王立謙 陳 強

(華中科技大學武昌分校機電與自動化學院，湖北 武漢 430064)

數(shù)字式金屬探測定位系統(tǒng)的設計

王立謙 陳 強

(華中科技大學武昌分校機電與自動化學院，湖北 武漢 430064)

針對非接觸式尋找目標區(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生的交變磁場檢測進入磁場范圍內的金屬物，以加載傳感器的遙控小車,進行掃描路徑的控制。系統(tǒng)以工作頻率為8 MHz的STM32單片機為主控核心接收并處理檢測數(shù)據(jù)，控制直流減速電機帶動無線遙控小車進行區(qū)域掃描，無線遙控通過SI4432通信模塊實現(xiàn)。試驗結果表明，系統(tǒng)可以提供高效的金屬探測及定位功能，且實現(xiàn)了探測儀的小型化和遠距遙控，具有較高的應用價值。

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備，廣泛地應用于社會生活、工業(yè)生產、軍事等領域。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雜的硬件電路，如放大電路、A/D轉換電路、校準電路等，且誤差較大[1-3]。

基于感測技術的電感數(shù)字傳感器LDC1000能夠不接觸目標物體而將金屬導體的檢測信號數(shù)字化；無需校準，可直接與控制部件進行數(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區(qū)域內是否存在金屬導體，還能夠檢測目標導體與傳感器之間的距離，因此具有精度高、體積小、結構簡單、無觸點等特點，能夠在灰塵、污垢、油污及潮濕環(huán)境中實現(xiàn)導體目標的低成本、高分辨率的感測。相比之下，設計開發(fā)基于電感數(shù)字傳感器檢測元件的金屬檢測系統(tǒng)具有很強的實用意義。此外，電感數(shù)字傳感器采用線圈產生磁場，不需要磁體和復雜的校準，不使用稀土，因此更為環(huán)保。

1 系統(tǒng)總體設計

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, 當金屬物體被置于變化的磁場中時，金屬導體內就會產生自行閉合的感應電流，這就是金屬的渦流效應[4-6]。電感數(shù)字傳感器LDC1000利用電磁感應原理，在傳感器自身線圈上加一個交變電流I1，線圈周圍產生交變電磁場H1。這時如果有金屬物體進入此電磁場，會在金屬物體表面產生渦流H2(感應電流I2)。渦流電流跟線圈電流方向相反，渦流產生的感應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)。渦流產生的反向磁場跟線圈耦合在一起，如一次級線圈。這樣LDC1000的線圈作為初級線圈，渦流效應作為次級線圈，就形成了一個變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級線圈側就可以檢測到次級線圈的參數(shù)。

當在線圈側并聯(lián)一個電容在電感上時，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能夠將檢測出的等效電阻直接轉換為數(shù)字量并送控制部分進行處理。

1.2 系統(tǒng)總體結構

金屬探測儀的硬件電路主要由傳感器檢測系統(tǒng)、STM32驅動直流減速電機系統(tǒng)和無線接收遙控系統(tǒng)3部分組成，其整體結構圖如圖2所示。STM32首先對LDC1000進行配置，設置其檢測范圍，然后接收其檢測數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)總體結構Fig.2 The system structure

LDC1000數(shù)字傳感器在線圈中加交變電流，以產生交變磁場;小車以無線遙控方式帶動車載傳感器,以掃描方式對被測區(qū)域進行掃描。當傳感器附近無金屬物體時，產生一個基準信號；當有金屬物體進入交變磁場后，產生渦流效應，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轉換為數(shù)字量,并通過SPI方式與STM32進行數(shù)據(jù)傳遞，STM32通過與基準信號比較，得出數(shù)據(jù)是否異常。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)采用STM32F103ZE為控制核心，其內核工作頻率可高達72 MHz，使系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的運算處理有較大裕量；其豐富的I/O端口、大量的片上外設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SPI接口、3個16位定時器以及大量的通用I/O口[7-9]。

2.1 傳感器檢測電路設計

系統(tǒng)采用電感數(shù)字傳感器LDC1000對金屬物進行檢測。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)硬件電路結構非常簡單。主控芯片與傳感器通過SPI模式直接進行數(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32位定時器產生提供，SPI的通信速率設定為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計

無線接收模塊接收無線遙控信號，實現(xiàn)對車載傳感器的移動路徑控制;遙控傳感器對目標區(qū)域進行逐次掃描，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SPI口進行數(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SI4432進行配置。無線通信頻率高時通信距離較近，因此根據(jù)通信距離，設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SI4432接收到有效數(shù)據(jù)時，nIRQ會出現(xiàn)一個低電平，觸發(fā)STM32中斷，STM32即可通過SPI方式接收無線數(shù)據(jù)。

2.3 直流減速電機驅動電路設計

主控芯片根據(jù)遙控信號驅動電機帶動小車運行。為了使探測器可以在臟污復雜環(huán)境中使用，系統(tǒng)采用兩個大力矩的直流減速電機帶動小車。電機驅動采用飛思卡爾公司的驅動芯片MC33886，它可連續(xù)提供5 A電流，驅動負載能力強。STM32采用16位定時器產生PWM波對電機進行速度控制。當車載傳感器需要作非直線運動時，可通過使兩個電機得到的PWM波占空比不同實現(xiàn)。由于系統(tǒng)為遙控控制，且減速直流電機性能平穩(wěn)，因此未設測速單元。具體的硬件設計電路如圖5所示，IN1和IN2與STM32的I/O口直連。

圖5 直流減速電機驅動電路Fig.5 The drive circuit of DC gear motor

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

3 金屬導體檢測系統(tǒng)軟件設計

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

此外，在實際應用中，檢測到的原始數(shù)據(jù)可能受到噪聲的干擾。經(jīng)在線調試，傳感器的檢測數(shù)據(jù)在一定范圍內小幅波動。由于STM32運算速度較快，有較大預量，且為了得到更有效的數(shù)據(jù)以進行目標識別，系統(tǒng)針對檢測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)量的平滑處理[10]，處理點數(shù)為100點。

4 測試數(shù)據(jù)

對實驗室中可獲得的3種金屬物：鐵絲、一角硬幣(鎳合金)和易拉罐拉環(huán) (鋁合金)進行了實測研究, 主要包括對線圈的靈敏度和快速性的研究。固定所有試驗條件, 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，其對木板下放置的金屬物進行檢測。

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的檢測信號作為基準信號，不同金屬導體均會產生不同于基準信號的異常數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)可檢測出不同的金屬物，達到了系統(tǒng)所要求的性能指標。

5 結束語

本文設計了一種用于金屬探測的遙控車載探測儀。在分析計算電感強度的基礎上，采用STM32單片機作為核心控制電路，以基于感測技術的電感數(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。試驗在4 m2范圍內進行，系統(tǒng)多次采樣求平均值，對不同金屬物進行檢測，檢出率達100%。本系統(tǒng)硬件電路簡單，體積小，可以對狹小及惡劣環(huán)境中進行遙控檢測，具有精度高、速度快的特點，應用范圍較廣。

[1] 洪文峰,魏立峰.智能金屬探測器設計[J].工礦自動化，2013,39(4):40-43.

[2] 賀桂芳.一種新型智能金屬探測儀的設計[J].儀表技術與傳感器，2006(1):13-15.

[3] 盧超.基于AT89S52的安檢金屬探測儀[J].儀表技術與傳感器，2010(12):26-28.

[4] 蔣齊密,張新訪,劉土光,等.電渦流檢測系統(tǒng)的參數(shù)設置依據(jù)[J].無損檢測，2001(3)：100-102.

[5] 曹青松,周繼惠.基于電渦流的金屬種類識別技術的理論與實驗研究[J].儀器儀表學報，2007,28(9):1718-1722.

[6] 明軍,賈海波,王新. 一種在線智能金屬檢測裝置[J].儀表技術與傳感器，2013(5)：20-21.

[7] 劉火良,楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013:63-85.

[8] 孫啟富,孫運強,姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設計與應用[J].儀表技術與傳感器，2010(10):34-36.

[9] 喻金錢,喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008:110-135.

[10]譚浩強.C語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005：132-145.

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

湖北省教育科學十二五規(guī)劃課題項目(編號：2014B316)。

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

TH865

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506007

修改稿收到日期：2014-12-29。