí),，更小的體積給設(shè)計(jì)者保留了更充足的設(shè)計(jì)空間,，應(yīng)用范圍也更加廣泛。

　　1.2 LDC1000電感感測(cè)原理

　　LDC1000電感感測(cè)探頭為一個(gè)自制線圈,，在線圈中加上一個(gè)交變電流,，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，如果有金屬物體進(jìn)入這個(gè)磁場(chǎng)時(shí),，就會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,，如圖1所示。感應(yīng)電流與線圈電流方向相反,，感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)方向相反,。而感應(yīng)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(cè)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(chǎng)的同時(shí)也會(huì)消耗大量的能量,。這時(shí)將一個(gè)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(huì)損耗在Rs和R（d）上，只要檢測(cè)到R（d）的損耗就可以間接地檢測(cè)到距離d,。

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

　　圖3為實(shí)測(cè)結(jié)果,，測(cè)試點(diǎn)在線圈的兩級(jí),，利用差分探頭可以在示波器上直接看到波形?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)波形是正弦波，正弦波的頻率是諧振頻率,。金屬遠(yuǎn)離線圈時(shí),，由于沒有感應(yīng)電流的反向磁場(chǎng)，線圈的電感最大,，諧振頻率最低（2.71 MHz）,，如圖3（a）所示。當(dāng)金屬物體靠近時(shí),，由于感應(yīng)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng),，使線圈的等效電感下降，諧振頻率就會(huì)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(jì)算出電感L值,。根據(jù)衰減震蕩的曲線可以計(jì)算出并聯(lián)等效電阻Rp,。

2 總體設(shè)計(jì)

　　2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　為了讓金屬探測(cè)小車結(jié)構(gòu)更簡單而又轉(zhuǎn)向靈活，小車采用雙驅(qū)動(dòng)輪加一個(gè)萬向輪的兩驅(qū)三輪車體結(jié)構(gòu),。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別用單獨(dú)的電機(jī)來驅(qū)動(dòng),，第三個(gè)輪起支撐作用。這種結(jié)構(gòu)可以使小車在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)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(jī)，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(cè)任務(wù),，也為后來的控制算法提供了有力的保障。小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　金屬探測(cè)小車以飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128MAA單片機(jī)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(chǔ)器,，而且還集成了串行通信接口（SCI）,、串行外設(shè)接口（SPI）、定時(shí)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(jī)內(nèi)的SPI模塊與LDC1000進(jìn)行通信,，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)讀取到單片機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,，通過PWM模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),，進(jìn)行下一個(gè)位置點(diǎn)的探測(cè)。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)到最小角度或最大角度時(shí),，同時(shí)控制電機(jī)使小車向前運(yùn)動(dòng)一小段距離,，然后舵機(jī)以反方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此往復(fù),，直到探測(cè)到目標(biāo)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(gè)系統(tǒng)的核心,。一個(gè)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(cè)的精度,。本金屬探測(cè)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(cè)小車以20 ms為一個(gè)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(yīng)的輸出。剛開始探測(cè)時(shí),，小車把擺臂轉(zhuǎn)到最左邊,。此后，在每個(gè)控制周期內(nèi),，單片機(jī)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(duì)應(yīng)的舵機(jī)打角記錄下來，然后,，擺臂向右轉(zhuǎn)動(dòng)大約1°,，等待進(jìn)入到下一個(gè)控制周期,。當(dāng)擺動(dòng)到最右端時(shí)，小車向前移動(dòng)大約  5 mm,，然后讀取傳感器數(shù)據(jù),，記錄數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的舵機(jī)打角，擺臂向左轉(zhuǎn)動(dòng)大約1°,，等待進(jìn)入到下一個(gè)控制周期,。如此往復(fù)，直到讀取回來的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度波動(dòng),，這時(shí)就可以推斷出傳感器附近有金屬物體了,。此時(shí)，讓金屬探測(cè)小車?yán)^續(xù)掃描,，直到數(shù)據(jù)幅值出現(xiàn)下降趨勢(shì),。再通過查找記錄下來的數(shù)據(jù)，找到幅值最大時(shí)的小車位置及舵機(jī)打角,，并將舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的打角,，然后進(jìn)入精確定位階段。

　　在精確定位階段,，金屬探測(cè)小車還是以20 ms作為一個(gè)控制周期,。先讓舵機(jī)保持之前數(shù)據(jù)幅值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的打角，然后在每個(gè)控制周期內(nèi)向后以1 mm的間距移動(dòng)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(dòng)。此時(shí),，舵機(jī)每個(gè)控制周期向右轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)每個(gè)控制周期向左轉(zhuǎn)動(dòng)大約0.2°，直到數(shù)據(jù)大小開始下降,。

　　經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試,，得到了探測(cè)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(cè)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(cè)任務(wù)已經(jīng)完成,，金屬探測(cè)小車發(fā)出“滴滴滴”的提示音。

3 實(shí)際測(cè)試

　　3.1 測(cè)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(cè)試區(qū)域內(nèi)的任一位置,，測(cè)試區(qū)域上方覆蓋一層厚度為3 mm的有機(jī)玻璃,，將小車放在測(cè)試區(qū)域外，并將小車的方向朝向測(cè)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(cè),。記錄探測(cè)完成所需時(shí)間（探測(cè)用時(shí)）及探頭中心與硬幣圓心之間的距離（探測(cè)誤差）。

　　3.2 測(cè)試結(jié)果

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

4 結(jié)論

　　本金屬探測(cè)小車能夠在2 min之內(nèi)探測(cè)到500 mm×500 mm測(cè)試區(qū)域內(nèi)任意位置上的硬幣,，并能將探測(cè)誤差控制在5 mm以內(nèi)，而且能夠分辨出硬幣類別,?？焖佟⒕_是本金屬探測(cè)小車的特性,，但由于電機(jī)齒輪,、舵機(jī)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(jī)和舵機(jī),，將會(huì)進(jìn)一步減小探測(cè)誤差，使金屬探測(cè)小車更加完美,。

參考文獻(xiàn)

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