基于LDC1000和Kinetis微控制器的金屬探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以LDC1000傳感器以及飛思卡爾Kinetis系列微控制器K60為核心，組成具有定位功能的金屬探測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)金屬的渦流效應(yīng)對(duì)金屬物體進(jìn)行檢測(cè)，能夠在一定范圍內(nèi)迅速定位出金屬物體的精確位置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，距離物體中心定位誤差不超過(guò)4 mm，最小可以檢測(cè)出2 cm2大小的金屬物體。測(cè)量數(shù)據(jù)在單片機(jī)中進(jìn)行處理，軟件上采用了數(shù)字濾波，進(jìn)一步減少了誤差干擾信號(hào)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確性。該系統(tǒng)可通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示當(dāng)前金屬物體所在具體位置，并利用按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

引言

金屬探測(cè)儀作為一種非接觸式檢測(cè)裝置，在工業(yè)領(lǐng)域以及日常安檢中有著十分廣泛的應(yīng)用，對(duì)于金屬的檢測(cè)，金屬探測(cè)儀往往需要有較高的精確度以及較快的反應(yīng)速度。本文以飛思卡爾Kinetis系列微控制器K60為控制核心，通過(guò)LDC1000電感傳感器來(lái)探測(cè)金屬物體的位置。LDC1000傳感器是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)探測(cè)與金屬物體的間距，而且對(duì)于不同的金屬材質(zhì)，其感應(yīng)的強(qiáng)度也不同。將LDC1000電感傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至微控制器中，經(jīng)過(guò)軟件處理后最終確定金屬的位置。通過(guò)直線電機(jī)和滑軌來(lái)控制LDC1000傳感器探頭的運(yùn)動(dòng)與探測(cè)。由于橫向掃描的精度要求高，所以選用步進(jìn)電機(jī)的方法來(lái)掃描，而縱向掃描要求速度快，所以選用直線電機(jī)來(lái)掃描。

同時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇探測(cè)的金屬物體類型，且探測(cè)的時(shí)間和探測(cè)到的金屬物體的位置可由液晶顯示，具有較好的人機(jī)界面。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，控制精度高，可以廣泛地用于機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭等地方的安檢，既可檢測(cè)旅客包裹中帶有的危險(xiǎn)管制刀具等，也可以檢測(cè)藏在人眼所觀察不到的地方的金屬。

1 LDC1000工作原理簡(jiǎn)介

LDC1000是一款非接觸式、短程傳感的電感檢測(cè)傳感器芯片，能夠?qū)⒛M電感值轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，同時(shí)具有低成本、高分辨率遙感的導(dǎo)電性。它的內(nèi)置處理芯片具有SPI通信接口，能夠很方便地與單片機(jī)進(jìn)行通信。LDC1000只需要外接一個(gè)PCB線圈或者自制線圈就可以實(shí)現(xiàn)非接觸電感檢測(cè)，測(cè)試外部金屬物體和 LDC相連的測(cè)試線圈的空間位置關(guān)系。利用這個(gè)特性配以外部設(shè)計(jì)的金屬物體，即可很方便地實(shí)現(xiàn)水平或垂直距離檢測(cè)、角度檢測(cè)、位移檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)和金屬成分檢測(cè)。

LDC1000的電感檢測(cè)利用的是電磁感應(yīng)原理。如圖1所示，傳感器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變電流，加在PCB線圈或者自制線圈上，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，這時(shí)如果有金屬物體進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)，則會(huì)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流(感應(yīng)電流)。由于渦流電流跟線圈電流方向相反，因此渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)跟線圈的電磁場(chǎng)方向相反。渦流是金屬物體的距離，大小、成分的函數(shù)。渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)與線圈耦合在一起，就像是有另一個(gè)次級(jí)線圈存在一樣。LDC1000的線圈作為初級(jí)線圈，渦流效應(yīng)作為次級(jí)線圈，這樣就形成了一個(gè)變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級(jí)線圈這一側(cè)就可以檢測(cè)到次級(jí)線圈的參數(shù)。

圖1中，Ls是初級(jí)線圈電感值，Rs是初級(jí)線圈的寄生電阻;L(d)是互感值，R(d)是互感的寄生電阻，括號(hào)中的d表示L(d)和R(d)是距離的函數(shù);交變電流只加在電感上(初級(jí)線圈)，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小，只會(huì)損耗在Rs和R(d)上。如圖2所示，可以看出，檢測(cè)到R(d)的損耗就可以間接地檢測(cè)到d。

在LDC1000中，等效并聯(lián)電阻Rp被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個(gè)數(shù)值的大小與Rp成反比。觀察式(2)可知，Rp與Rs成反比，同時(shí)由于Rs大小與LC諧振損耗成正比，由此可得數(shù)字量數(shù)值大小與LC諧振損耗成正比，渦流越大，損耗越大。

2 金屬探測(cè)定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文以LDC1000電感傳感器以及飛思卡爾Kinetis系列微控制器K60為核心，并且由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直線電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、LCD液晶顯示屏、矩陣按鍵、電源模塊電路、語(yǔ)音聲光模塊電路、紅外線模塊等組成，具體硬件連接圖如圖4所示。

為了在某個(gè)指定大小的區(qū)域內(nèi)快速檢測(cè)并定位不同材質(zhì)的目標(biāo)金屬，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)以及直線電機(jī)，利用X軸和Y軸連續(xù)掃描工作模式。

(1)電源的選擇

由于系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等，同時(shí)要求供電電源穩(wěn)定可靠，所以直接選擇數(shù)控穩(wěn)壓源進(jìn)行供電。給直線電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)提供+12 V～-12 V的直流電壓，然后進(jìn)入降壓電路，將電壓降低到5 V以及3.3 V，給K60微控制器以及其他模塊供電。

(2)傳感器的選擇

本文選擇了OMROM反射式紅外光電開(kāi)關(guān)，感應(yīng)距離為1～50 cm(可調(diào))，感應(yīng)方式為漫反射(非透明物)，工作電壓為DC 4.5～5.5 V，工作電流為50 mA，輸出方式為NPN常開(kāi)，響應(yīng)時(shí)間為2ms。用來(lái)檢測(cè)直線電機(jī)伸出的長(zhǎng)度，這樣可以隨意設(shè)置直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置范圍，以達(dá)到快速定位的目的。

(3)電機(jī)的選擇

通過(guò)比較各種電機(jī)的性能，選用了兩種電機(jī)：一種是57步進(jìn)電機(jī)，另一種是38直流電機(jī)。57步進(jìn)電機(jī)具有高耐壓性，可達(dá)到500 V，同時(shí)徑向跳動(dòng)最大0.02 mm(450g負(fù)載)，軸向跳動(dòng)最大0.08 mm(450g負(fù)載)，步距精度可達(dá)5%。38直流電機(jī)出軸直徑為5 mm，電機(jī)直徑為38mm，電機(jī)長(zhǎng)度為67 mm，轉(zhuǎn)速可高達(dá)4 000轉(zhuǎn)。因此，將它們結(jié)合使用既可以滿足速度要求，又可以滿足精度要求。