摘要：本文以數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）作為探測模塊，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。編寫程序控制代碼，同時結(jié)合XY軸機(jī)械結(jié)構(gòu)本文通過比較分析，選擇數(shù)字電感轉(zhuǎn)換器（LDC）作為探測模塊，完成了結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的金屬探測器的設(shè)計，該探測器靈敏度高，探測準(zhǔn)確。

引言

隨著科技水平的蓬勃發(fā)展，金屬探測器的功能也隨之增加。金屬探測器的發(fā)展經(jīng)歷了好幾次科學(xué)技術(shù)的革新,從開始的信號模擬技術(shù)，到今天使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，都讓金屬探測器無論是靈敏度、分辨率、還是探測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)的金屬探測器屬于微波檢測型金屬探測器，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點(diǎn)，而且其體積、重量和制造成本不會隨被檢測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器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1金屬探測器設(shè)計模塊

1.1系統(tǒng)總體模塊介紹

整個系統(tǒng)模塊如圖1所示，主要分成主控制模塊（MCU），電源模塊，金屬探測模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊和電機(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)來分別處理兩主數(shù)據(jù)，通過中斷控制，實現(xiàn)聯(lián)動控制。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，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時訪問（讀寫）兩個獨(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)行時間僅為一個時鐘周期。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，操作簡便快捷等特點(diǎn)。

1.3金屬探測模塊介紹

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

1.4定位模塊介紹

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

圖2XY軸滑臺

上述裝置在金屬探測的過程中，金屬探測器在X軸的皮帶的帶動下完成水平方向

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

向前移動一段距離，再進(jìn)行X軸的掃描。從而完成了整個區(qū)域的掃描。此方案中金屬

探測器是逐步掃描沒有盲區(qū)，不會因為電機(jī)的抖動而產(chǎn)生偏移，因此能滿足設(shè)計的精度

要求。

2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及其驅(qū)動

圖3步進(jìn)電機(jī)細(xì)分解析圖

2.2電機(jī)驅(qū)動的設(shè)計

本文采用A3967SLB，PWM恒流控制的微步距驅(qū)動二相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動器。A3967SLB是一個完善的微電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)置邏輯器。它的設(shè)計操作雙極步進(jìn)電機(jī)全，半，季，和第八步模式，輸出驅(qū)動能力30V和±750毫安性。它的特點(diǎn)是有固定關(guān)斷時間的電流調(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到的電流噪音，增加步進(jìn)精確度，并減少功耗。同時它可通過“步進(jìn)”輸入中輸入一個脈沖電動機(jī)將產(chǎn)生一個步驟即根據(jù)輸入，產(chǎn)生全，半，四分之一，或八分脈沖?；贏3967驅(qū)動芯片的細(xì)分?jǐn)嗦菲髂転閮杉壊竭M(jìn)電機(jī)提供大約每相750mA的驅(qū)動。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，其驅(qū)動原理圖圖4所示。

圖4電機(jī)驅(qū)動原理圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1金屬檢測器主程序流程圖

圖5探測程序流程圖

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

3.2電機(jī)驅(qū)動模塊程序設(shè)計

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

控制的過程中是記錄脈沖個數(shù)，通過測試記錄完成一個軸的脈沖個數(shù)是32000個脈沖，

步進(jìn)電機(jī)走一步是1600個脈沖故完成一個軸需要20步。由于探測器線圈有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區(qū)域的掃描。

3.3金屬探測模塊程序設(shè)計

通過試驗檢測金屬時線圈獲取的脈沖峰值如圖6，設(shè)置金屬判斷閾值，對探測器

檢測到到的探測信號判斷對比。待檢測物體有一角硬幣、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

，對于一元硬幣和一角硬幣，金屬探測模塊的采集到的信號的是一個幅值較高的脈沖信號，并且檢測測線圈經(jīng)過硬幣中心時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。程序通過判斷檢測到的峰值數(shù)據(jù)與閥值對比即可判斷是否為金屬，進(jìn)一步通過測試確定不同金屬的閥值即可判斷金屬的區(qū)別。

圖6金屬檢測脈沖圖

4 金屬探測器測試結(jié)果及分析

4.1時間測試結(jié)果及分析

對于該設(shè)計，需要測試的有兩個方面，金屬探測器的探測時間與精度。首先探測時間是從金屬探測器開始運(yùn)行到檢測到目標(biāo)物體所用的時間。要考慮到最極端的情況及目標(biāo)物體與探測器的起點(diǎn)在對角線的兩個角上，此時用的時間是最長的。測試結(jié)果的完整性對于檢測時間，由于測試的時候考慮的是最惡劣的情況，其實只需要測試探測模塊掃描整個XY軸滑臺的時間，因此可以在玻璃板下放置金屬物體。表1所示的是金屬探測模塊分別從四個角出發(fā)，掃描整個XY軸滑臺所需要的時間。

表1金屬探測模塊掃描XY軸滑臺時間

由于自制機(jī)械結(jié)構(gòu)材質(zhì)偏軟無法保證完全垂直，故在掃描過程中兩端不能完全的同步移動導(dǎo)致時間有些許誤差。不同的對角線掃描也存在細(xì)微的誤差，但是并不影響對檢測時間的測試。通過對上表數(shù)據(jù)分析，證明系統(tǒng)方案的掃描時間滿足設(shè)計的要求。

4.1精度測試結(jié)果及分析

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

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

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結(jié)果。

表2精度探測測試結(jié)果

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)的檢測時間和探測精度均能滿足設(shè)計的要求。誤差主要來自

于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的機(jī)械摩擦，但系統(tǒng)完成時間都在設(shè)計范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)組幾次測試精度也符合設(shè)計要求。因此設(shè)計滿足要求。

5 設(shè)計實物圖及其說明

圖7金屬探測器實物圖

本文設(shè)計采用電感感測技術(shù)，該技術(shù)是金屬探測技術(shù)中最常用的一種遙控的、短程感測技術(shù)，該技術(shù)使在導(dǎo)體目標(biāo)在低成本，高分辨率感測，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。它可以通過使用印刷電路板的感測元件的線圈，以達(dá)到超低成本的系統(tǒng)解決方案來創(chuàng)建。電感感測技術(shù)可實現(xiàn)線性/角位置、位移、運(yùn)動、壓縮、振動、金屬成分以及市面上包括汽車、消費(fèi)類、計算機(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)用的高精度測量。

結(jié)束語

本文從電感感測技術(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）對電感感測技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)狀做出概述以及分析；

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

優(yōu)缺比較，對比它的穩(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)計原理

（3）對步進(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模塊完成金屬探測裝置的設(shè)計。