邱崇軍，胡登鵬

(空軍預警學院,武漢 430019)

基于LDC1314的金屬探測器設計*

邱崇軍，胡登鵬

(空軍預警學院,武漢 430019)

本文設計了一款以MSP430F169單片機為主控制器，LDC1314電感數(shù)字轉換器[1]作為傳感器的金屬探測器。單片機通過I2C接口對LDC1314進行初始化值配置和檢測結果的讀取，并將LDC1314的檢測結果在外接的1602液晶顯示屏進行實時顯示。LDC1314有4個檢測通道，可以同時外接4個不同的PCB線圈，通過對線圈的圈數(shù)、線寬、線距等參數(shù)進行設計，可以實現(xiàn)不同的功能。通過對8種不同金屬物質的檢測，探測器可以準確、迅速進行區(qū)分。

金屬探測器；LDC1314；單片機;MSP430F169

引 言

金屬傳感器是一個專門用來探測金屬類物質的儀器，已經(jīng)廣泛應用于生活和工業(yè)生產(chǎn)等諸多領域。目前市場上的金屬探測裝置根據(jù)原理的不同，大多分為電磁感應高頻震蕩型、磁鐵磁力型、電容型三種類型。金屬檢測儀受外在環(huán)境影響較大，灰塵、濕度、水分等是影響傳統(tǒng)的金屬探測裝置的主要因素。檢測精度及智能化程度低，檢測結果不穩(wěn)定，不能實時觀測檢測參數(shù)是目前金屬傳感器的使用局限,系統(tǒng)維護不夠方便，容易影響檢測結果[2]。隨著科學技術不斷進步以及金屬探測器在現(xiàn)代技術生活和工業(yè)生產(chǎn)中的作用不斷凸顯，怎樣提升和改善金屬探測器的性能，已成為本領域一個亟待解決的問題[3]。

TI公司在之前推出的LDC1000金屬傳感器是電感數(shù)字傳感器[4]，其精度高、操作簡單、適應性強，只需要外接一個PCB線圈或者自制的線圈就可以完成檢測。但是由于其只有一個通道，不能適應多物體的情形，TI公司于2016年5月推出了LDC1314芯片，可同時外接4個線圈，支持內(nèi)部或外部參考時鐘，對直流磁場和磁鐵具有一定的免疫能力。

LDC1314能夠提供匹配的通道，它允許差和比率測量,這使設計人員能夠使用一個通道，以補償他們的感測環(huán)境和老化條件，如溫度、濕度和機械漂移。鑒于LDC1314的易用性、低功耗、低系統(tǒng)成本，這些產(chǎn)品使設計者能夠大大提高現(xiàn)有的傳感解決方案，并引入品牌和新的檢測能力。傳感器提供了更好的性能、可靠性和靈活性，比競爭者的傳感技術具有更低的系統(tǒng)成本和功耗。本文采用MSP430F169作為主控制器，通過對系統(tǒng)硬件和軟件設計，對基于LDC1314的金屬探測器進行了研究。

1 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示，主要包括MSP430F169、LDC1314、4個傳感線圈、1602液晶顯示屏。LDC1314與MSP430F169采用I2C總線接口進行通信，1602與MSP430F169通過多個I/O口連接，用于實時顯示LDC1314的檢測結果，LDC1314包含4個檢測通道，可外接4個線圈實現(xiàn)不同檢測功能。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 主控制器

主控制器采用TI公司的MSP430F169單片機，MSP430F169是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，配置了2個固定16位定時器、8路快速的12位A/D轉換器、雙路12 位D/A 轉換器、兩個通用連續(xù)同步/非同步通信接口(USART)、I2C 、DMA和48個I/O引腳。

1.2 LDC1314

LDC1314是TI公司推出的電感數(shù)字傳感器，可外接4個PCB線圈，實現(xiàn)非接觸式電感檢測，具有理想的檢測結果和精度。檢測的原理是利用大學物理中的電磁感應效應原理，在線圈中加一個交變電流，線圈的周圍就會產(chǎn)生交變電磁場，此時如果有金屬物處于這個電磁場中，就會在金屬物表面產(chǎn)生感應電流，感應的電流和線圈的大小及金屬物的距離大小有密切的關系[6-7]。

2 系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要完成 LDC1314及1602液晶顯示屏與MSP430F169的連接，以及LDC1314線圈設計等。

(1) LDC1314與MSP430F169連接

圖2 MSP430F169與LDC1314的連接

LDC1314與MSP430F169的連接圖如圖2所示，LDC1314通過I2C總線接口與控制器進行通信，包括時鐘SCL和數(shù)據(jù)SDA兩個接口，將SCL和SDA分別與MSP430F169的2、6口和3、1口連接，時鐘由MSP430F169提供，LDC1314初始化測量數(shù)據(jù)和結果通過數(shù)據(jù)線SDA進行傳輸。CLKIN、ADDR配置為低電平，SD接高電平，GND接電源地，VCC接電源。LDC1314的4組8個線圈連接引腳分別外接線圈。

(2) 1602與MSP430F169連接

1602液晶顯示屏與MSP430F169的連接如圖3所示，1602通過SPI接口與控制器進行通信[8]，主要包括R/W、RS、E和8個I/O引腳口。連接時將D0～D7腳分別與MSP430F169的P50～P57口連接，RS和R/W分別與單片機的P40、P41口連接。BLK配置為低電平、BLA配置成高電平，GND接電源地，VCC接電源。1602具有兩行，每行顯示16個字符的功能[9]。

(3) 線圈設計

圖4 PCB線圈

LDC1314的外接線圈作為傳感器，其設計好壞直接影響測量的精度。設計線圈如圖4所示，采用雙層PCB板結構，每層30圈，線寬10 mil，線距20 mil，外接1 kΩ的電阻。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

圖5 主程序流程圖

軟件系統(tǒng)設計主要包括LDC1314的寄存器初始化配置及系統(tǒng)主程序設計等。

(1) LDC1314寄存器初始化配置

通過對LDC1314相應的寄存器進行適當?shù)脑O置可以完成不同的功能。

(2) 系統(tǒng)主程序設計

程序采用C語言編寫，主程序流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)測試結果

為了驗證LDC1314的金屬探測性能，對硬幣、銅絲、鐵絲等不同金屬分別進行了3次測試，測試結果如表1所列。

表1 傳感器對不同材質的測試值

測試結果表明，LDC1314可以有效地區(qū)分不同的金屬。利用該特性，設計制作了自動尋跡小車，小車可以沿著金屬鐵絲尋跡，如在鐵絲旁放置幾枚硬幣，也可以完全檢測出來。

經(jīng)過實踐證明，本方案的設計合理可靠，并在2016年湖北省大學生電子設計TI杯競賽中取得了二等獎的好成績。圖6和圖7分別是小車實物圖和線圈擺放圖。

圖6 小車實物圖

圖7 線圈擺放圖

結 語

[1] TI.LDC1312,LDC1314 Multi-Channel 12-Bit inductance to Digital Converter(LDC) for Inductive Sensing,2014.

[2] 楊偉祎，郭穎，王雪峰，等.基于TI杯電子競賽的金屬探測系統(tǒng)設計[D].撫順:遼寧石油化工大學,2015.

[3] 黃勇.金屬探測器的研究與設計[D].廣州：華南理工大學,2010.

[4] TI.LaunchPad口袋實驗平臺,2013.

[5] TI.MSP430F15x, MSP430F16x, MSP430F161x MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER,2014.

[6] 王劍鋒.基于LDC1000電感到數(shù)字轉換器的金屬探測器[J].電子設計工程，2015(18).

[7] TI.LDC-Q1.ZHCSCS2B,2014.

[8] 郭玉，李彥梅，王鵬.基于電渦流傳感器的硬幣辨?zhèn)蜗到y(tǒng)的設計[J].傳感技術學報,2012(4).

[9] 李少華，紅白燕.渦流法電阻率測試儀的設計[J].國外電子測量技術, 2013, 32(7):62-65.

Metal Detecting Device Design Based on LDC1314

Qiu Chongjun,Hu Dengpeng

(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)

In the paper,a metal detecting device is designed,which uses MSP430F169 as the control core and the LDC1314 inductor/digital converter evaluation board as the sensor.The microcomputer is used to configure the initialization value of the LDC1314 and to read the detection results through I2C interface ,then the detection results is displayed on 1602 LCD screen in real time.The LCD1314 has four testing channels,and four different PCB coilscan be attached at the same time.The different functions can be realized through setting different values of number of coils,trace widths and trace spacing.The detector can distinguish eight different metal substances accurately and quickly.

metal detecting device;LDC1314;microcomputer;MSP430F169

國際級-雷達通信一體化多載洪共享信號技術研究(61271451)。

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2016-09-05)