摘要：本文以數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）作為探測(cè)模塊，選擇ATmega328單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，并且闡述了精準(zhǔn)控制的步進(jìn)電機(jī)的工作原理。編寫(xiě)程序控制代碼，同時(shí)結(jié)合XY軸機(jī)械結(jié)構(gòu)本文通過(guò)比較分析，選擇數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）作為探測(cè)模塊，完成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)，該探測(cè)器靈敏度高，探測(cè)準(zhǔn)確。

引言

隨著科技水平的蓬勃發(fā)展，金屬探測(cè)器的功能也隨之增加。金屬探測(cè)器的發(fā)展經(jīng)歷了好幾次科學(xué)技術(shù)的革新,從開(kāi)始的信號(hào)模擬技術(shù)，到今天使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，都讓金屬探測(cè)器無(wú)論是靈敏度、分辨率、還是探測(cè)的精確度上都有了質(zhì)一樣的飛躍。本課題所研究的基于多普勒效應(yīng)的金屬探測(cè)器屬于微波檢測(cè)型金屬探測(cè)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕等特點(diǎn)，而且其體積、重量和制造成本不會(huì)隨被檢測(cè)物品體積的增大而快速增加，可以以較低的成本制作出輕便易用的金屬探測(cè)器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1金屬探測(cè)器設(shè)計(jì)模塊

1.1系統(tǒng)總體模塊介紹

整個(gè)系統(tǒng)模塊如圖1所示，主要分成主控制模塊（MCU），電源模塊，金屬探測(cè)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)定位模塊這五大部分組成。為了使自主運(yùn)動(dòng)模塊不能互相干擾，數(shù)據(jù)傳輸不能紊亂，我們利用主從控制結(jié)構(gòu)來(lái)分別處理兩主數(shù)據(jù)，通過(guò)中斷控制，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。速度塊，影響小。

圖1系統(tǒng)總體模塊圖

1.2主控模塊介紹

主控模塊以ATmega328單片機(jī)為核心，該單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時(shí)訪問(wèn)（讀寫(xiě)）兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega328可以達(dá)到接近1MIPS/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。具有速度快，操作簡(jiǎn)便快捷等特點(diǎn)。

1.3金屬探測(cè)模塊介紹

本文采用的基于數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）的金屬探測(cè)模塊。數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器利用PCB線圈或自制線圈可以實(shí)現(xiàn)非接觸式電感線圈檢測(cè)，通過(guò)分析待測(cè)金屬物體對(duì)電感線圈磁場(chǎng)的影響可以很方便地實(shí)現(xiàn)金屬檢測(cè)。對(duì)LDC檢測(cè)到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)金屬物體的精確定位。充分利用LDC在微距檢測(cè)和精確定位方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了快速、精確、高效的金屬物體定位。達(dá)到了低成本，自動(dòng)化水平高的功能。

1.4定位模塊介紹

本文采用簡(jiǎn)易的XY軸滑臺(tái)進(jìn)行定位，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2XY軸滑臺(tái)

上述裝置在金屬探測(cè)的過(guò)程中，金屬探測(cè)器在X軸的皮帶的帶動(dòng)下完成水平方向

的掃描。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制Y軸方向的皮帶，在金屬探測(cè)器完成上一次X軸的掃描后，

向前移動(dòng)一段距離，再進(jìn)行X軸的掃描。從而完成了整個(gè)區(qū)域的掃描。此方案中金屬

探測(cè)器是逐步掃描沒(méi)有盲區(qū)，不會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)的抖動(dòng)而產(chǎn)生偏移，因此能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的精度

要求。

2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其驅(qū)動(dòng)

圖3步進(jìn)電機(jī)細(xì)分解析圖

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

本文采用A3967SLB，PWM恒流控制的微步距驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器。A3967SLB是一個(gè)完善的微電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置邏輯器。它的設(shè)計(jì)操作雙極步進(jìn)電機(jī)全，半，季，和第八步模式，輸出驅(qū)動(dòng)能力30V和±750毫安性。它的特點(diǎn)是有固定關(guān)斷時(shí)間的電流調(diào)節(jié)器，有能力在慢，快，或混合電流衰減模式。此電流衰減控制方案以減少可聽(tīng)到的電流噪音，增加步進(jìn)精確度，并減少功耗。同時(shí)它可通過(guò)“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)步驟即根據(jù)輸入，產(chǎn)生全，半，四分之一，或八分脈沖?；贏3967驅(qū)動(dòng)芯片的細(xì)分?jǐn)嗦菲髂転閮杉?jí)步進(jìn)電機(jī)提供大約每相750mA的驅(qū)動(dòng)。它一般設(shè)置為8步細(xì)分模式，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)原理圖圖4所示。

圖4電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1金屬檢測(cè)器主程序流程圖

圖5探測(cè)程序流程圖

圖5是程序的流程圖，當(dāng)系統(tǒng)接入電源啟動(dòng)后程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。，X軸的傳送皮帶開(kāi)始進(jìn)行橫向掃描，如果在掃描過(guò)程中檢測(cè)到了目標(biāo)物體即直接停止運(yùn)行進(jìn)入檢測(cè)響應(yīng)階段，如果沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)物體則Y軸的傳送皮帶開(kāi)始運(yùn)行向前走一小步后，X軸傳送皮帶開(kāi)始反向運(yùn)行，再次進(jìn)行檢測(cè)判斷，如果檢測(cè)到如果檢測(cè)到目標(biāo)物體則進(jìn)入檢測(cè)響應(yīng)階段，若沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)物，則Y軸的傳送皮繼續(xù)向前走一小步，X軸的傳送皮帶開(kāi)始新的掃描，一直到檢測(cè)到目標(biāo)物體或者掃描完整片區(qū)域后停止。

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，XY軸滑臺(tái)只能在50cm*50cm的范圍內(nèi)滑動(dòng)。而步進(jìn)電機(jī)在

控制的過(guò)程中是記錄脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)測(cè)試記錄完成一個(gè)軸的脈沖個(gè)數(shù)是32000個(gè)脈沖，

步進(jìn)電機(jī)走一步是1600個(gè)脈沖故完成一個(gè)軸需要20步。由于探測(cè)器線圈有2.5CM故

可以將其分為20等分每次步進(jìn)電機(jī)向前走一步即可完成整個(gè)區(qū)域的掃描。

3.3金屬探測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)金屬時(shí)線圈獲取的脈沖峰值如圖6，設(shè)置金屬判斷閾值，對(duì)探測(cè)器

檢測(cè)到到的探測(cè)信號(hào)判斷對(duì)比。待檢測(cè)物體有一角硬幣、一元硬幣和直徑為4cm的鐵

絲圈。一元和一角硬幣是相比鐵絲圈而言是比較容易定位的

，對(duì)于一元硬幣和一角硬幣，金屬探測(cè)模塊的采集到的信號(hào)的是一個(gè)幅值較高的脈沖信號(hào)，并且檢測(cè)測(cè)線圈經(jīng)過(guò)硬幣中心時(shí)返回的脈沖幅值最大如圖5.4中第一副為1角硬幣脈沖圖第二幅為一元硬幣的脈沖圖，第三幅是鐵圈的脈沖圖。程序通過(guò)判斷檢測(cè)到的峰值數(shù)據(jù)與閥值對(duì)比即可判斷是否為金屬，進(jìn)一步通過(guò)測(cè)試確定不同金屬的閥值即可判斷金屬的區(qū)別。

圖6金屬檢測(cè)脈沖圖

4 金屬探測(cè)器測(cè)試結(jié)果及分析

4.1時(shí)間測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)于該設(shè)計(jì)，需要測(cè)試的有兩個(gè)方面，金屬探測(cè)器的探測(cè)時(shí)間與精度。首先探測(cè)時(shí)間是從金屬探測(cè)器開(kāi)始運(yùn)行到檢測(cè)到目標(biāo)物體所用的時(shí)間。要考慮到最極端的情況及目標(biāo)物體與探測(cè)器的起點(diǎn)在對(duì)角線的兩個(gè)角上，此時(shí)用的時(shí)間是最長(zhǎng)的。測(cè)試結(jié)果的完整性對(duì)于檢測(cè)時(shí)間，由于測(cè)試的時(shí)候考慮的是最?lèi)毫拥那闆r，其實(shí)只需要測(cè)試探測(cè)模塊掃描整個(gè)XY軸滑臺(tái)的時(shí)間，因此可以在玻璃板下放置金屬物體。表1所示的是金屬探測(cè)模塊分別從四個(gè)角出發(fā)，掃描整個(gè)XY軸滑臺(tái)所需要的時(shí)間。

表1金屬探測(cè)模塊掃描XY軸滑臺(tái)時(shí)間

由于自制機(jī)械結(jié)構(gòu)材質(zhì)偏軟無(wú)法保證完全垂直，故在掃描過(guò)程中兩端不能完全的同步移動(dòng)導(dǎo)致時(shí)間有些許誤差。不同的對(duì)角線掃描也存在細(xì)微的誤差，但是并不影響對(duì)檢測(cè)時(shí)間的測(cè)試。通過(guò)對(duì)上表數(shù)據(jù)分析，證明系統(tǒng)方案的掃描時(shí)間滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

4.1精度測(cè)試結(jié)果及分析

就檢測(cè)精度而言，一元和一角硬幣需要檢測(cè)到硬幣的邊沿內(nèi)即可，因此目測(cè)就可以

斷定定位的精度是否達(dá)到要求。同鐵環(huán)只需要與標(biāo)記位置對(duì)應(yīng)即可，故同樣的使用目測(cè)

即可判斷是否到達(dá)要求。如表5.2所示，是不用物體的精度探測(cè)結(jié)果。

表2精度探測(cè)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間和探測(cè)精度均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。誤差主要來(lái)自

于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的機(jī)械摩擦，但系統(tǒng)完成時(shí)間都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)組幾次測(cè)試精度也符合設(shè)計(jì)要求。因此設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

5 設(shè)計(jì)實(shí)物圖及其說(shuō)明

圖7金屬探測(cè)器實(shí)物圖

本文設(shè)計(jì)采用電感感測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是金屬探測(cè)技術(shù)中最常用的一種遙控的、短程感測(cè)技術(shù)，該技術(shù)使在導(dǎo)體目標(biāo)在低成本，高分辨率感測(cè)，這使得它在惡劣的環(huán)境極為可靠的灰塵，污垢，油脂和濕氣的環(huán)境中。它可以通過(guò)使用印刷電路板的感測(cè)元件的線圈，以達(dá)到超低成本的系統(tǒng)解決方案來(lái)創(chuàng)建。電感感測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)線性/角位置、位移、運(yùn)動(dòng)、壓縮、振動(dòng)、金屬成分以及市面上包括汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)、計(jì)算機(jī)、工業(yè)用、醫(yī)療用和通信應(yīng)用在內(nèi)的很多其它應(yīng)用的高精度測(cè)量。

結(jié)束語(yǔ)

本文從電感感測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀、電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)發(fā)展、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理

以及細(xì)分技術(shù)應(yīng)用方面進(jìn)行了介紹。

本論文主要工作有：

（1）對(duì)電感感測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)狀做出概述以及分析；

（2）對(duì)目前的數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）進(jìn)行分析，并對(duì)其他傳感器與電磁傳感器的

優(yōu)缺比較，對(duì)比它的穩(wěn)定性，靈活性，解析其原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及模塊的設(shè)計(jì)原理

（3）對(duì)步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展以及現(xiàn)狀做出概述以及分析，以及步進(jìn)控制細(xì)分的原理

（4）最后通關(guān)單片機(jī)控制聯(lián)結(jié)步進(jìn)電機(jī)與LDC模塊完成金屬探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。