王立謙 陳 強(qiáng)

(華中科技大學(xué)武昌分校機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430064)

數(shù)字式金屬探測定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王立謙 陳 強(qiáng)

(華中科技大學(xué)武昌分校機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430064)

針對(duì)非接觸式尋找目標(biāo)區(qū)域金屬物的檢測定位系統(tǒng)，使用新型電感數(shù)字傳感器LDC1000作為檢測元件，利用傳感器所帶線圈產(chǎn)生的交變磁場檢測進(jìn)入磁場范圍內(nèi)的金屬物，以加載傳感器的遙控小車,進(jìn)行掃描路徑的控制。系統(tǒng)以工作頻率為8 MHz的STM32單片機(jī)為主控核心接收并處理檢測數(shù)據(jù)，控制直流減速電機(jī)帶動(dòng)無線遙控小車進(jìn)行區(qū)域掃描，無線遙控通過SI4432通信模塊實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以提供高效的金屬探測及定位功能，且實(shí)現(xiàn)了探測儀的小型化和遠(yuǎn)距遙控，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

金屬探測 LDC1000 STM32 交變磁場 無線遙控 小型化

0 引言

金屬探測器作為一種常見的安全檢查設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事等領(lǐng)域。常見的金屬探測器一般采用霍爾傳感器作為傳感器，但是這種傳感器需要配合較復(fù)雜的硬件電路，如放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、校準(zhǔn)電路等，且誤差較大[1-3]。

基于感測技術(shù)的電感數(shù)字傳感器LDC1000能夠不接觸目標(biāo)物體而將金屬導(dǎo)體的檢測信號(hào)數(shù)字化；無需校準(zhǔn)，可直接與控制部件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而使得外部硬件電路大大簡化。此外，該傳感器不僅能夠檢測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)是否存在金屬導(dǎo)體，還能夠檢測目標(biāo)導(dǎo)體與傳感器之間的距離，因此具有精度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、無觸點(diǎn)等特點(diǎn)，能夠在灰塵、污垢、油污及潮濕環(huán)境中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體目標(biāo)的低成本、高分辨率的感測。相比之下，設(shè)計(jì)開發(fā)基于電感數(shù)字傳感器檢測元件的金屬檢測系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。此外，電感數(shù)字傳感器采用線圈產(chǎn)生磁場，不需要磁體和復(fù)雜的校準(zhǔn)，不使用稀土，因此更為環(huán)保。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 渦流傳感器工作原理Fig.1 The working principle of eddy current sensor

根據(jù)電磁理論, 當(dāng)金屬物體被置于變化的磁場中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，這就是金屬的渦流效應(yīng)[4-6]。電感數(shù)字傳感器LDC1000利用電磁感應(yīng)原理，在傳感器自身線圈上加一個(gè)交變電流I1，線圈周圍產(chǎn)生交變電磁場H1。這時(shí)如果有金屬物體進(jìn)入此電磁場，會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流H2(感應(yīng)電流I2)。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場跟線圈的電磁場方向相反。該渦流是金屬物體種類、距離、大小的函數(shù)。渦流產(chǎn)生的反向磁場跟線圈耦合在一起，如一次級(jí)線圈。這樣LDC1000的線圈作為初級(jí)線圈，渦流效應(yīng)作為次級(jí)線圈，就形成了一個(gè)變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級(jí)線圈側(cè)就可以檢測到次級(jí)線圈的參數(shù)。

當(dāng)在線圈側(cè)并聯(lián)一個(gè)電容在電感上時(shí)，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，能量只消耗在R1和R2′上，因此檢測出(R1+R2′)的損耗就可以間接地檢測到金屬物體的距離、種類等。LDC1000能夠?qū)z測出的等效電阻直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并送控制部分進(jìn)行處理。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

金屬探測儀的硬件電路主要由傳感器檢測系統(tǒng)、STM32驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)系統(tǒng)和無線接收遙控系統(tǒng)3部分組成，其整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。STM32首先對(duì)LDC1000進(jìn)行配置，設(shè)置其檢測范圍，然后接收其檢測數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The system structure

LDC1000數(shù)字傳感器在線圈中加交變電流，以產(chǎn)生交變磁場;小車以無線遙控方式帶動(dòng)車載傳感器,以掃描方式對(duì)被測區(qū)域進(jìn)行掃描。當(dāng)傳感器附近無金屬物體時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)；當(dāng)有金屬物體進(jìn)入交變磁場后，產(chǎn)生渦流效應(yīng)，使得傳感器端的等效電感與阻抗均發(fā)生變化。LDC1000數(shù)字傳感器將此變化的阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并通過SPI方式與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，STM32通過與基準(zhǔn)信號(hào)比較，得出數(shù)據(jù)是否異常。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103ZE為控制核心，其內(nèi)核工作頻率可高達(dá)72 MHz，使系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理有較大裕量；其豐富的I/O端口、大量的片上外設(shè)以及豐富的固件庫使得系統(tǒng)的硬件電路體積更小，編程更簡單，可靠性更高。系統(tǒng)使用了2個(gè)SPI接口、3個(gè)16位定時(shí)器以及大量的通用I/O口[7-9]。

2.1 傳感器檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電感數(shù)字傳感器LDC1000對(duì)金屬物進(jìn)行檢測。LDC1000傳感器體積小，靈敏度高，且其能夠直接輸出數(shù)字量，使得系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)非常簡單。主控芯片與傳感器通過SPI模式直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，硬件成本低。主控芯片工作電路及傳感器芯片連接的硬件電路如圖3所示。LDC1000的工作頻率由STM32的1個(gè)32位定時(shí)器產(chǎn)生提供，SPI的通信速率設(shè)定為5 kHz。

圖3 傳感器檢測電路Fig.3 The detection circuit of the sensor

2.2 無線遙控模塊電路設(shè)計(jì)

無線接收模塊接收無線遙控信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載傳感器的移動(dòng)路徑控制;遙控傳感器對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行逐次掃描，將人與檢測區(qū)域隔離開來。無線遙控接收模塊采用高度集成的SI4432芯片，它具有極低的接收靈敏度(-118 dBm)及較大的輸出功率，有效通信距離可達(dá)1 km，無需外加功放電路即可保證傳輸范圍和穿透能力。無線接收模塊接收到遙控信息后，通過SCLK、SDI及SDO與STM32的第二個(gè)SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。無線接收硬件電路如圖4所示。

圖4 無線接收電路Fig.4 The wireless receiving circuit

STM32先對(duì)SI4432進(jìn)行配置。無線通信頻率高時(shí)通信距離較近，因此根據(jù)通信距離，設(shè)定其無線通信頻率為較低的433 MHz，工作于FIFO模式，波特率為9 600 bit/s。工作模式確定后，當(dāng)SI4432接收到有效數(shù)據(jù)時(shí)，nIRQ會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低電平，觸發(fā)STM32中斷，STM32即可通過SPI方式接收無線數(shù)據(jù)。

2.3 直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

主控芯片根據(jù)遙控信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)小車運(yùn)行。為了使探測器可以在臟污復(fù)雜環(huán)境中使用，系統(tǒng)采用兩個(gè)大力矩的直流減速電機(jī)帶動(dòng)小車。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用飛思卡爾公司的驅(qū)動(dòng)芯片MC33886，它可連續(xù)提供5 A電流，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)。STM32采用16位定時(shí)器產(chǎn)生PWM波對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制。當(dāng)車載傳感器需要作非直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可通過使兩個(gè)電機(jī)得到的PWM波占空比不同實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)為遙控控制，且減速直流電機(jī)性能平穩(wěn)，因此未設(shè)測速單元。具體的硬件設(shè)計(jì)電路如圖5所示，IN1和IN2與STM32的I/O口直連。

圖5 直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 The drive circuit of DC gear motor

此外，由于各類芯片工作電壓不同，還進(jìn)行了電源模塊的設(shè)計(jì)，分別為系統(tǒng)提供+3.3 V、+5 V和+7.2 V電壓。

3 金屬導(dǎo)體檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主流程圖Fig.6 The main flowchart of the system

LDC1000應(yīng)用非常靈活，不僅可以檢測金屬物的位置，還可以檢測目標(biāo)與傳感器線圈的距離，并且通過調(diào)整線圈，可以調(diào)整檢測范圍。根據(jù)測試試驗(yàn)條件，LDC1000需檢測2 cm～3 m范圍內(nèi)的金屬物，為了提高測量精度及反應(yīng)速度，對(duì)其量程進(jìn)行配置。根據(jù)傳感器距金屬物最近及最遠(yuǎn)的測量數(shù)據(jù)，將LDC1000的寄存器配置為RpMAX=2 968,RpMIN=27 681。

此外，在實(shí)際應(yīng)用中，檢測到的原始數(shù)據(jù)可能受到噪聲的干擾。經(jīng)在線調(diào)試，傳感器的檢測數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)小幅波動(dòng)。由于STM32運(yùn)算速度較快，有較大預(yù)量，且為了得到更有效的數(shù)據(jù)以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，系統(tǒng)針對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的平滑處理[10]，處理點(diǎn)數(shù)為100點(diǎn)。

4 測試數(shù)據(jù)

對(duì)實(shí)驗(yàn)室中可獲得的3種金屬物：鐵絲、一角硬幣(鎳合金)和易拉罐拉環(huán) (鋁合金)進(jìn)行了實(shí)測研究, 主要包括對(duì)線圈的靈敏度和快速性的研究。固定所有試驗(yàn)條件, 測試不同金屬種類下傳感器的檢出率和檢出速度。所測得的數(shù)據(jù)如表1所示。探測小車置于4 m2的木板上，其對(duì)木板下放置的金屬物進(jìn)行檢測。

表1 檢測數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data

由于系統(tǒng)是以線圈附近無金屬物時(shí)的檢測信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，不同金屬導(dǎo)體均會(huì)產(chǎn)生不同于基準(zhǔn)信號(hào)的異常數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)可檢測出不同的金屬物，達(dá)到了系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種用于金屬探測的遙控車載探測儀。在分析計(jì)算電感強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用STM32單片機(jī)作為核心控制電路，以基于感測技術(shù)的電感數(shù)字傳感器作為傳感器，以無線遙控小車作為控制掃描路徑的手段，搭建了系統(tǒng)檢測電路。試驗(yàn)在4 m2范圍內(nèi)進(jìn)行，系統(tǒng)多次采樣求平均值，對(duì)不同金屬物進(jìn)行檢測，檢出率達(dá)100%。本系統(tǒng)硬件電路簡單，體積小，可以對(duì)狹小及惡劣環(huán)境中進(jìn)行遙控檢測，具有精度高、速度快的特點(diǎn)，應(yīng)用范圍較廣。

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Design of the Digital Metal Detection and Locating System

Aiming at the non-contact detection and locating system for the metal object in target area, by adopting the new type of inductive digital sensor LDC1000 as the detecting component, and the alternating magnetic field generated by the coil of sensor to detect the metal object inside the magnetic field. With the remote controlled car of the loading sensor the scanning path is controlled. With STM32 single chip computer as the main control core that is working at 8 MHz, the detection data are

and processed to control DC geared motor, drive the wireless remote controlled car for scanning the target area; the wireless remote control is implemented via SI4432. The result of tests shows that the system can provide high efficient metal detection and locating functions, and realize miniaturization and remote control for the detector, it possesses higher applicable value.

Metal detection LDC1000 STM32 Alternating magnetic field Wireless remote control Miniaturization

湖北省教育科學(xué)十二五規(guī)劃課題項(xiàng)目(編號(hào)：2014B316)。

王立謙(1975-)，女，2007年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)通信工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事嵌入式技術(shù)的研究。

TH865

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506007

修改稿收到日期：2014-12-29。