摘要：本文以LDC1000电感传感器以及飞思卡尔Kinetis系列微操控器K60为中心，组成具有定位功用的金属勘探体系。经过金属的涡流效应对金属物体进行检测，能够在必定规模内敏捷定位出金属物体的精确方位。经试验标明，间隔物体中心定位差错不超越4 mm，最小能够检测出2 cm2巨细的金属物体。丈量数据在单片机中进行处理，软件上选用了数字滤波，进一步减少了差错搅扰信号，提高了体系的安稳性与精确性。该体系可经过LCD液晶显现屏显现当时金属物体地点详细方位，并运用按键完结人机交互。
关键词：金属勘探仪;LDC1000;飞思卡尔;微操控器;LCD
导言
金属勘探仪作为一种非触摸式检测设备，在工业范畴以及日常安检中有着非常广泛的运用，关于金属的检测，金属勘探仪往往需求有较高的精确度以及较快的反应速度。本文以飞思卡尔Kinetis系列微操控器K60为操控中心，经过LDC1000电感传感器来勘探金属物体的方位。LD C1000电感传感器是运用电磁感应的原理来勘探与金属物体的间隔，而且关于不同的金属原料，其感应的强度也不同。将LDC1000电感传感器的数据传输至微操控器中，经过软件处理后终究确认金属的方位。经过直线电机和滑轨来操控LDC1000电感传感器探头的运动与勘探。因为横向扫描的精度要求高，所以选用步进电机的方法来扫描，而纵向扫描要求速度快，所以选用直线电机来扫描。
一起，体系能够经过拨码开关来挑选勘探的金属物体类型，且勘探的时刻和勘探到的金属物体的方位可由液晶显现，具有较好的人机界面。
体系规划结构简略，制造成本低，操控精度高，能够广泛地用于机场、车站、码头等当地的安检，既可检测旅客包裹中带有的风险操控刀具等，也能够检测藏在人眼所调查不到的当地的金属。
1 LDC1000作业原理简介
LDC1000是一款非触摸式、短程传感的电感检测传感器芯片，能够将模仿电感值转换为数值量，一起具有低成本、高分辨率遥感的导电性。它的内置处理芯片具有SPI通讯接口，能够很方便地与单片机进行通讯。LDC1000只需求外接一个PCB线圈或许克己线圈就能够完结非触摸电感检测，测验外部金属物体和 LDC相连的测验线圈的空间方位联系。运用这个特性配以外部规划的金属物体，即可很方便地完结水平或垂直间隔检测、视点检测、位移检测、运动检测、振荡检测和金属成分检测。
LDC1000的电感检测运用的是电磁感应原理。如图1所示，传感器内部会发生一个交变电流，加在PCB线圈或许克己线圈上，线圈周围会发生交变电磁场，这时假如有金属物体进入这个电磁场，则会在金属物体外表发生涡流(感应电流)。因为涡流电流跟线圈电流方向相反，因而涡流发生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属物体的间隔，巨细、成分的函数。涡流发生的反向磁场与线圈耦合在一起，就像是有另一个次级线圈存在相同。LDC1000的线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，这样就形成了一个变压器。因为变压器的互感效果，在初级线圈这一侧就能够检测到次级线圈的参数。
图1中，Ls是初级线圈电感值，Rs是初级线圈的寄生电阻;L(d)是互感值，R(d)是互感的寄生电阻，括号中的d表明L(d)和R(d)是间隔的函数;交变电流只加在电感上(初级线圈)，则在发生交变磁场的一起也会耗费很多的能量。这时将一个%&&&&&%并联在电感上，因为LC的并联谐振效果能量损耗大大减小，只会损耗在Rs和R(d)上。如图2所示，能够看出，检测到R(d)的损耗就能够间接地检测到d。
LDC1000并不是直接检测串联的电阻，而是检测等效并联电阻，等效并联模型如图3所示，能够推导出等效并联电阻的计算公式：
在LDC1000中，等效并联电阻Rp被转换为数字量，这个数值的巨细与Rp成反比。调查式(2)可知，Rp与Rs成反比，一起因为Rs巨细与LC谐振损耗成正比，由此可得数字量数值巨细与LC谐振损耗成正比，涡流越大，损耗越大。
2 金属勘探定位体系的硬件规划
本文以LDC1000电感传感器以及飞思卡尔Kinetis系列微操控器K60为中心，而且由直线电机驱动模块、步进电机驱动模块、直线电机、步进电机、LCD液晶显现屏、矩阵按键、电源模块电路、语音声光模块电路、红外线模块等组成，详细硬件衔接图如图4所示。
为了在某个指定巨细的区域内快速检测并定位不同原料的方针金属，体系选用步进电机以及直线电机，运用X轴和Y轴接连扫描作业形式。
(1)电源的挑选
因为体系需求驱动步进电机、直流电机等，一起要求供电电源安稳牢靠，所以直接挑选数控稳压源进行供电。给直线电机与步进电机供给+12 V～-12 V的直流电压，然后进入降压电路，将电压降低到5 V以及3.3 V，给K60微操控器以及其他模块供电。
(2)传感器的挑选
本文挑选了OMROM反射式红外光电开关，感应间隔为1～50 cm(可调)，感应方法为漫反射(非通明物)，作业电压为DC 4.5～5.5 V，作业电流为50 mA，输出方法为NPN常开，呼应时刻为2ms。用来检测直线电机伸出的长度，这样能够随意设置直线电机运动的方位规模，以到达快速定位的意图。
(3)电机的挑选
经过比较各种电机的功用，选用了两种电机：一种是57步进电机，另一种是38直流电机。57步进电机具有高耐压性，可到达500 V，一起径向跳动最大0.02 mm(450g负载)，轴向跳动最大0.08 mm(450g负载)，步距精度可达5%。38直流电机出轴直径为5 mm，电机直径为38mm，电机长度为67 mm，转速可高达4 000转。因而，将它们结合运用既能够满意速度要求，又能够满意精度要求。
因为LDC1000与K60操控器之间的通讯是经过SPI通讯协议进行传输的，因而需求将LDC1000上与SPI通讯相关的4个端口SCLK、CS、 SDI、SDO与K60微操控器上的四个端口D0、D1、D2、D3相衔接。D0口输出必定频率的凹凸电平来模仿时钟信号，D1口输出高电平，使能 LDC1000的SPI通讯模块，SDI、SDO与D2、D3进行数据交换，完结数据通讯，使得K60操控器能够进行后续的数据处理。
体系需求有较好的人机交互功用，因而在外围电路中选用4×4矩阵按键和Nokia5110LCD液晶显现屏与K60微操控器的通用I/O口相衔接，选用 4×4矩阵按键能够只经过8个I/O口到达对16个按键进行辨认，相关于一般按键，节省了一半的I/O口资源。在液晶屏的挑选上，因为体系需求显现的字符并不多，Nokia5110 LCD液晶屏彻底能够满意体系的要求，一起具有价格便宜的优势。
在体系中，金属勘探仪需求完结必定规模内的主动勘探功用，因而挑选在X轴上经过步进电机来进行横向的移动，以到达精确度高这一要求。在到达高精确度要求的一起需求具有较快的速度，因而在Y轴上选用直线电机来进行纵向移动，两者相结合能够进行必定规模内的面扫描。
关于步进电机的操控，K60微操控器经过C1口以及E1口与步进电机驱动模块相衔接，E1口输出凹凸电平操控步进电机移动的方向，C1口输出PWM波操控步进电机移动的速度与间隔，终究步进电机驱动模块经过A、B双相输出相应的电压驱动步进电机移动。
关于直线电机的操控，K60微操控器经过B0、B1、B2三个端口与电机驱动模块相衔接，该电机驱动模块挑选的是简略的H桥驱动，能够经过改动PWM来完结直线电机的转速巨细与方向。一起为了能够精确地检测以及操控直线电机移动的间隔，体系经过红外传感器模块进行检测，一起信号经过A16端口输入到K60 微操控器中去。
K60微操控器的E0、E2口衔接LED以及语音报警体系，在检测到金属时，K60微操控器经过在E0和E2口输出高电平，驱动LED发光的一起语音报警体系宣布提示音。
3 金属勘探定位体系的软件规划
软件流程图如图5所示。
软件规划的关键是操控X轴步进电机的步进长度和Y轴直线电机的移动规模，以及操控LCD液晶显现屏显现当时勘探到的金属方位和间隔。软件的初始化包含体系时钟初始化、传感器LDC1000初始化、液晶显现屏LCD初始化以及PWM波初始化。主程序开始时，先要经过键盘输入一个阈值，该阈值与要检测的金属性质有关，检测不同金属会输入不同的阈值。当输入完阈值后，操控器会读取LDC1000传来的数据，比较该数据和阈值的联系。
假如该数据小于阈值的1/4，则步进长度操控为3cm;假如该数据大于阈值的1/4，则步进长度操控为1 cm。关于直线电机的移动规模操控是经过反射式红外光电开关来完结的，在直线电机上会有初始方位、中止方位两个黑色符号。若红外光电开关照射到这两个黑色符号，则会输出高电平到I/O口，当操控器的I/O口判别当时的电平为高电平时，就会改动直线机电驱动电压的极性，然后完结电机的反向、正向来回运转。 LDC1000传来的数据在0.9～1.1阈值规模内时，表明当时LDC1000传感器现已勘探到金属了，步进电机和直线电机将中止运转。液晶显现屏将显现当时金属的方位和间隔。一起，I/O口E0输出高电平信号，驱动语音模块进行声响报警，I/O口E2输出高电平信号驱动发光二极管发光报警。
4 试验成果与数据
为了查验体系关于检测不同原料和巨细的金属物体的精确度，试验选取了1角硬币(直径19 mm，原料为镀镍钢芯)、1元硬币(直径25 mm，原料为镀镍钢芯)和克己铁丝环(直径4 cm，原料为铁)3种金属作为被检测金属物体，放置在50 cm×50 cm规模内恣意一处。然后运转金属定位勘探体系，对金属物体进行检测以及定位，最终丈量体系定位点与金属中心点之间的间隔差错，并记载试验成果，详细成果如表1所列。
经过试验数据能够发现，关于不同金属原料以及不同金属巨细的被测物，试验差错不同。1角硬币作为被测物，中心点定位精确度最高，克己铁环因为铁环只要外围一圈是金属，中心部分为空心，因而差错最大。整体来说，定位差错在3.6 mm以内。
结语
本文运用LDC1000电感传感器来完结金属勘探定位体系，从试验数据中可知，该计划定位精度高，定位差错在3.6 mm以内。此外，该体系成本低、结构简略，只需进行X、Y轴扫描，便能快速精确地完结金属勘探定位功用，结合液晶显现和语音报警功用，可增强人机互动。该体系可运用于修建施工中墙面内钢筋、电线的检测，还可运用于机场、火车站和大型会场安检时对金属刀具、枪子弹药等风险物品的检测。
