基于LDC1000和Kinetis微控制器的金屬探測系統(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系統(tǒng)。通過金屬的渦流效應(yīng)對金屬物體進(jìn)行檢測，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4 mm，最小可以檢測出2 cm2大小的金屬物體。測量數(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，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確性。該系統(tǒng)可通過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

　　金屬探測儀作為一種非接觸式檢測裝置，在工業(yè)領(lǐng)域以及日常安檢中有著十分廣泛的應(yīng)用，對于金屬的檢測，金屬探測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LDC1000電感傳感器來探測金屬物體的位置。LDC1000傳感器是利用電磁感應(yīng)的原理來探測與金屬物體的間距，而且對于不同的金屬材質(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)過軟件處理后最終確定金屬的位置。通過直線電機(jī)和滑軌來控制LDC1000傳感器探頭的運(yùn)動與探測。由于橫向掃描的精度要求高，所以選用步進(jìn)電機(jī)的方法來掃描，而縱向掃描要求速度快，所以選用直線電機(jī)來掃描。

　　同時(shí)，系統(tǒng)可以通過撥碼開關(guān)來選擇探測的金屬物體類型，且探測的時(shí)間和探測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)簡單，制作成本低，控制精度高，可以廣泛地用于機(jī)場、車站、碼頭等地方的安檢，既可檢測旅客包裹中帶有的危險(xiǎn)管制刀具等，也可以檢測藏在人眼所觀察不到的地方的金屬。

　　1 LDC1000工作原理簡介

　　LDC1000是一款非接觸式、短程傳感的電感檢測傳感器芯片，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，測試外部金屬物體和 LDC相連的測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、角度檢測、位移檢測、運(yùn)動檢測、振動檢測和金屬成分檢測。

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

　　圖1中，Ls是初級線圈電感值，Rs是初級線圈的寄生電阻;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(初級線圈)，則在產(chǎn)生交變磁場的同時(shí)也會消耗大量的能量。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，只會損耗在Rs和R(d)上。如圖2所示，可以看出，檢測到R(d)的損耗就可以間接地檢測到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)動模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、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，響應(yīng)時(shí)間為2ms。用來檢測直線電機(jī)伸出的長度，這樣可以隨意設(shè)置直線電機(jī)運(yùn)動的位置范圍，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)徑向跳動最大0.02 mm(450g負(fù)載)，軸向跳動最大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。