基于LDC1000和Kinetis微控制器的金屬探測系統設計

　　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。通過(guò)金屬的渦流效應對金屬物體進(jìn)行檢測，能夠在一定范圍內迅速定位出金屬物體的精確位置。經(jīng)實(shí)驗表明，距離物體中心定位誤差不超過(guò)4 mm，最小可以檢測出2 cm2大小的金屬物體。測量數據在單片機中進(jìn)行處理，軟件上采用了數字濾波，進(jìn)一步減少了誤差干擾信號，提高了系統的穩定性與精確性。該系統可通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示當前金屬物體所在具體位置，并利用按鍵實(shí)現人機交互。

　　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(zhù)十分廣泛的應用，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速度。本文以飛思卡爾Kinetis系列微控制器K60為控制核心，通過(guò)LDC1000電感傳感器來(lái)探測金屬物體的位置。LDC1000傳感器是利用電磁感應的原理來(lái)探測與金屬物體的間距，而且對于不同的金屬材質(zhì)，其感應的強度也不同。將LDC1000電感傳感器的數據傳輸至微控制器中，經(jīng)過(guò)軟件處理后最終確定金屬的位置。通過(guò)直線(xiàn)電機和滑軌來(lái)控制LDC1000傳感器探頭的運動(dòng)與探測。由于橫向掃描的精度要求高，所以選用步進(jìn)電機的方法來(lái)掃描，而縱向掃描要求速度快，所以選用直線(xiàn)電機來(lái)掃描。

　　同時(shí)，系統可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇探測的金屬物體類(lèi)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，具有較好的人機界面。

　　系統設計結構簡(jiǎn)單，制作成本低，控制精度高，可以廣泛地用于機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭等地方的安檢，既可檢測旅客包裹中帶有的危險管制刀具等，也可以檢測藏在人眼所觀(guān)察不到的地方的金屬。

　　1 LDC1000工作原理簡(jiǎn)介

　　LDC1000是一款非接觸式、短程傳感的電感檢測傳感器芯片，能夠將模擬電感值轉換為數值量，同時(shí)具有低成本、高分辨率遙感的導電性。它的內置處理芯片具有SPI通信接口，能夠很方便地與單片機進(jìn)行通信。LDC1000只需要外接一個(gè)PCB線(xiàn)圈或者自制線(xiàn)圈就可以實(shí)現非接觸電感檢測，測試外部金屬物體和 LDC相連的測試線(xiàn)圈的空間位置關(guān)系。利用這個(gè)特性配以外部設計的金屬物體，即可很方便地實(shí)現水平或垂直距離檢測、角度檢測、位移檢測、運動(dòng)檢測、振動(dòng)檢測和金屬成分檢測。

　　LDC1000的電感檢測利用的是電磁感應原理。如圖1所示，傳感器內部會(huì )產(chǎn)生一個(gè)交變電流，加在PCB線(xiàn)圈或者自制線(xiàn)圈上，線(xiàn)圈周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，這時(shí)如果有金屬物體進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)，則會(huì )在金屬物體表面產(chǎn)生渦流(感應電流)。由于渦流電流跟線(xiàn)圈電流方向相反，因此渦流產(chǎn)生的感應電磁場(chǎng)跟線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)方向相反。渦流是金屬物體的距離，大小、成分的函數。渦流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)與線(xiàn)圈耦合在一起，就像是有另一個(gè)次級線(xiàn)圈存在一樣。LDC1000的線(xiàn)圈作為初級線(xiàn)圈，渦流效應作為次級線(xiàn)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(xiàn)圈這一側就可以檢測到次級線(xiàn)圈的參數。

　　圖1中，Ls是初級線(xiàn)圈電感值，Rs是初級線(xiàn)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;交變電流只加在電感上(初級線(xiàn)圈)，則在產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的同時(shí)也會(huì )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(huì )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被轉換為數字量，這個(gè)數值的大小與Rp成反比。觀(guān)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，由此可得數字量數值大小與LC諧振損耗成正比，渦流越大，損耗越大。

　　2 金屬探測定位系統的硬件設計

　　本文以L(fǎng)DC1000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(xiàn)電機驅動(dòng)模塊、步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊、直線(xiàn)電機、步進(jìn)電機、LCD液晶顯示屏、矩陣按鍵、電源模塊電路、語(yǔ)音聲光模塊電路、紅外線(xiàn)模塊等組成，具體硬件連接圖如圖4所示。

　　為了在某個(gè)指定大小的區域內快速檢測并定位不同材質(zhì)的目標金屬，系統采用步進(jìn)電機以及直線(xiàn)電機，利用X軸和Y軸連續掃描工作模式。

　　(1)電源的選擇

　　由于系統需要驅動(dòng)步進(jìn)電機、直流電機等，同時(shí)要求供電電源穩定可靠，所以直接選擇數控穩壓源進(jìn)行供電。給直線(xiàn)電機與步進(jìn)電機提供+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(kāi)關(guān)，感應距離為1～50 cm(可調)，感應方式為漫反射(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(kāi)，響應時(shí)間為2ms。用來(lái)檢測直線(xiàn)電機伸出的長(cháng)度，這樣可以隨意設置直線(xiàn)電機運動(dòng)的位置范圍，以達到快速定位的目的。

　　(3)電機的選擇

　　通過(guò)比較各種電機的性能，選用了兩種電機：一種是57步進(jìn)電機，另一種是38直流電機。57步進(jìn)電機具有高耐壓性，可達到500 V，同時(shí)徑向跳動(dòng)最大0.02 mm(450g負載)，軸向跳動(dòng)最大0.08 mm(450g負載)，步距精度可達5%。38直流電機出軸直徑為5 mm，電機直徑為38mm，電機長(cháng)度為67 mm，轉速可高達4 000轉。因此，將它們結合使用既可以滿(mǎn)足速度要求，又可以滿(mǎn)足精度要求。