本文設計了一種基于LDC1000的金屬物體探測定位系統(tǒng)。以MSP430單片機作為控制核心，通過自主移動的小車攜帶LDC1000電感數(shù)字轉換器，使LDC1000在閉合區(qū)域內全覆蓋式掃描并搜索金屬物體。LDC1000傳感器攜帶的線圈在探測物體產(chǎn)生渦流后，等效電阻Rp可以反映位置的情況，因而可以判定出金屬物體位置，并由蜂鳴器、開關電路以及彩色二極管組成的聲光報警電路發(fā)出警報同時使小車停止運動。所設計的金屬物體探測器搜索時間較短，定位準確。

　　1引 言

　　全球第一臺金屬探測器誕生于1960年。50多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代探測技術的變革，從最初的信號模擬技術到連續(xù)波技術再到今天所使用的數(shù)字脈沖技術，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學技術成果。無論是靈敏度、分辨率、探測精確度還是工作性能上都有了質的飛躍。應用領域也隨著產(chǎn)品質量的提高延伸到了多個行業(yè)。

　　傳統(tǒng)的金屬探測器是利用模擬電路進行檢測和控制的，其電路復雜，探測靈敏度低，且整個系統(tǒng)易受外界環(huán)境如溫度、濕度、電焊等諸因素的干擾，工作期間需要頻繁的復位和調校。

　　本文介紹的基于單片機控制的智能型金屬探測定位器，采用TI公司新研發(fā)的LDC1000作為傳感器，提高檢測精度；處理部件則采用MSP430單片機作為檢測和控制核心，并利用其內部的定時器和模數(shù)轉換器實現(xiàn)探測波形幅值的采樣量化，通過數(shù)字信號處理提高系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力；硬件則由小車和LDC1000套件組成，可自主探測指定區(qū)域內的金屬體并發(fā)出聲光提示，較傳統(tǒng)金屬探測儀更加智能化，應用前景更加廣泛。

　　2方案設計及論證

　　2.1總體方案概述

　　本系統(tǒng)以MSP430單片機作為控制核心，由LDC傳感模塊、聲光報警模塊、小車以及電源通過自主移動小車控制LDC1000數(shù)字電感轉換器的前進、后退和轉向使LDC1000在金屬框內扇形移動并搜索金屬物體。定位金屬物體后，由聲光報警電路發(fā)出警報同時小車停止運動。其中LDC1000數(shù)字電感轉換器是利用外接線圈與金屬物體表面的渦流所產(chǎn)生的感應電磁場與線圈的電磁場相抵消的能量損耗量來間接地計算金屬物體與線圈之間的位置關系。

　　2.2控制方案的選擇與論證

　　方案一：采用XC9000系列的FPGA。 該種處理器具有并行處理能力，能快速的響應外部的各種數(shù)字信號，但在數(shù)字的乘除運算等處理方面不方便，且芯片昂貴。

　　方案二：采用MSP430單片機作為控制核心。 其數(shù)字運算功能較強，功耗較低，在程序相互調用方面，處理方便靈活，適合實際應用。且單片機技術發(fā)展較為成熟，價格合適。

　　方案比較：綜合以上方案，結合金屬物體探測定位系統(tǒng)的要求，方案二不僅在程序處理方面方便靈活適合實際應用，而且功耗較低，精度也完全滿足應用要求，所以決定選擇方案二的MSP430單片機作為控制核心。

　　2.3探測器的選擇與論證

　　方案一：采用TI公司生產(chǎn)的電感/數(shù)字轉換評估板。 LDC1000電感數(shù)字轉換器提供低功耗、小封裝、低成本的解決方案。它的SPI接口可以很方便的連接MCU。此外，LDC1000可以測量外部金屬物體和與LDC1000相連的測試線圈的空間位置關系。利用LDC1000的此特性配以外部設計的金屬物體。可以很方便的實現(xiàn)水平或者垂直距離檢測、角度檢測、位移檢測和金屬成分檢測（合金檢測）。

　　方案二：M12金屬探測器。 M12金屬探測器由兩部分組成，即檢測線圈裝置與自動剔除裝置，其中檢測線圈為核心部分。線圈通電后會產(chǎn)生磁場，有金屬進入會引起磁場變化，由此判斷是否有金屬物體。

　　方案比較：經(jīng)過比較可以看出方案一中的LDC1000是集水平垂直距離檢測，角度檢測以及金屬成分檢測等功能于一體的電感數(shù)字轉換評估器，可以進行角度矯正并檢測出測試線圈與金屬物體的空間位置關系；而方案二中的M12金屬探測器雖然可以檢測金屬物體但其不能確定金屬物體的位置且不具有角度檢測的功能。因此我們選擇方案一。

　　2.4自主移動方案的選擇與論證

　　方案一：電腦鼠。 電腦鼠是由嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構成的裝置。它具有穩(wěn)定且快速的行走能力；正確的判斷能力以及記憶路徑的能力。電腦鼠功能強大但價格昂貴。

　　方案二：小車。 使用舵機控制小車可以完成自由的前進、后退和轉向等動作，實現(xiàn)起來簡單。小車可以承載LDC1000傳感器在金屬框內進行扇形搜索并探測定位。

　　方案比較：經(jīng)過比較和分析可以看出，方案一中的電腦鼠功能強大，但其價格昂貴且自帶傳感器不符合題目要求；而方案二中小車承載LDC1000傳感器在金屬框內扇形搜索并定位金屬物體的位置。此種方案方便可行且符合題目要求，因此采用方案二作為自主移動的方案。

　　3理論分析

　　LDC1000檢測的原理

　　LDC1000電感的檢測原理是利用電磁感應原理。在線圈中加一個交變電流，線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，這時如果有金屬物體（如圖3-1）進入這個磁場則會在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流與線圈電流的方向相反。渦流產(chǎn)生的感應電磁場與線圈的電磁場方向相反。渦流與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數(shù)有關。

　　渦流產(chǎn)生的反方向磁場跟線圈耦合在一起，就像是有另一個次級線圈存在一樣。這樣LDC1000的線圈作為次級線圈就形成了一個變壓器。如圖3-2所示由于變壓器的互感作用，在初級線圈這一側就可以檢測到次級線圈的參數(shù)。

　　設Ls為初級線圈的電感值，Rs為初級線圈的寄生電阻。L（d）為互感，R（d）是互感電阻的寄生電阻，其中d為距離的函數(shù)。

　　交流電若只加在電感上（初級線圈），則在產(chǎn)生交變磁場的同時也會消耗大量的能量。這時將一個電容并聯(lián)在電感上，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會損耗在Rs和R（d）上。由此可知檢測到R（d）的損耗就可以間接的檢測到d。

　　由上可知LCD1000并不是直接檢測串聯(lián)電阻，而是檢測等效并聯(lián)電阻。

　　4電路與程序設計

　　4.1電路設計

　　4.1.1 LDC1000與MCU的連接原理

　　LDC1000與MCU的連接原理圖如圖4-1所示。采用了四線制SPI連接方式，MCU通過SDI連接（SDI、SDO、SLCK、CSB）實現(xiàn)對LDC1000的控制，以及數(shù)據(jù)讀取。在SPI通信中，LDC1000扮演從機的角色。

　　4-1-2聲光報警電路

　　聲光報警電路圖由開關電路、蜂鳴器和雙色二極管組成。操作十分簡單，主要由MSP430單片機控制。聲光報警電路圖如圖4-2所示。