許江淳， 余麗玲， 黃生旺

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

自主移動(dòng)智能金屬探測(cè)器研制*

許江淳， 余麗玲， 黃生旺

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

為提升民用金屬探測(cè)器探測(cè)精度和智能化程度，設(shè)計(jì)并制作了一種可自主移動(dòng)探測(cè)的金屬探測(cè)器?？勺灾饕苿?dòng)的小車承載AY—LDC1000傳感器探頭，利用金屬的渦流效應(yīng)，采用STM32作為微處理器，檢測(cè)探測(cè)頻率的變化，并控制探測(cè)器自主移動(dòng)，能在指定范圍內(nèi)自動(dòng)、準(zhǔn)確地探測(cè)出金屬位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，結(jié)果表明：探測(cè)器能精確自動(dòng)探測(cè)出金屬目標(biāo)，且具有較高的探測(cè)率。

自主移動(dòng)； 金屬探測(cè)器； AY—LDC1000； 渦流效應(yīng)； STM32

0 引 言

金屬探測(cè)器[1～3]設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)歷了從最初的模擬電路檢測(cè)處理技術(shù)到現(xiàn)如今的數(shù)字電路檢測(cè)處理技術(shù)的演變，其分辨率、智能化以及靈敏度都有很大程度的提高。傳統(tǒng)金屬探測(cè)器探頭在原理設(shè)計(jì)上一般利用正弦波振蕩電路，該種電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，探測(cè)靈敏度低且抗干擾能力差，環(huán)境及元件的改變都會(huì)導(dǎo)致波形失真。為了提高檢測(cè)精度、靈敏度及穩(wěn)定度，本設(shè)計(jì)以STM32為控制芯片，通過(guò)LDC1000數(shù)字傳感器來(lái)探測(cè)導(dǎo)電或?qū)Т沤饘俚木_位置，利用LDC1000在金屬探測(cè)上的特性，處理器通過(guò)探測(cè)反饋信號(hào)調(diào)整探測(cè)小車自身速度和位置，從而實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的金屬物體定位。

1 金屬探測(cè)的原理

金屬物體探測(cè)的最基本原理是物理中的電磁感應(yīng)原理，金屬探測(cè)器原理圖如圖1所示，原始探測(cè)線圈的電感

L1、電阻R1、電壓有效值E、電流有效值I1、角頻率ω，被探測(cè)金屬的等效渦流電感L2、電阻R2、渦流有效值I2，激勵(lì)線圈與被探測(cè)金屬的互感M之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)式(1)和式(2)

I1R1+jL1ωI1=E+jMωI2

(1)

jMωI1=I2R2+jL2ωI2

(2)

圖1 金屬探測(cè)器原理圖

根據(jù)式 (1)、式(2)得

(3)

由式(3)可知，當(dāng)線圈靠近金屬物體時(shí)，由于渦流效應(yīng)導(dǎo)致線圈的等效電感、等效電阻發(fā)生改變，從而可以通過(guò)檢測(cè)線圈的電壓變化達(dá)到金屬檢測(cè)的目的[4]。

但是，上述方法在探測(cè)時(shí)等效電感與等效電阻的變化同時(shí)發(fā)生，當(dāng)兩變量耦合時(shí)，可能使探測(cè)線圈的電壓為0，從而導(dǎo)致檢測(cè)出錯(cuò)。由于在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，金屬探測(cè)器探測(cè)線圈中的振蕩頻率幾乎是一個(gè)定值，當(dāng)檢測(cè)有金屬物體時(shí)頻率改變。為提升探測(cè)精度，提出并采用了一種利用頻率變化原理來(lái)進(jìn)行金屬探測(cè)的方法。頻率變化公式

Δf=-kf30ΔL

(4)

式中 k與c相關(guān)，f0為初始穩(wěn)定電路中的頻率，ΔL為線圈電感變化量[5]。

電磁感應(yīng)在金屬中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗。功率損耗P，渦流損耗因子Wx,磁場(chǎng)交變頻率f,磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值B[4]之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

P=Wxf2B2

(5)

從式(4)中可看出頻率的變化受線圈等效電感變化的影響，從式(5)中可看出頻率還與損耗功率有關(guān)。以下分析不同情況下頻率的變化規(guī)律：

1)導(dǎo)電導(dǎo)磁的金屬：導(dǎo)電性及導(dǎo)磁性都較好，由于渦流電流比較大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)極大地削弱了原磁場(chǎng)，使電感略有降低，導(dǎo)致頻率只有小幅度的上升。

2)導(dǎo)電不導(dǎo)磁的金屬：導(dǎo)電性好但不導(dǎo)磁，致使在探測(cè)過(guò)程中渦流損耗大，但磁滯損耗小，使電感有小幅度的增加，導(dǎo)致頻率會(huì)有一定幅度的下降。

3)導(dǎo)磁不導(dǎo)電金屬：導(dǎo)磁性好但不導(dǎo)電，致使其渦流損耗小，而磁滯損耗很大，電感降低幅度比較大，導(dǎo)致頻率有明顯的上升幅度。

4)不導(dǎo)電不導(dǎo)磁的非金屬物料：導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性都不好，電感及頻率幾乎沒(méi)有變化[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用LDC1000作為探測(cè)器探頭，系統(tǒng)微控制器選用STM32。當(dāng)探頭通過(guò)金屬物體上方時(shí)，探頭內(nèi)部工作頻率會(huì)發(fā)生變化，從而能方便地實(shí)現(xiàn)金屬探測(cè)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。LCD1000電感傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳給STM32，STM32對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后通過(guò)調(diào)節(jié)占空比從而改變舵機(jī)的方向和速度。當(dāng)檢測(cè)到金屬，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)此時(shí)蜂鳴器響且發(fā)光二極管發(fā)光顯示屏顯示檢測(cè)到物體。

2.1 主控電路模塊

根據(jù)功能需求，本設(shè)計(jì)采用微處理器選用ST公司的型號(hào)為STM32F103芯片，其內(nèi)核工作頻率可高達(dá)72 MHz，片內(nèi)RAM為256 kB，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理有較大裕量，其豐富外設(shè)接口，如UART,I2C,SPI等，以及豐富的固件庫(kù)資源。硬件上系統(tǒng)的電路體積會(huì)更小，性能更高，軟件上編程更簡(jiǎn)單。

2.2 電源模塊

電源模塊采用LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，為降壓型電源管理單片集成電路，具有自我保護(hù)電路和很好的負(fù)載調(diào)節(jié)特性。由于該器件可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)，是理想的電源模塊使用芯片。固定輸出版本有3.3,5,12 V，可調(diào)版本可以輸出小于37 V的各種電壓。此處使用LM2596將7.2 V電壓降為5 V電壓給舵機(jī)供電。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本模塊選用的是可自由旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)，它由直流電機(jī)、傳感器和控制電路組成自動(dòng)控制系統(tǒng)[6]?？梢愿鶕?jù)需要給控制電路傳送信號(hào)得到想要的旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)有自己的最大旋轉(zhuǎn)角度，此處選擇最多可旋轉(zhuǎn)180°的舵機(jī)。此處用舵機(jī)同時(shí)控制小車轉(zhuǎn)動(dòng)和前進(jìn)的速度。舵機(jī)的轉(zhuǎn)角及速度是由STM32單片機(jī)產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波控制的，小車的兩個(gè)輪子分別由兩個(gè)同型號(hào)的電機(jī)控制，最優(yōu)占空比的變換是通過(guò)多次試驗(yàn)得出來(lái)的。通過(guò)程序中的算法和多次測(cè)試，選出最佳的數(shù)據(jù)，小車移動(dòng)精度為0.1 mm，旋轉(zhuǎn)角精度可達(dá)0.5°，高精度運(yùn)動(dòng)控制可使主控模塊更好地控制小車，使其更快更準(zhǔn)地接近金屬物體。

2.4 傳感器檢測(cè)模塊

LDC1000是世界上首款電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能夠直接輸出數(shù)字量，在惡劣環(huán)境中，具有非常高的可靠性。提供SPI接口可以方便連接MCU，只需外接一個(gè)線圈就可以實(shí)現(xiàn)非接觸式電感檢測(cè)。當(dāng)通有交流信號(hào)的傳感器線圈靠近金屬物體時(shí)，線圈中的信號(hào)發(fā)生改變，根據(jù)信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)金屬[7]。LDC不僅可以測(cè)出不同屬性的金屬物體而且還可以檢測(cè)金屬與傳感器線圈的距離，可以方便小車自動(dòng)搜索到金屬物體。LDC數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序如圖3。

圖3 LDC讀/寫(xiě)時(shí)序

2.5 聲光顯示模塊

利用LDC1000可以檢測(cè)金屬與檢測(cè)線圈距離的特性，小車自動(dòng)尋找金屬物體。未處理其根據(jù)LDC1000探測(cè)信號(hào)反饋信息逐漸調(diào)整舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。當(dāng)探頭停止在金屬物體的正上方時(shí)，小車停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)聲光報(bào)警提示，顯示屏上顯示找到金屬。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

先初始化程序，根據(jù)LDC1000 數(shù)據(jù)手冊(cè)及實(shí)際測(cè)試可知,如果響應(yīng)時(shí)間在2 592～12 000 μs的范圍內(nèi),說(shuō)明LDC1000初始化成功，STM32將讀取LDC1000的數(shù)據(jù)并繼續(xù)判斷頻率的變化情況，否則程序?qū)⒎祷爻跏紶顟B(tài)重新開(kāi)始;如果頻率沒(méi)有變化STM32將重新讀取LDC的數(shù)據(jù);如果金屬探測(cè)器在探測(cè)目標(biāo)正上方時(shí)頻率有小范圍下降，則可判定為導(dǎo)電的金屬;如果有小范圍上升,則可判斷為導(dǎo)電導(dǎo)磁的金屬;如果頻率上升較大,則判斷為導(dǎo)磁的金屬。系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。

依據(jù)LDC1000 使用手冊(cè)及試驗(yàn)可知傳感器測(cè)量距離的原理就是距離d與Rp值成比例，通過(guò)Rp可以推算出金屬的距離，線圈中的等效電阻Rp與諧振頻率f的計(jì)算

R=(Rmax×Rmin)/[Rmin×(1-Y)+Rmax×Y]

(6)

Y=Pdata/215

(7)

F=(1/3) ×(Fext/Fcount)×t

(8)

式中Pdata為L(zhǎng)DC輸出的數(shù)據(jù)與距離d有關(guān)，其寄存器的地址為0x21和0x22，Rmax和Rmin為線圈周圍無(wú)金屬時(shí)和線圈距離金屬最近時(shí)實(shí)際測(cè)量中線圈的等效電阻值(事先寫(xiě)入寄存器中)。Fext是外部基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，F(xiàn)count是LDC內(nèi)部計(jì)數(shù)器值，t為響應(yīng)時(shí)間。將系統(tǒng)初始化時(shí)的Rp和f顯示在屏上作為參考點(diǎn)，用檢測(cè)到金屬物體的信號(hào)值與參考點(diǎn)的信號(hào)值相減得到變化值Δf，不同的金屬檢測(cè)得到的Δf也不同，據(jù)此即可進(jìn)行相應(yīng)的判斷。依次按照設(shè)定對(duì)LCD1000的寄存器寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的控制字，利用spi_readBytes函數(shù)可以一次性將所有寄存器內(nèi)的值全部讀出。

數(shù)據(jù)在程序中的處理：

spi_readBytes(LDC1000_CMD_REVID,&orgVal[0],12);

writerByte(LDC1000_CMD_RpMAX,RpMAX);

writerByte(LDC1000_CMD_RpMIN,RpMIN);

writerByte(LDC1000_CMD_SENSORFREQ,0x94);

writerByte(LDC1000_CMD_LDCCONFIG,0x17);

writerByte(LDC1000_CMD_CLKCONFIG,0x02);

writerByte(LDC1000_CMD_INTCONFIG,0x02);

writerByte(LDC1000_CMD_THRESHILSB,0x50);

writerByte(LDC1000_CMD_THRESHIMSB,0x14)。

4 測(cè)試方案與測(cè)試數(shù)據(jù)

4.1 測(cè)試方案

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件系統(tǒng)的有效性和可靠性，以1 m2無(wú)機(jī)玻璃板作為檢測(cè)區(qū)域[8]，將待測(cè)物置于玻璃板下方，如圖5(a)所示。小車進(jìn)入探測(cè)區(qū)后，讓小車緩慢前進(jìn)，探頭左右掃描金屬物體，由于探頭掃描的圓半徑為10 mm，所以,當(dāng)探頭檢測(cè)到邊緣的金屬絲時(shí)讓小車后退5 mm后旋轉(zhuǎn)大約90°，讓小車前進(jìn)5 mm后讓其再轉(zhuǎn)90°往回繼續(xù)掃描，當(dāng)快掃描到金屬物體時(shí)減慢小車的前進(jìn)速度并做微小的調(diào)整讓探頭準(zhǔn)確接近金屬物體[9]。多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)線圈中的振蕩頻率在沒(méi)有金屬物體時(shí)穩(wěn)定在1.5 MHz。金屬物體探測(cè)器的實(shí)物圖如圖5(b)。

圖5 金屬探測(cè)器環(huán)境示意圖和實(shí)物圖

4.2 探測(cè)頻率測(cè)試

為驗(yàn)證導(dǎo)電金屬、導(dǎo)磁金屬、既導(dǎo)電又導(dǎo)磁金屬的頻率變化特性，對(duì)探測(cè)頻率進(jìn)行如下測(cè)試：將探測(cè)小車置于1 m2有機(jī)玻璃板上，測(cè)出探頭未檢測(cè)金屬時(shí)模塊輸出的初始頻率值，然后再分別測(cè)出探測(cè)器在探測(cè)一元硬幣大小的木塊(既不導(dǎo)電也不導(dǎo)磁)、一角硬幣(鋁制不導(dǎo)磁)、一元硬幣(導(dǎo)電導(dǎo)磁)、一元硬幣大小的磁性物體時(shí)模塊輸出的頻率值，將檢測(cè)到不同物體時(shí)的頻率值與初始值相減得到相對(duì)頻率值Δf，除木塊Δf為0外，其他物體探測(cè)得到的Δf會(huì)隨著探測(cè)距離的變化而變化。以步進(jìn)距離為0.5 mm對(duì)相對(duì)頻率Δf進(jìn)行采樣，不同材質(zhì)金屬的頻率變化Δf變化情況如圖6所示。

圖6 不同材質(zhì)金屬的頻率變化

4.3 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)以LDC1000線圈附近無(wú)金屬物時(shí)的頻率1.5 MHz為基準(zhǔn)頻率,當(dāng)線圈在導(dǎo)電導(dǎo)磁(鎳合金)物體正上方時(shí)，頻率上升22 kHz左右。當(dāng)線圈在磁性物體正上方時(shí)，頻率上升45 kHz左右；當(dāng)線圈在導(dǎo)電不導(dǎo)磁物體(銅塊)正上方時(shí)，頻率下降40 kHz左右。將測(cè)得的頻率與設(shè)定的頻率變化范圍進(jìn)行對(duì)比，在一定的誤差范圍內(nèi)，如果檢測(cè)頻率在此范圍內(nèi)，則認(rèn)為檢測(cè)到了對(duì)應(yīng)的金屬物體。通過(guò)可自主移動(dòng)小車尋找金屬物體時(shí)線圈頻率變化的規(guī)律，可尋找到不同材質(zhì)的金屬并給出定位指示。

對(duì)不同材質(zhì)的目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，每種實(shí)驗(yàn)80次，并分別統(tǒng)計(jì)檢測(cè)時(shí)間和探測(cè)識(shí)別次數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

對(duì)木塊的識(shí)別率為0；對(duì)鋁質(zhì)目標(biāo)識(shí)別率為100 %，平均耗時(shí)87 s；對(duì)鎳合金材質(zhì)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別率為95 %，平均耗時(shí)92 s；對(duì)磁性材質(zhì)探測(cè)識(shí)別率為97.5 %，平均耗時(shí)84 s。

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明：研究設(shè)計(jì)的可移動(dòng)自主式金屬探測(cè)器具有較強(qiáng)的自主探測(cè)能力，探測(cè)精度高、識(shí)別效果好、系統(tǒng)穩(wěn)定性高。后期可在此次研制基礎(chǔ)上進(jìn)行放大制作和改進(jìn)，以便應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。

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Research and fabrication of autonomous mobile intelligent metal detector*

XU Jiang-chun， YU Li-ling， HUANG Sheng-wang

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China )

In order to improve detection precising and intelligentia- lize degree a metal detector which can be used for autonomous mobile detection is designed and fabricated.Using metal eddy current effect detect change of frequency use STM32,as microprocessor AY—LDC1000 sensor probe carried by autonomous mobile car can automatically and accurately detect metal position.Feasibility and stability of the system are tested by experiments.The experimental results show that the detector can detect metal target accurately and automatically, and has high detection rate.

autonomous mobile; metal detector; AY—LDC1000; eddy current effect; STM32

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0107—04

2016—04—22

云南省科技廳項(xiàng)目(2009GJF30050)；國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013QK104)

TP 311

A

1000—9787(2017)04—0107—04

許江淳(1962-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用、SOC及FPGA系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用等研究工作。