成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湯 惠 徐 濤 陳飛洋 黃 虎 林慧瓊

1 引言

金屬物體探頭在水平放置的玻璃板上移動的環(huán)境中，設(shè)計自主移動的金屬探測定位器，實現(xiàn)自動控制移動是系統(tǒng)首要解決的問題，關(guān)鍵在于金屬物體的探測速度與精度，在軟件上要求檢測程序有快速高效的特點。

2 系統(tǒng)設(shè)計

探測的硬幣、鐵環(huán)的金屬面積都比較小，需要小范圍內(nèi)的精準(zhǔn)位置判斷，使用金屬滑臺對檢測區(qū)域進(jìn)行無死角掃描檢測。將傳感器模塊固定在H型的金屬滑臺，通過電機(jī)控制滑臺的導(dǎo)軌運動，傳感器隨之進(jìn)行金屬檢測。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

使用絲桿作為導(dǎo)軌制作成H型滑臺，通過42步進(jìn)電機(jī)控制滑臺在X和Y方向上移動。LDC1000探測器搭載于導(dǎo)軌上，通過滑臺快速掃描檢測，當(dāng)LDC1000的傳回的阻抗值發(fā)生突變，說明探頭已接近金屬物體，此時結(jié)束快速掃描檢測，再通過探測器進(jìn)行精確測量，完成對金屬物體的定位。金屬探測器向MCU傳回數(shù)字信號，MCU經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理，得出探測器與金屬的相對位置，并不斷經(jīng)檢測更正，最終完成探測。當(dāng)掃描結(jié)束后，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，在12864液晶屏上顯示探頭坐標(biāo)且聲-光提示檢測結(jié)束。

2.2 檢測方式設(shè)計

設(shè)計檢測區(qū)域為50*50的玻璃板，由于金屬放置位置據(jù)探測邊界大等于5cm，因此實際掃描范圍應(yīng)是40*40cm正方形區(qū)域。LDC1000自帶PCB線圈直徑：d=14mm；設(shè)計掃描間隔距離：l=7mm。設(shè)計使用自制線圈N形掃描，精確檢測，中垂線檢測方式對鐵環(huán)進(jìn)行檢測。

2.3 單元電路設(shè)計

金屬探測模塊：采用TI公司生產(chǎn)的AY-LDC1000電感傳感器，外接PCB線圈實現(xiàn)非接觸式電感測量，通過三線SPI接口連接MCU，同時添加CSB使能信號控制SPI的讀寫。從MCU輸出一個8M時鐘信號連接至LDC1000的TBCLK引腳作為頻率計數(shù)時鐘頻率。在SPI通信中，片選信號發(fā)出后，16個時鐘周期即可完成一次讀寫操作。

四二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路：采用42BYGH兩廂混合式步進(jìn)電機(jī)和配套驅(qū)動作為滑臺導(dǎo)軌的驅(qū)動。通過MCU的硬件PWM波控制，通過MCU對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整、正反轉(zhuǎn)調(diào)整、使能等操作。驅(qū)動電路使用兩片LV8731V芯片分別驅(qū)動XY軸兩個電機(jī)。MCU向芯片的STEP輸出PWM波，以此驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時MCU通過AT2/AT1控制驅(qū)動電流的大小，F(xiàn)R控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，OE作為使能信號。

LCD12864液晶顯示電路：顯示探頭坐標(biāo)位置及方便確認(rèn)檢測完成等功能。

連接：采用串行連接方式，RS、RW和E三條信號線作為控制信號，MCU的P4口作為串行數(shù)據(jù)輸出口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖2 程序整體流程圖

第一階段：主程序初始化完成后，開始進(jìn)入“快速掃描”階段，通過蛇形方式對檢測區(qū)域進(jìn)行掃描，當(dāng)LDC1000的傳回值發(fā)生兩位數(shù)量級以上的變化時，說明探測器已接近金屬物體，此時停止“快速掃描”，開始“精確檢測”。

第二階段：利用中垂線檢測算法，先對水平方向的金屬強(qiáng)度進(jìn)行檢測，找到金屬強(qiáng)度最大的點，然后以此點為中心，對垂直方向進(jìn)行金屬強(qiáng)度檢測，最終確定金屬物體的準(zhǔn)確位置。此時，停止檢測，顯示探頭坐標(biāo)。

4 總結(jié)

設(shè)計以自動掃描方式，在硬件上采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的XY 軸絲桿滑臺來帶動傳感器自動掃描，12864 顯示掃描結(jié)果，整體電路結(jié)構(gòu)清晰簡單。軟件利用C51 語言的高度靈活性，模塊化進(jìn)行軟件設(shè)計。

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