金属物体探测定位器
摘要
金属物体探测定位器主要是通过LDC1000电感传感器辨识金属物体，结合小车的运动算法，实现探测器在限定范围内探测定位金属目标的功能。该系统采用TI公司LDC1000电感/数字转换器评估板（AY-LDC1000）作为金属物体探头，重点在于LDC1000的应用和调试，包括对自绕线圈滤波电容的计算、寄存器RP-MIN和RP-MAX的设置等。通过MSP430G2553单片机读取探头对金属边线的检测信号，结合电机控制小车的运动方向，实现了探测器以任意位置、方向进入探测区域，以及在探测区域内的自主移动和遍历。
该探测器目前以能在规定区域内探测定位一角硬币、一元硬币和自制铁丝圆环，并能声光报警，指针定位。
关键词：金属探测；金属定位；MSP430G2553；LDC1000
1 引 言
该金属物体探测定位器是利用世界首款电感/数字传感器设计而成。不同于以往模拟量电感传感器，该传感器可以通过SPI接口方便的连接到单片机。只需要外界一个线圈就可以实现非接触电感检测，硬件设计比较方便。电感检测主要是依据电磁感应原理。在传感器前端设备线圈中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时如果有金属进入这个电磁场就会感应到。该金属检测定位器主要应用LDC1000实现了规定区域规定时间对未知位置金属对象的检测与定位功能。
2 系统方案设计
2.1 系统结构
该系统的硬件结构很简单，仅仅是用MSP430G2553连接LDC1000和一些简单的外设构成。系统框图如图2-1所示。
图2-1 总体系统框图
2.2 方案比较与选择
2.2.1 总体方案选择
金属物体探测定位器要求在规定区域规定时间内找到未定位置的金属对象。即对于运动的要求是在最短的时间的内检测完范围内所有区域，又要精确检测到未知位置的金属对象。根据这些要求，主要提出以下三种解决方案。
方案一：利用丝杠搭建架子，使其进行二维运动，巡遍整个区域，实现要求。 如图2-2所示，LDC1000位于D处，A,B两处各装一个步进电机，使丝杠AB由A运动到C,传感器D先由A运动到B,再由B运动到A。通过这样的运动方式
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达到检测全面积的目的。丝杠AB每次向前移动的距离由线圈的检测范围决定。架子的边长等于区域的对角线长，目的是为了即使将架子斜放也能确保传感器能检测区域全境。该方案的优点是设计简单，易于实现，但也存在速度比较慢的缺点。
图2-2 丝杠系统示意图
方案二：将杆与小车结合，使用旋转的方式，逐圈进行检测。
具体设计如图2-3所示。LDC1000安装于C点，起初LDC1000位于小车的B点，可视作小车的一部分。每一次将小车放上玻璃板，小车会先寻找边线，之后D点的电机会带动杆AB旋转，每次检测到边线换向，并向A端移动一定距离（由传感器线圈决定），如此往复，直到找到金属目标。该方案的优点是速度快，能按要求完成任务；缺点是机械设计略微复杂，且要求精度较高。
C
D
图2-3 杆与小车结合系统示意图
方案三：只用小车，通过控制小车的运动从而找到位于区域内的金属对象。 具体设计如图2-4所示。每次小车会先找到边线，走到一角，然后开始如图
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示所示轨迹运动。由A运动到B，然后控制小车向后倒由B运动C,如此在规定区域内往复运动直到找到金属对象。图示中的D圈表示传感器的检测范围，小车两轮差速运动，每次偏的角度需恰好使往返扫过的区域相接，确保不出现漏检。该方案的优点是机械设计相对简单，也能确保在规定时间内找到金属对象，软件相对方案二也较为简单。
图2-4 小车系统示意图
综上所述，方案一实现简单，但速度较慢，无法达到系统要求；方案二虽然速度符合要求，但机械设计方面略为复杂，不易实现精确控制；方案三速度符合要求，且机械设计和软件编程相对于方案二都比较简单。所以最终选择方案三。 2.2.2 主控器的选择
方案一：用单片机MSP430G2553作为系统的主控器。该单片机小巧，功耗低，易于编程，最重要的是该单片机可以直接进行SPI总线通信。
方案二：用FPGA等可编程器件作为控制模块。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，但成本较高。
综合考虑，本系统不需要复杂的计算，采用单片机作为控制器比采用FPGA实现更合理、更简便、更经济。所以，确定选择方案一。
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3 理论分析与计算
3.1 探测器工作原理
3.1.1 探测器理论原理
探测器的探头部分是检测线圈，数据采集、处理部分是由LDC1000和MSP430G2553组成。LDC1000的电感检测原理是利用电磁感应原理。在检测线圈中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时如果有金属物体进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流。涡流电流和检测线圈电流方向相反，涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属物体的距离、大小、成份的函数。
涡流产生的反向磁场跟线圈耦合在一起，就像是有一个次级线圈存在一样。这样，LDC1000的检测线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，就形成一个变压器，由于变压器的互感作用，在初级线圈这一侧就能检测到次级线圈参数。
本系统探测器的设计就是遵循这一原则。以LDC1000的检测线圈为初级线圈进行检测。探测器进入金属框后，会从边缘开始依次扫过整个区域。当碰到一角、一元硬币或铁丝圆环时，这些次级线圈会给初级线圈一个信号，从而使其执行相应指令。
3.1.2 探测器理论计算
使用LDC1000需要注意两个值，RP和Frequency。RP可以推算出金属的距离，Frequency可以计算得到电感值。RP计算公式如式3-1所示。
RP??RP_MAX?RP_MIN?RP_MIN??1?Y??RP?MAX?Y （3-1） RP-MIN和RP-MAX为寄存器设置值（RP-MIN和RP-MAX的值通过测试值与技术参数对比得到），Y是LDC1000的输出值的1电感的计算公式如式3-2所示。
215??。
L?1?C??2???Fsensor?? （3-2） Fsensor是LC电路的谐振频率。 3.1.3 探测器遍历时间理论计算
由测量可知小车车轮的直径为7cm，则得：
C??R,可得C=21.98cm。金属框边长为50cm，则小车在框内运动一个来回需要车轮转4.55圈。
若以PCB板线圈为金属探头，则运动一个来回扫过的面积宽度为2cm。即遍
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