金属物体探测定位器设计--B题特等奖报告.pdf

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1、第 0 页 第 1 页 金属物体探测定位器（金属物体探测定位器（B B 题）题） 摘要摘要：本系统以 STM32F103 系列单片机为控制核心，由电机模块、传感器模块 和声音提示模块构成了一个具有金属物探测定位功能的小车， 即可自主移动的金 属物探测定位器。传感器模块由舵机 MG996 和 LDC-1000 评估板组成，LDC 是 TI 公司研发的一款电感数字转换器，可以将采集到的线圈的电感量、涡流损耗 转化为数字量，并将数字量送入单片机，单片机根据接收到的数据分析是否探测 到金属物，并对电机的转动做出指示，从而实现对金属物的探测。当探测到金属 物体时，指针定位，液晶和蜂鸣器同时做出声-光指示

2、。经过测试，本系统较好 的完成了题目所给的全部指标，实现了金属物探测定位功能。 关键词：关键词：小车；LDC ；金属探测；定位指示 第 2 页 一、一、方案论证与选择方案论证与选择 1.11.1 总体方案论述总体方案论述 本系统以 STM32F103ZET6 为控制核心，由电机模块、传感器模块和声光提 示模块组成。 传感器为 TI 公司研发的高性能电感数字转换器 LDC-1000， 由舵机 MG996 驱动控制，在规定区域内对金属物体进行探测。整个系统的以步进电机 为动力系统，每移动一步，探头摆动一次（即舵机转动一个来回），LDC 将采 集到的线圈的电感量、涡流损耗转化为数字量，并送入单片机，

3、单片机根据接收 到的数据分析是否探测到金属物，并对舵机的转动做出指示，从而实现对金属物 的探测。 当探测到金属物体时， 指针定位， TFT 液晶和蜂鸣器同时做出定位指示。 系统结构图如图 1.1 所示。 图 1.1 系统总体框图 1.21.2 传感器驱动方案传感器驱动方案 方案一：步进电机驱动 LDC。步进电机具有步进可调的优势，步进角度可 精确控制；但在体积重量方面没有优势，难以获得较高的转速和较大的转矩。 方案二：舵机驱动 LDC。具有优秀的起停和反转响应，扭矩较大，控制简 单；但速度基本不可调，PWM 波只能控制转动角度，而不能改变速度。 综合分析，传感器需接一根长杆，作为探头在一定区域

4、内不断扫描探测， 对 于舵机，给一次 PWM 即可控制其立刻摆到某一角度，而步进电机需要不停的给 其 PWM 直到达到需要的角度，显然用舵机简单一些且能满足需求，再结合扭力 的对比以及小车体积与重量的考虑，故选择方案二。 1.31.3 机械结构方案机械结构方案 方案一：以小车为主体结构。智能小车广泛应用于电子控制与设计中，有良 好的灵活应用性，可根据不同的需求设计不同性能的小车来完成特定任务；但对 机械结构的要求较高，需要设计者对电机、车架结构等方面有较多的了解。 方案二：以导轨为主体结构。结构简单，精准度高，稳定性好；但灵活性差， 系统基本不可移动。 综合分析，题目要求制作一个可自主移动的探

5、测器，且初始进入检测区的位 置和方向有专家现场指定，若用导轨显然要固定，只有探头可自由移动，而小车 可以从任意位置进入检测区，故小车更符合要求，应变性强，故选择方案一。 1.41.4 动力系统方案动力系统方案 方案一：步进电机。步进电机的特点是步进可控，使用驱动后可以做到很高 TFT_LCD 传感器 LDC单片机 STM32 舵机 步进电机 蜂鸣器 第 3 页 的精度，缺点就是扭力小，响应时间长，时间长了之后可能会有累计误差。 方案二：直流减速电机。直流电机的特点就是扭力大，响应时间短，速度可 调范围大。缺点就是控制起来没有步进电机容易控制。 综合分析，探测器的移动不需要太快的速度，而是一边前

6、进一边用探头扫描 探测，最好是探测器每走一步，探头扫描一次，步进电机容易实现步进移动， 即 便有误差也不影响探测，显然直流电机不好控制，故选择方案一。 二、二、理论分析与计算理论分析与计算 2.12.1 传感器传感器 LDCLDC 的检测原理的检测原理 2.1.1 LDC 的基本原理的基本原理 LDC 是 TI 公司研发的一款电感数字转换器，它实际上是一个特殊的 ADC 外接一个电感线圈。 它采集的信号是线圈的电感值及金属物靠近时线圈的涡流损 耗，采集后由芯片转换成数字量并通过 SPI 接口送入 MCU。 LDC 实际上就是利用互感作用对金属进行检测。在线圈中加上一个交变电 流，线圈周围就会产

7、生交变电磁场，金属在电磁场作用下产生涡流，涡流产生反 向磁场跟线圈耦合在一起，形成一个变压器，根据变压器的互感作用，在初级线 圈（电感线圈）这一侧就可以检测到次级线圈（金属物体）的参数。 2.1.2 P R 的最大最小值的选取的最大最小值的选取 P R 是 LC 回路的并联等效电阻，也用来表示涡流损耗， P R 是通过检测注入 LC 谐振单元的能量计算得出的。 P R 的范围可以看作是 LDC-1000 内部 ADC 信 号的输入范围，只有设置一个合理的范围，才能在准确检测的同时保证测量精度 的最优化。 首先将金属远离线圈， 测得 P R 对应的码值 （即从寄存器读取的值） 为 3750 ，

8、再将金属靠近线圈，测得最近时（设定 4mm 为最近） P R 对应的码值 32550，根 据数据手册可知 code 与 P R 的对应关系，由 code- P R 曲线图可得： 当 code 为 3750 时，对应的 P R 约为 40K，其 2 倍为 80K； 当 code 为 32550 时，对应的 P R 约为 17K，其 1 2 为 8.5K； 由此，从参考表中选择的相应的_ P RMIN 为 83.111K，_ P RMAX 为 7.182K，那么寄存器的设置为： _ 0x0 PMIN RD _ 0x37 PMAX R 第 4 页 2.1.3 P R 的计算的计算 设置好寄存器的范围

9、后，便可进行测试了。 P R 的计算公式如下： 此处，P_DATA 是寄存器 0x21 和 0x22 读出的值，后文中称之为返回值。 2.22.2 探测器方案分析探测器方案分析 2.2.12.2.1 LDCLDC 的摆放的摆放 经过实际验证，用一个 LDC 传感器在探测区域内扫描是最有效的方案，故 选择一根长探杆与 LDC 构成长探头，小车每步进前进一步，探头扫描一次；当 探头足够长时，小车只需简单地前进即可。 题目要求探测区为 50cm50cm 的方形区域，目标物放在距离边框 5cm 以 上的地方，由此，实际需要检测的区域为 40cm40cm。那么，探头至少要探出 40cm；于是，选择了一根

10、 40cm 的碳质探杆连接 LDC 和舵机转轴，使探头长度 在 40cm 以上。其结构如图 2.1 所示。 图 2.1 探测器结构图 2.2.22.2.2 探测与定位探测与定位 探测定位的实现可以分为两步：一是粗调，二是细调。 小车启动后，探头开始左右摆动扫描，当第一次中断产生时说明检测到目标 （返回值达到域值），此时让探头再扫描一次找出返回值恰巧达到阀值的位置并 定位（舵机停止），这是粗调，主要是通过舵机调节。这时指针能够指在目标的 边沿之内，然后通过细调使之定位在目标中心；细调是靠小车的小幅度摆动和进 退来完成。通过控制步进电机，先让小车向某一边摆动，当返回值达到最大值后 又减小时，小车反

11、向摆动停到返回值最大的状态，这大概需要 3-6 步，x 方向的 最大值找到后，再控制小车的进退以同样的方法找到 y 方向的最大值，此时指针 基本可以定位在目标中心；经过 1-2 次细调后，指针可以精确定位在目标中心。 本系统是每当小车前进一次，让探头扫描探测一遍，这就要考虑传感器的检 测范围，要保证整个区域都可以被扫描的到，也就是说小车每次前进的距离不能 _ ()/(1) PPMAXPMINPMINPMAX RRRRYRY 15 _ 2 PDATA Y 第 5 页 大于传感器的最大检测距离。 本系统选择的步进电机的步进角为 1.8，其一步的距离为： 公式中 D 为车轮直径，经测量为 6.4cm

12、。由此式算得 d 为 1mm。 LDC 传感器的检测距离为 8mm 以内，经过试验，小车每前进一次为 3 步是 最适合的步进距离，可以保证全部规定区域能够被扫描，故每次设为 3 步。 三、三、电路与程序设计电路与程序设计 3.13.1 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 本系统以 THB7128 作为步进电机的驱动芯片，加上少数外围元件组成驱动 电路。单个步进电机的驱动电路如图 3.1 所示。 图 3.1 步进电机驱动电路 THB7128 是高细分、大功率的两相混合式步进电机驱动芯片，多种细分可 选，最大细分数 128，内置温度保护和过流保护电路，可靠性高。 图 3.1 中，VREF 是电流设定

13、端，调整该端电压可以设定驱动电流值，但要 注意该端电压要小于 3V。 M1、M2、M3 为细分设定端，细分数从 1 到 128 可调。 3.23.2 电源稳压模块电路电源稳压模块电路 本系统采用 L7805 构成稳压模块，所需外围元件极少，其内部还有过流、 过热保护电路，使用起来可靠、方便；12V 给电机供电，由稳压模块得到的 5V 电压给单片机和 LDC 供电。 1.8 d 360 D 第 6 页 该稳压模块电路如图 3.2 所示。 图 3.2 电源稳压模块 图 3.2 中的 C4、C8 分别是输入、输出端的滤波电容，以滤除高频噪声，选 用铝电解电容。 3.33.3 程序设计程序设计 本系统

14、以 STM32F103ZET6 核心板为控制板， 程序包括按键 （红外遥控按键） 扫描模块、 TFT 液晶显示模块、 蜂鸣器模块、 舵机控制模块和步进电机控制模块。 按键模块和 TFT 模块为系统提供了良好的人机交互界面，整个程序的运行便是 从红外遥控按键的扫描和液晶显示开始，系统流程如图 3.3 所示。 图 3.3 系统流程 探测区域的边框是直径 2mm 的铁丝， 也可以被 LDC 检测到， 但硬币材质与 铁丝不同，故硬币的检测不会受铁丝边框的影响，但会干扰圆铁环的检测，因此 检测圆铁环的方法与检测硬币的方法不同，不同面值的硬币的域值也不同，于是 N Y 有键被按下？ 开始 0CH-CHCH

15、+ 检测一元硬币 参数设置 检测铁环 检测一角硬币 第 7 页 分为三种检测模式。 参数设置是为了适应环境变化，防止系统在陌生环境中丧失原有的功能。 当 在新环境参数不使用时，可以现场重新设置参数。 四、四、测试方案与结果分析测试方案与结果分析 4.14.1 测试工具测试工具 毫米刻度尺（deli6220）、秒表（PC396） 4.24.2 测试方案与结果测试方案与结果 （1）在探测区域内某处（距探测边界5cm）玻璃下放置一枚直径约 19mm 的镀镍钢芯 1 角硬币（第五套人民币的 1 角硬币）。让探头从“探头进入区” 一 侧任意指定位置和方向自行进入探测区（铁丝框包围区域）。通过探测，定位指

16、 针尽量只在硬币边沿之内，完成定位时给出声-光指示。测量定位时间 t1、指针 与硬币圆心的距离 d1 以及是否有声-光提示，并记录结果于表 1 中。 表 1 检测一角硬币测试结果 测试次数定位时间 t1误差 d1是否有声-光提示 116s1mm是 218s3mm是 317s2mm是 注：以上测量在探头的起始位置与硬币位置相距 30cm-40cm 的情况下进行。 （2）将 1 角硬币更换成直径约 25mm 的镀镍钢芯 1 元硬币（第五套人民币 1 元硬币），重复要求（1）的探测过程。定位完成后，测量定位时间 t2、指针 与硬币圆心之间的定位误差 d2 以及是否有声-光提示，并记录结果于表 2 中

17、。 表 2 检测一元硬币测试结果 测试次数定位时间 t2误差 d2是否有声-光提示 113s2mm是 214s1mm是 312s2mm是 注：以上测量在探头的起始位置与硬币位置相距 25cm-35cm 的情况下进行。 （3）将硬币改为自制圆铁环（用2 铁丝绕制），铁环外直径 4cm。重复要 求（1）的探测过程。定位完成后，测量定位时间 t3、定位误差 d3 以及是否有声 -光提示，并记录结果于表 3 中。 表 3 检测圆铁环测试结果 测试次数定位时间 t3误差 d3是否有声-光提示 121s3.5mm是 220s3mm是 323s4mm是 注：以上测量在探头的起始位置与硬币位置相距 35cm-

18、40cm 的情况下进行。 第 8 页 （4）探测器工作时，TFT 液晶进行显示，从系统启动到探测定位，都会有 相应的状态提示；检测到硬币时，进行面值辨别，并在液晶上显示出来，观察其 显示是否正确，记录结果于表 4 中。 表 4 辨别硬币面值测试 硬币 TFT 是否有菜单 界面及功能选项 是否显示传感 器返回值 是否辨别并显示显示是否正确 1 角是是是正确 1 元是是是正确 4.34.3 结果分析结果分析 由于玻璃板大小的限制，以上测试都是在探头起始位置与目标位置相距 25cm-40cm 的情况下进行的， 可以较好地完成任务指标。 探头可以在任意起始位 置进入探测区进行探测，但小车的摆放角度对定

19、位时间和误差有一点影响，有些 角度需要较长的调整时间，有些角度误差会大一点。不过这影响是可以通过算法 优化来抑制或弥补的。 本题的难点是对于自制圆铁环的探测定位，由于探测区边框也是铁丝围成， 若想区分出自制铁环需要跟多次的计算与分析， 而且铁环半径 2cm， 超过了 LDC 的检测距离，很难找到圆心，因此定位误差较大。 本系统在完成基本要求的基础上，增加了发挥功能，即用 TFT 液晶进行全程 显示。系统开启时，显示 TI 图标及电子设计大赛字样，以及本校校徽，随后进 入菜单界面；探测时，显示传感器返回的值；检测到硬币时还能显示硬币面值。 五、五、总结总结 刚拿到题目时，在机械结构上犹豫了半天，考虑到灵活性，最终决定搭建一 辆小车；用小车不可避免的会遇到更多问题，例如怎么进入探测区，怎么找到一 个位置基准等问题，这些问题经过一番试验之后得到了解决。本系统在完成题目 的三项基本任务指标的基础上，增加了发挥功能，就是在检测到硬币的基础上区 分出硬币的面值，并在液晶上显示出来。同时系统的操控是通过红外遥控器实现 的，与液晶组成了良好的人机交互界面。发挥部分使整个系统显得更加智能化、 人性化。 第 9 页