金屬探測裝置的設計

1、重慶理工大學畢業(yè)設計 金屬探測裝置的設計摘 要本設計以MSP430G2553芯片為核心MCU，以電渦流式傳感器模塊為核心探測器1，以X、Y兩軸向設計的絲桿導軌為行走機構，以多個步進電機作為行走機構動力源，制作了一個基于電磁感應原理來探測金屬的金屬探測定位器。電渦流式傳感器是一個利用電渦流效應制作的傳感器。通過給傳感器的線圈通入高頻交流電而產(chǎn)生一個交變的磁場，如果將金屬物放置在在變化的磁場中，那么由電磁感應理論可知金屬內部會產(chǎn)生電渦流。電渦流產(chǎn)生的磁場，會影響傳感器線圈內的磁場，從而影響高頻電流的幅度與相位2。在本次使用的傳感器中，渦電流會增大振蕩回路中的能量損耗，然后電路的正反饋變小，同時處在

2、臨界狀態(tài)的振蕩器振蕩減弱。當這個系統(tǒng)無法維持振蕩所需的最低能量時，振蕩電路會停振。將此信號傳送至微控制器即可做出相應的動作命令。在本課題中，系統(tǒng)上電后開始探測工作，雙軸向絲桿行走機構隨即開始活動3。當探測器探測到被隱藏在或混雜在非金屬物體中的金屬物時，步進電機將會停止轉動，行走機構停止，此時，定位器用指針準確指出具體位置，并發(fā)出聲音、燈光報警提示。此設計，可應用在車站、考古現(xiàn)場、機場、海關、碼頭、銀行、建筑、監(jiān)獄、體育場、醫(yī)院，學校等場所使用，是檢查非法金屬物品和精細金屬物品的理想產(chǎn)品。關鍵詞：金屬探測； MSP430G2553；電渦流式傳感器; 電磁感應原理AbstractThis desi

3、gn by MSP430G2553 chip as the core of MCU, the eddy current sensor module as the core probe, X, Y, the design of the screw in the two axis for the walking mechanism, travel mechanism with multiple step motor as power source, made a metal detection based on the principle of electromagnetic induction

4、to detect metal locator.The eddy current sensor is a sensor based on eddy current effect. For sensor coil passed into high frequency alternating current (ac) and produces an alternating magnetic field, if the metal is placed in the changing magnetic field, then by the electromagnetic induction theor

5、y known metal internal eddy current is produced. The eddy current magnetic field, can affect the magnetic field sensor coil, thus affect the amplitude and phase of the high frequency current. In the use of sensors, eddy current will increase the loss of energy in the oscillation circuit, and then di

6、minish the positive feedback circuit, at the same time in the critical state of oscillator oscillation. When the system is unable to maintain the minimum energy required for oscillation, the oscillation circuit will stop. This signals to the micro controller can make the corresponding action command

7、.In this design, the electrical detection system after work, walking mechanism automatically.When the probe to detect hidden or mixed metal in the non-metallic objects, stepping motor will stop running and stop traveling mechanism, at this point, the accurate locating USES pointer points out that th

8、e specific location, and sound and light alarm prompt.This design, can be used in the station, archaeological sites, airports, customs, port, bank, buildings, prisons, stadium, hospitals, schools and other places, is to check the illegal metal items and fine metal items of ideal products.Key words:

9、metal detector；eddy current position sensor；MSP430G2553； Principle of electromagnetic induction； 目 錄摘 要IAbstractII緒 論11.1 前言11.2 金屬探測裝置概述11.2.1 金屬探測裝置發(fā)展歷史11.2.2 金屬探測裝置的發(fā)展方向21.2.3 國內金屬探測裝置的發(fā)展現(xiàn)狀31.3 研究金屬探測裝置的目的與意義41 .4 本章小結42 金屬探測裝置的方案選擇與設計52.1 尋跡小車探測方案52.2 避障小車隨機路徑探測方案52.3 使用二軸向導軌探測方案62.4方案選定與設計72.5

10、本章小結83硬件設計93.1 微控制器介紹93.2 電源模塊設計與參數(shù)計算103.3 步進電機參數(shù)計算及驅動設計113.4 鍵盤模塊153.5 探測模塊163.5.1 電渦流傳感器介紹163.5.2 影響電渦流強度的因素分析173.5.3 電渦流傳感器電路模塊介紹203.6 聲光報警模塊213.7 本章小結224 軟件編制234.1 總體方案流程圖234.2 電機控制部分234.3 鍵盤功能部分254.4 本章小結265 系統(tǒng)總體測試265.1調試方法275.2 測試儀器275.3 本章小結276 結論與展望276.1 結論286.2 未來工作展望28致 謝29參考文獻30附 錄32附錄1 主

11、函數(shù)程序清單32附錄2 電機驅動程序清單3742 緒 論1.1 前言金屬探測器（Mental Detector）, 顧名思義，是一類能夠探測到金屬導體的電子儀器。金屬探測裝置能夠在旅客進入車站的時候對其所攜帶的包裹進行檢測，以防金屬危險物品帶入其中?？梢蕴綔y到埋在地下的金屬管道，甚至應用在軍事上探測爆炸物。還能用在建筑行業(yè)中探測墻壁中的電線電纜等金屬物體。目前，金屬探測器已廣泛應用到運動場、展覽會、車站、考古現(xiàn)場、機場、海關、船埠、銀行、建筑現(xiàn)場、監(jiān)獄、體育場、醫(yī)院，學校等場所?？傊?，它已成為探測金屬導體物體的重要設備4。在當前社會中使用比較廣泛的金屬探測裝置基本有三個類型：（1）在煉鋼煉鐵、

12、采煤現(xiàn)場、化學化工、石油提煉、裝備制造、造紙工廠等工業(yè)生產(chǎn)流水線上，常規(guī)情況都要裝一個金屬探測裝置。它用來從原料中檢測所混雜的金屬物質，以保證產(chǎn)品質量，保障生產(chǎn)過程安全性?！肮I(yè)型金屬探測器”就是指這類金屬探測裝置5。（2）人們對的日常飲食與穿著方面的要求伴隨著人們的生活水平日趨進步愈來愈高。在食品的加工與包裝過程中，在衣物的生產(chǎn)過程中以及在家居產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)方有時會對其進行金屬檢測?！吧钚徒饘偬綔y器”就是應用在這些場合的金屬探測裝置6。（3）為了維護社會的安全與秩序，在絕大多數(shù)公共場合如車站、機場、地鐵，以及一些涉及到貴重物品的場所如銀行、金銀店、珠寶玉石廠等等需要對出入人員進行非

13、法金屬檢測，以排除易爆物品、非法武器、易燃物品等危險物質?！鞍踩徒饘偬綔y器”這種類型的金屬探測裝置油然而生7。 目前，市場上的金屬探測器種類繁多，可從事的工作也多種多樣，大到探測礦物的貯藏，小到藥品中直徑10m以下的銅絲，都可以進行探測8。但仍舊沒有一種可以自動去行走探測。并且在探測到金屬后能夠實現(xiàn)精準定位的金屬探測裝置。1.2 金屬探測裝置概述1.2.1 金屬探測裝置發(fā)展歷史1931年，在美國加州的格哈德菲斯而實驗室中，世上首個金屬探測裝置由費舍爾（Gerhard R. Fisher）發(fā)明。他在取得專利后，命名其為M-Scope（即Metalloscope）。因為費舍爾申請了專利且將金屬探

14、測器推進了市場，大泛圍地應用在了生產(chǎn)質量檢測、安全刑偵檢測、工業(yè)開發(fā)檢測等等多個范疇。所以，當前社會各界人士都以費舍爾博士為“金屬探測器之父”9。人類社會中某個行業(yè)的發(fā)展往往是由某個產(chǎn)品的出現(xiàn)而帶動。 在過去的80多年間，金屬探測器歷經(jīng)了數(shù)代的探測工藝的革新。最初，金屬探測器使用了信號模擬技術，后來，連續(xù)波技術被應用到了金屬探測器中。再到今天，數(shù)字脈沖等技術成為了主流的探測技術。金屬探測器所含的技術成分越來越多10。從最開始所應用簡單的電磁感應原理，到如今引進了紛繁復雜的科學技術成果。其探測精確度與靈敏度還有它的工作性能，都飛躍了一個大步。許許多多的行業(yè)范疇，隨著金屬探測設備的質量的提高而被廣

15、泛的利用觸及到。伴隨著航空業(yè)的迅速發(fā)展，空中犯罪事件頻頻走上各大媒體主頁。例如在歷史上轟動全世界的“911劫機事件”11，因為沒有檢測到不法分子所攜帶的槍支，所以釀成了悲慘的事故。如今的航空部門愈來愈正視機場的安檢問題。于是在國內外大大小小的機場里，安檢門、行李包裹安檢儀充當了一個非常重要的角色。 在一些大型的集會如歌星的演唱會、藝術節(jié)目展演、收藏品展會以及一些大型的運動會如奧運會、亞運會、各類體育運動比賽現(xiàn)場等等，金屬探測器也成為必不可少的一個“鋼鐵門衛(wèi)”，為參加這些活動的每一個人員都添加了一份安全保障。曾有一段時間在美國、英國、意大利等發(fā)達國家，牢獄中暴力案件顯現(xiàn)直線上升趨向。在牢獄的日常

16、管理工作中，首要的工作就是消減囚犯之間的武力沖突事件，因此金屬探測器成為牢獄管理工作的必備儀器。有數(shù)據(jù)記錄顯示，牢獄中囚犯數(shù)量每多二百人，牢獄官方就要多備一臺金屬探測器。與此同時，那些便攜的手持的金屬探測器在牢獄治理工作中，發(fā)展的更加成熟了。如今在大大小小的商場、辦公樓、超市、圖書館門口也經(jīng)常會看到一個個佇立的安檢門，這又涉及到一個金屬探測器新的應用領域物品防盜。我們常見大型超市中，不乏昂貴的商品，同樣也不乏一定數(shù)量的別有用心者。曾有新聞爆出婦女假裝孕婦盜取衣服的事件等等，給商店的經(jīng)營者帶來了許多的煩擾。安檢門出現(xiàn)后，極大消減了商品失竊事件的發(fā)生率。例如在一件衣物上嵌有一顆只有能被特定的安檢門

17、才能檢測到的金屬紐扣，如果沒有通過正常方式將其取下，當這件衣服經(jīng)由安檢門時，安檢門會檢測到金屬紐扣的存在并實時發(fā)出報警提示訊號，保安聽聞后便可高效的防止偷竊。1.2.2 金屬探測裝置的發(fā)展方向1.遠程控制發(fā)展 隨著科學技術的進步，更多更復雜的工作中已經(jīng)用到了金屬探測裝置。但最具有特色的一種技術功能，就是金屬探測裝置的網(wǎng)絡化遠程控制功能。擁有了這種功能，人們能夠隨時隨地的不必在現(xiàn)場即可控制該金屬探測裝置12?？梢詫崟r調整金屬探測裝置的參數(shù)，改變調整它的靈敏度，設定它工作的方式與工作的時間段等等。這一切事情，都可以在遠途控制室中完成。如果再將多臺金屬探測裝置構建成一個網(wǎng)絡，即可實現(xiàn)金屬探測器的網(wǎng)絡

18、化發(fā)展，如在復雜的工作環(huán)境使用多臺金屬探測器，通過網(wǎng)絡化控制，使多臺金屬探測器互相協(xié)調的去配合工作，以完成復雜繁多的工作。此發(fā)展方向順應將來的市場的工程需求。2.非常規(guī)形狀發(fā)展 由于其用途越來越廣泛，所以國際市場出現(xiàn)了紛繁復雜的非常規(guī)形狀的金屬探測器。例如羅杰曼托蘭克斯開發(fā)出的一種新型金屬探測器，他命名其為身體安全掃描儀（BOSS）。這種新型探測器的形狀與常規(guī)類型完全不一樣，它的外形更像是一把椅子。目前該產(chǎn)品已被部分監(jiān)獄以及執(zhí)法機構投入使用，用來探測囚犯身體是是否攜帶刀片、鑰匙等尖銳危險金屬物品。此類型金屬探測器，顯著的提升了在牢獄管理過程中金屬檢測的精度與準確度。因為常規(guī)的金屬安檢門在檢測藏

19、在體內的精細金屬物時，起到的效果不是很樂觀。3.大眾化發(fā)展 隨著金屬探測裝置的越來越普及，它正在從價格高昂的大型設備這一定位，慢慢的向普通家居儀器轉變。如今，已經(jīng)在很多家庭可以發(fā)現(xiàn)，他們擁有了一臺或大或小的金屬探測器。例如，在尋找遺失的鑰匙的時候，利用金屬探測器可以得到許多幫助。這個發(fā)展趨勢將會給生活帶來許多的便捷13。1.2.3 國內金屬探測裝置的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，我國順應社會發(fā)展需求，安檢設備研發(fā)制造業(yè)的發(fā)展異常的蓬勃迅速。在安檢設備生產(chǎn)行業(yè)，已有若干金屬探測器生產(chǎn)廠家已在國內市場擁有了一些占有率。但數(shù)據(jù)顯示， 國產(chǎn)的安檢裝備的市場占有率只達到了約20%，甚至在民航方面的市場上，國產(chǎn)的安檢設

20、備還不曾涉足而入。總的來看，根本原因出在設備的質量問題上，因此得不到官方的一些認證。固然近些年我國自主出產(chǎn)安檢產(chǎn)品的研發(fā)與推行已然取得了巨大的進步，但是仍然沒有掙脫“中國制造”的框架。電路上、功能上。外形上都出現(xiàn)了很大程度的模仿，缺乏創(chuàng)造性的技術，難以與市場上的國外生產(chǎn)的安檢產(chǎn)品競爭。在國際市場上，也沒有國產(chǎn)安檢設備的蹤跡。但隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，研發(fā)出世界先進水平的金屬探測器指日可待，使中國的金屬探測器打開國際市場這道大門。1.3 研究金屬探測裝置的目的與意義目前國內市場上擁有的金屬探測器大多數(shù)檢測的是大塊的金屬物品如刀具槍支、食品、珠寶等，而對于檢測體積小的金屬物的金屬探測器缺寥寥無幾。

21、甚至，能夠自動運行探測并且能夠準確定位出金屬的位置的探測器還沒有出現(xiàn)。本設計通過調整電感傳感器的參數(shù)提高精確度，并且要設計配套的自動行走機構，能夠讓探測系統(tǒng)自行去尋找微小金屬物，并且要準確的指出那些隱藏在其他材料后面的金屬物的位置然后發(fā)出報警。本設計可以實現(xiàn)不用人們手動去操作移動金屬探測器即可自動找到一塊材料里面的金屬。這個功能將極大的節(jié)省人力支出，減少工作的成本，對于彌補金屬探測器的自動檢測并實現(xiàn)定位這方面功能的空缺，有著較大的意義。1 .4 本章小結本章內容主要介紹了金屬探測裝置是什么，為什么要去研究金屬探測裝置，以及在本設計中，對傳統(tǒng)的金屬探測裝置有哪些改進與提升，最終要達到一些什么目的

22、。這對于整體的畢業(yè)設計，有著導航線的作用，在畢業(yè)設計的過程中始終保持有目標的進行。2 金屬探測裝置的方案選擇與設計2.1 尋跡小車探測方案本方案中，行走機構為一輛可循跡的小車。小車前輪為兩個不相關的步進電機，不裝在同一個轉軸。采用左右輪分別控制的策略，可輕松實現(xiàn)小車的轉向。后輪采用萬向輪，有利于車體的旋轉。為實現(xiàn)小車自動尋跡，在玻璃板上鋪設黑色引導線（如圖2-1所示），利用光電檢測器檢測道路上的引導線使小車準確的沿引導線行駛。為了檢測到跑道上的黑線，在小車上放置四只光電檢測器采用CDD光電檢測器，當光電檢測器檢測到黑線，其信息傳給微控制器作為外部中斷源，產(chǎn)生一個中斷，通過對中斷的計數(shù)確定小車位

23、置，并對行駛狀態(tài)做出相應的反應。圖2-1 循跡小車路徑示意圖循跡小車方案的優(yōu)點：小車跟隨引導線的路徑的移動很快，因此掃描會很迅速，能夠在很短的時間內將檢測范圍粗略掃描完畢14。循跡小車方案的缺點：定位不精確；需要使用其他傳感器，不符合題目要求；小車有一定的寬度，因此行走的路徑之間會產(chǎn)生傳感器很多掃描不到的盲區(qū)。尤其需要用指針進行定位時，如果指針沒有機械臂帶動，此定位達不到精度要求。2.2 避障小車隨機路徑探測方案本方案的行走裝置依然為可轉向的小車，把探測的范圍邊框設想為障礙物。將金屬探測模塊裝在小車上后，讓小車以任意不平行于邊框的方向進入探測區(qū)域，之后，通過檢測電渦流傳感器感測到鐵絲邊框后得到

24、的信號，來計算獲取小車距離邊框的距離，并且用LCD顯示出來，當小車與障礙物的距離大于30cm時，小車會沿直線前進，當小車與障礙物的距離小于15cm時，小車以鏡面反射的角度轉彎以避開障礙物，在避開障礙物后，小車會沿直線前進（圖2-2）。直到檢測到目標金屬時的傳感器返回正確的信號，小車停止運動，并發(fā)出聲、光提示。此時小車上攜帶的指針所指位置即為目標金屬物的位置。圖2-2 避障小車路徑示意圖避障小車方案的優(yōu)點：具有很高的靈活性，路徑很隨意，不會有方向限制。避障小車方案的缺點：掃描所需時間具有不確定性，可能很長也可能很短，掃描路徑也會產(chǎn)生許多的盲區(qū)，無法保證將所有面積都掃描。2.3 使用二軸向導軌探測

25、方案本方案探測策略有兩種，第一種：探測滑塊進入?yún)^(qū)域后，直接定位在區(qū)域的兩條對角線的交點處（圖2-4），先逐行掃描右半?yún)^(qū)域，如果未找到目標金屬物，立即復位到交點處，開始掃描左半?yún)^(qū)域，可更快找到目標金屬物。第二種：探測滑塊沿著一條邊的平行線進入?yún)^(qū)域，接著，X軸運動到最大距離，Y軸移動5mm，X、Y軸運動依次循環(huán)，直到把整個探測區(qū)域掃描完畢。圖2-3 二軸向導軌行走路徑圖二軸向導軌方案的優(yōu)點是：掃描迅速，定位精確度極高。二軸向導軌方案的缺點是：行走機構體積略大。2.4方案選定與設計二軸向導軌克服了以上兩種方案掃描速度慢、定位準確度低、掃描盲區(qū)較多等缺點，因此通過認真比較與總結，本設計采用第三種方案即

26、二軸向導軌行走機構自動檢測方案。這個方案的機械行走機構是用兩套滾珠絲桿二軸向疊加而成，具體見下方CAD圖（圖2-4），在上面的導軌上安裝一個滑塊，探測器裝在這個滑塊上。分別用兩個步進電機控制兩根軸的轉速，即可任意調節(jié)滑塊的位置，以便將探測范圍內的所有面積進行無盲區(qū)掃描。探測滑塊在掃描時可行走的距離可通過限定所需脈沖的數(shù)量來確定。圖 2-4 二軸向導軌這個方案的系統(tǒng)結構框圖如下（圖2-5）：圖2-5 二軸向導軌方案系統(tǒng)結構框圖本方案涉及到幾個模塊，其中，電源模塊要用到兩套電源分別給探測模塊與行走模塊供電；系統(tǒng)中的電渦流傳感器模塊要實現(xiàn)對金屬導體的檢測，并且要準確的將信號傳給微控制器；微控制器收到

27、傳感器信號后要做出決策然后控制電機驅動與報警模塊工作；電機驅動要將微控制器的脈沖信號轉化為電機的時序并且要給電機供電；報警模塊要在檢測到金屬導體后根據(jù)微控制器的指令而做出報警動作。2.5 本章小結上一張介紹了金屬探測裝置的發(fā)展狀況，而本章內容具體的介紹了本次設計的金屬探測定位裝置的各個部分的設計方案。包括金屬的探測部分、對金屬探測到之后的定位功能的實現(xiàn)部分。還具體的分析了如何實現(xiàn)這些功能，以及在實現(xiàn)的工程中會出現(xiàn)哪些情況等等。3 硬件設計3.1 微控制器介紹單片機又稱為微控制器(MCU)。這個芯片不僅能夠完成某一個邏輯功能,而是在一個芯片上集成了一個計算機系統(tǒng)。類似于一個微型的計算機。與計算機

28、相比，微控制器僅沒有I/O設備?？偟膩碚f：一塊MCU芯片就是一臺計算機。它的外形小、重量輕、廉價等特點，使得對其的學習應用與開發(fā)提供了有利的條件。同時，研究使用微控制器是了解計算機功能與結構的最優(yōu)途徑。微控制器的應用范圍已非常廣泛，如生產(chǎn)自控、及時工控、無線通訊、娛樂競技、家居電器等等。甚至在市面上，只要有電子產(chǎn)品用到了微控制器，就會被冠以“智能”型產(chǎn)品的名號。對推動現(xiàn)代的生活節(jié)奏起到了非常大的作用。MSP430G2553微控制器又稱為混合信號處理器。是根據(jù)對實際應用的需求而設計，把若干不一樣的功能的模擬電路模塊與數(shù)字電路模塊和微控制器集成在一塊芯片上。由德州半導體公司（TI）于1996年研制

29、出第一代芯片。到目前為止，TI公司已發(fā)布了40多款系列芯片?？偟膩碚f，有以下特點：（1）運算能力強 MSP430G2553系列微控制器是一個16位的處理器。使用了簡化的指令集（RISC）結構。有多種的的尋址方式。包括7 種源操作數(shù)尋址；4 種目的操作數(shù)尋址；簡潔的 27 條內核命令和許多的模擬指令；片內數(shù)據(jù)存儲器與許多的寄存器皆能進行多種運算；還有高效的查表處理指令。這些有點能夠保證高效率的源程序的編制。（2）處理速度快 在25兆赫茲晶體的驅動下MSP430G2553系列單片機可以輕松實現(xiàn)40ns的指令周期。數(shù)據(jù)寬度16位，指令周期40ns，以及硬件乘法器功能多。這三點配合起來，即可實現(xiàn)數(shù)字信

30、號的處理算法。在同類微控制器中，性能較為優(yōu)越。（3）低能耗 MSP430G2553微控制器有超低的能耗。因為它在降低了芯片電源的電壓。并且它可以靈活的控制時鐘的運行。這個方面都有它的獨特的地方。首先，MSP430g2系列微控制器試用1.8V-3.6V的電壓作為電源電壓。當MSP430G2553微控制器在1兆赫茲的時鐘頻率下運行時，微控制器的最低電流能夠低至160A大約。甚至在RAM保持模式下的最低功耗低至了0.1A。（4）片內資源豐富 MSP430G2553微控制器有著豐富的片內外設。例如有看門狗定時器（WDT）、模擬比較器A、定時器（Timer_ ）、定時器 （Timer_ ）、定時器 （T

31、imer_ ）、乘法器、顯示驅動器、10位或者12位AD轉換、16位- ADC、DMA、 、 、 、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘和USB控制器以及許多外圍模塊的不同搭配。其中的看門狗可以使失控的程序快速的復位。16位定時器包括Timer_A 和 Timer_B具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出A/D 轉換器。有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應用。擁有很多的 I/O 端口。P0端口、P1端口、P2 端口都可以接收外部的上升沿與外部

32、下降沿的中斷輸入。10/12位硬件 A/D 轉換器有最高可達200kbps轉換速率，這在同類芯片內設中，達到了先進水平。這足以滿足大部分的數(shù)據(jù)采集工作。Msp430系列微控制器可以直接的驅動多達160段的液晶。芯片能夠實現(xiàn)雙通道12位A/D轉換。硬件 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。此外，MSP430G2553系列微控制器所包含的中斷也很多，它們可以隨意的嵌套。使用起來靈活方便。中斷喚醒一個處于省電的低功耗狀態(tài)時的微控制器系統(tǒng)只需5s就可以。（5）方便的開發(fā)平臺 MSP43

33、0G2553 系列有很多類型，他們的開發(fā)手段不盡相同。 比如有OTP 型、FLASH型和ROM型三種類型的器件。其中,OTP型和ROM型的器件是先利用仿真器開發(fā)。然后再進行燒寫或掩膜芯片；而 FLASH 型的芯片卻在開發(fā)調試環(huán)境方面十分的方便。由于其芯片內有調試接口JTAG和能夠實現(xiàn)上電擦寫的FLASH存儲器。因此使用時，要先給FLASH內下載程序，然后控制程序的運行器件就可以通過軟件進行了。用JTAG 接口讀芯片里面的信息，以便開發(fā)者使用調試的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。有匯編語言和C語言兩種開發(fā)語言。3.2 電源模塊設計與參數(shù)

34、計算開關電源給電機驅動供電 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。用LM317給微控制器供電 LM317是當今市面上使用最為普遍的電源集成電路之一。它不單單擁有固定的三端穩(wěn)壓電路的形式。它還具有可調輸出電壓的特征。LM317的穩(wěn)壓性能優(yōu)秀，調壓范圍比較寬。LM317還擁有噪聲較小紋波抑制比高等許多優(yōu)點?？偟膩碚f，LM17也可以稱為可調節(jié)正電壓的穩(wěn)壓器。LM317能夠提供超

35、過1.5A的電流當它在輸出電壓范圍1.2伏到37伏的時候。此穩(wěn)壓器非常易于使用。LM317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流。這個最小的穩(wěn)定電流，有資料叫它最小泄放電流，或者是最小輸出電流。1.5mA是最小穩(wěn)定工作電流的一般值。LM317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流會隨著生產(chǎn)廠家不同型號不同而電流值也不同。一般會小于5mA。如果想要讓LM317穩(wěn)壓模塊正常工作，那么LM317穩(wěn)壓塊的輸出電流就需要小于其最小穩(wěn)定工作電流。如果想要讓LM317穩(wěn)壓塊輸出穩(wěn)定的直流電壓，那么LM317的輸出電流就需要大于其最小穩(wěn)定工作電流15。 利用LM317芯片制作可調電壓的穩(wěn)壓電路，給微控制器系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，原理圖

36、如下（圖3-1）。圖3-1 LM317可調穩(wěn)壓電路圖經(jīng)過分析以上圖電路后可得出以下公式： （3.1）由公式（3.1）的自身來看，R1、R2的電阻值可以隨意定。但這個公式用來計算穩(wěn)壓電源的輸出電壓，R1與R2的阻值是不可以任意設定的。首先LM317電源模塊的輸出電壓的變化區(qū)間是 （輸出高電壓的LM317電源模塊如LM317HVA、LM317HVK等，其電壓輸出的變換區(qū)間是），所以R2與R1的比值區(qū)間僅可以是028.6。3.3 步進電機參數(shù)計算及驅動設計步進電機（Stepper motor）是一類能夠將電脈沖信號轉換為角位移量的執(zhí)行裝置。步進電機的驅動器接受到了一個脈沖信號之后，步進電機就會被驅動

37、，會按照設定的方向旋轉一個固定的角度即步距角。步進電機轉子的旋轉形式，是按照固有的步距角一步一步的旋轉的?？梢岳迷O定脈沖數(shù)量以控制角位移的量，以便能夠實現(xiàn)準確定位。同時，電機轉動的速度和加速度能夠通過控制脈沖頻率來實現(xiàn)。從而實現(xiàn)步進電機的調速與定位16。前面已經(jīng)提到，步進電機是一個能夠將微控制器給的脈沖的數(shù)量，轉化為角位移量的裝置，每輸入一個脈沖，步進電機就會轉動一個步距角位移量。因受本次設計的雙軸導軌形狀限制，故電機不可在一個方向下一直轉動，因此要精確的計算出每個控制動作需要給步進電機的脈沖的數(shù)量。同時在選用步進電機時，要考慮其自身重量，以及其最大靜態(tài)扭矩。因此選擇步進電機需要進行以下計算

38、： （1） 計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （3.1）Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 （3.2）式中Ma-電機啟動加速力矩（N.m)Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2)n-電機所需達到的轉速（r/min）T-電機升速時間（s）Mf=(u.W.s)/(2i)102 （3.3）Mf-導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m)u-摩擦系數(shù)-傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2i)102 （3.4）Mt-切削力折算至電機力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）（2） 計算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比i計算如下: i=(.S)/(360.) （3.5） -步

39、進電機的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （3）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm)1/2 （3.6）fq-帶載起動頻率（Hz）fq0-空載起動頻率Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m)若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.（4）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （3.7） 式中Jt -折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齒輪慣量

40、(Kg.cm.s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。（6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（3.5）和式（3.6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.20.4)Mmax.步進電機的驅動有兩個方案可選取，其中，方案一：采用L297&L298芯片的組合電路進行驅動。其中，L297單片步進電動機控制器

41、集成電路適用于雙極性兩相步進電動機或單極性四相步進電動機的控制。用L297輸出信號可控制L298雙H橋驅動集成電路，產(chǎn)生步進電機所需的相序，用來驅動L298原理如下圖（圖3-2）。 圖3-2 L297工作原理圖L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動，設計用于連接標準TTL邏輯電平，驅動電感負載（諸如繼電器、線圈、DC和步進電機）。L298提供兩個使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號的情況下，使能或禁用L298器件。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。

42、L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546V。輸出電流可達25A，可驅動電感性負載。L298低位晶體管的發(fā)射器連接到一起，而其對應的外部端口則可用來連接一個外部感應電阻。L298還提供一個額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下17。L297與L298的組合電路圖見圖3-3。圖3-3 L297&L298工作原理圖本方案的優(yōu)點是：成本較小，只需少量的元件即可完成功能。本方案的缺點是：驅動能力達不到實際需求。方案二：采用步進電機專用驅動器2H45B（圖），這種驅動器雙極性恒流斬波驅動靈活的輸出電流設定最大128

43、細分設定，且不影響其輸出力矩。本方案的優(yōu)點是：報警信號光藕隔離輸出，方便監(jiān)控；過壓、欠壓、過流、短路、高溫等會有報警，保護電機低速無爬行現(xiàn)象；噪音小，無共振區(qū)；通用定位孔尺寸，便于用戶安裝。驅動能力強。本方案的缺點：成本較高。圖3-4 步進電機驅動器經(jīng)過比較，使用步進電機專用驅動更適合本設計的需求，因此本次設計中步進電機的驅動采用了2H45B步進電機驅動器。3.4 鍵盤模塊設置四個按鍵key1、key2、key3、key4。key1的功能是切換運行模式（自動檢測金屬模式與手動控制模式）；key2的功能是按下后X軸的電機正轉，放開后電機停止轉動；key3的功能是按下后Y軸的電機反轉，放開后電機停

44、止轉動。Key4的功能是切換key2、key3對X軸與Y軸的控制權。Y這樣，先調整探測器在X軸的位置，再調整探測器在Y軸的位置。即可用鍵盤實現(xiàn)對探測器位置的任意調整。電路圖如下（圖3-5）：圖3-5 鍵盤模塊電路圖3.5 探測模塊3.5.1 電渦流傳感器介紹利用線圈的自感或者互感的變化來進行測量電感值的一種傳感器就稱為電感式傳感器。電感傳感器的主要的優(yōu)點就是：（1）結構簡單可靠，測量力較小，電磁吸引力的數(shù)量級為3N；（2）靈敏度高，最高分辨率可達到0.1m;（3）測量精確度高，輸出線性度可達到0.1%；（4）輸出功率較大，在一定情況下可不必放大，直接接二次儀表。電渦流傳感器是電感傳感器中的一種

45、（圖3-6）。由法拉第定律可以了解到，當電渦流傳感器線圈中存在正弦交變電流I1時。將會有交變的磁場H1產(chǎn)生在線圈旁邊的空間里。這使放置在磁場中的金屬物塊中產(chǎn)生了電渦流I2。I2又會產(chǎn)生新的交變磁場H2。由楞次定律可知，磁場H2會抑制原磁場H1。因為磁場H2的反抗作用，所以渦流會損耗一些能量，這將會導致電渦流傳感器的線圈阻抗產(chǎn)生變化。以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。依據(jù)電渦流原理制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。電渦流傳感器是一種非接觸的線性化的計量工具。它能夠實現(xiàn)靜動態(tài)的、非接觸式的、高分辨率的測量工作。電渦流傳感器能檢測出被測金屬導體距探頭表面的距離與位移的變化量。包括金屬物與探測線圈之間靜態(tài)和動態(tài)的

46、相對位移的變化18。圖3-6 電渦流式傳感器原理圖由于電渦流式傳感器有以上特性，因此它能夠應用在振動測量、軸位移測量、軸心軌跡測量、金屬表面平整度測量、金屬齒輪轉速測量、絕緣材料的厚度測量、金屬元件的合格檢驗等（圖3-6）工作中。圖3-7 電渦流式傳感器用途3.5.2 影響電渦流強度的因素分析電渦流傳感器探頭內有線圈,通過交流電流,接近被測物體時,如果被測物體是金屬材質,就會在被測物體表面形成電渦流,電渦流會反作用在線圈上,對線圈的阻抗產(chǎn)生影響,通過測量這個阻抗變化,可以測量探頭到被測物體的距離.所以,可以想象,被測物體的材質會影響精度.以德國米伊公司的eddyNCDT系列為例,可以測鐵磁性材

47、料。同時它也可以去測量沒有鐵磁性的材料.最好的被測材料是非鐵磁性的。因為鐵磁性材料會伴生附生磁場,干擾探頭內的線圈阻抗,因而會影響精度。加入是弱鐵磁性的被測材料,精度必然會降低。那么就需要根據(jù)實際材料校對。從而獲得更好的精度。但是相對的會縮小量程20。還有，被測物體的傾斜角度和面積也有影響。電渦流傳感器的模型簡化為圖3-8。圖3-8 電渦流傳感器模型簡化圖 在這個模型中，把被探測的導電物塊上的渦流看成是一個等效的短路環(huán)。假設電渦流存在于環(huán)體中。模型中的h可以由下式得到： （3.1）式中f為線圈激磁電流的頻率,角頻率為。由此可見，金屬導體的磁導率、電阻率。線圈與金屬導體之間的距離d。以及線圈激勵

48、電流的角頻率等參數(shù)，都會因電渦流效應從而與線圈等效阻抗產(chǎn)生聯(lián)系。其中，影響效果最為明顯的就是距離d的變化量19。當線圈與金屬物塊的距離較大時，即d的值較大時，線圈內產(chǎn)生的電流值較?。ㄈ鐖D3-9）。圖3-9 感應電流示意圖 當感應線圈與金屬導體物塊的距離較小時，即d值較大時，線圈中產(chǎn)生的激磁電流相應變大（如圖3-10）。圖3-10感應電流示意圖經(jīng)理論分析得知，當d改變時，電渦流密度也會發(fā)生變化，電渦流密度發(fā)生變化后，電渦流強度也隨著變化。依據(jù)導體-線圈系統(tǒng)的電磁作用，能夠知道金屬物塊表面的電渦流強度為： （3.2）其中： 為線圈激勵電流； 為金屬中的等效電流； X為線圈與金屬導體之間的距離 為線

49、圈的外徑。由公式（3.2）畫出的曲線如下圖所示（圖3-11）。圖3-11以上的分析表示：（1）電渦流的強度與金屬到線圈距離x是非線性的聯(lián)系。而且會隨著 的增加會很快的減小。（2）當使用電渦流式傳感器測量距離時，僅在13.5.3 電渦流傳感器電路模塊介紹在本電路中，由電渦流傳感器原理圖（圖3-12）可知，L1、L2、Q1、R1、W、C2、C3組成高頻振蕩電路。當轉動電位器W時，電位器的電阻值發(fā)生改變。這可以使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，因為改變W的值影響了振蕩級的增益。此時，使振蕩器剛好起振。檢測電路由Q2、Q3等元件組成。當電路開始振蕩時,Q2就會在負半周導通將C4放電短路，僅當振蕩電壓交流電壓超

50、過0.6V時。此時，Q3會進入截止狀態(tài)。假如金屬物體在靠近探測線圈L1，金屬導體中立即產(chǎn)生渦電流21。渦電流，會增大振蕩回路中的能量損耗，然后電路的正反饋變小，同時減弱了處在臨界狀態(tài)的振蕩器的振蕩。當這個系統(tǒng)無法維持振蕩所需的最低能量時，振蕩電路會停振。這個時候，Q2會進入截止區(qū)，R2給C4充電，Q3導通，給Q4、Q5組成的音頻振蕩電路供電工作，會發(fā)出一個信號傳給SP。在SP處將此信號引到微控制器的I/O口上，通過相關程序即可實現(xiàn)對電感的測量以及對是否有金屬物塊的探測工作。圖3-12 電渦流傳感器原理圖3.6 聲光報警模塊聲光報警系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。當金屬探測裝置檢測到有金屬導體信號

51、時，這個信號經(jīng)放大電路和非門將相應的電平送至微控制器的P1.3端口。在微控制器內，經(jīng)軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實時發(fā)出聲光報警狀態(tài)控制信號，控制聲光報警設備完成相應動作。當報警被觸發(fā)后，如果觸發(fā)信號一直維持，則可人工手動解除報警信號；若是觸發(fā)后返回原來狀態(tài)，則在報警一段時間后自動解除。本設計使用一個有源蜂鳴器和LED發(fā)光二極管為核心構成一個聲光報警電路。其中蜂鳴器用三極管驅動。當探測模塊探測到金屬導體后，會發(fā)送給微控制器一個信號，而微控制器又輸出一個信號給這個模塊，此時三極管會導通，隨之蜂鳴器發(fā)聲。同樣的，LED發(fā)光二極管也會發(fā)出亮光來提示使用者。表明了探測器的探測狀況。原理圖如下圖所示（圖3-

52、13）：圖3-13 聲光報警電路3.7 本章小結本章內容較多，比較詳細的講解了在設計中用到的各個電路模塊，包括他們的作用與意義，以及可以實現(xiàn)什么功能，比如微控制器的選用；給整個系統(tǒng)的供電如何實現(xiàn)；在完成探測工作的過程中需要什么電路進行配合；探測到金屬導體后用什么樣的電路模塊去提示使用者等等。4 軟件編制4.1 總體方案流程圖本設計使用步進電機作為動力源，開機后隨即進入手動行走模式，當按下模式切換鍵，可以切換到自動檢測模式。當檢測到金屬后，系統(tǒng)進入中斷程序，報警電路隨即開始工作。現(xiàn)將總體工作方案的的程序流程圖表示如下（圖4-1）：圖4-1 總體方案流程圖4.2 電機控制部分不論在哪種模式下，只要

53、步進電機的驅動接收到單片機給的信號，步進電機就會工作。其中手動控制模式可以實現(xiàn)任意調節(jié)傳感器的位置的功能，比如想讓傳感器返回初始位置的時候，進入手動控制模式并操作控制X軸與Y軸的按鍵即可達到此目的。手動控制子程序的程序流程圖如下（圖4-2）： 圖4-2 手動控制程序流程圖自動行走模式是本設計的最重要的部分，探測金屬的工作就是在這部分程序中完成。自動運行子程序的程序流程圖如下（圖4-3）：圖4-3 自動行走程序流程圖4.3 鍵盤功能部分本設計的鍵盤功能的程序流程圖如下（圖4-4）： 圖4-4 鍵盤程序流程圖4.4 本章小結本章內容較少，但必不可缺，講述了整個系統(tǒng)的部分關鍵軟件的編制過程，它們分別

54、起到了什么樣的作用。還給出了較為重要的鍵盤程序流程圖，和總體方案的流程圖，使得讀者在查閱時能夠對整個系統(tǒng)的工作流程一目了然，淺顯易懂。5 系統(tǒng)總體測試5.1調試方法第一步：先不接導軌部分，將電機連接到2H45B驅動器上，利用直流穩(wěn)定電源和信號發(fā)生器分別給電機驅動器輸入+24V直流電和1KHz的方波，用示波器檢測驅動器相序輸出是否正確，步進電機正常工作后，接上開關電源，微控制器，不斷修改調試程序，使電機按照設計方案工作。第二步：將電渦流傳感器模塊與MSP430G2553微控制器相連，測試出1元和1角硬幣的門限值及探頭的感應范圍并記錄。第三步：將電渦流傳感器模塊、微控制器、步進電機、電源模塊及附屬

55、電路安裝在導軌上，進行整機測試。5.2 測試儀器信號發(fā)生器、直流穩(wěn)定電源、示波器、萬用表、游標卡尺、金屬導體。5.3 本章小結本章內容介紹了總體設計的調試方法與調試所需要的儀器。6 結論與展望6.1 結論本次畢業(yè)設計所做的金屬探測定位器，經(jīng)歷了金屬探測機構原理分析、行走機構機械設計、行走路徑最優(yōu)設計、總體設計、實現(xiàn)調試和項目的最后優(yōu)化改進6個步驟。最后得出結論：（1）本次設計的金屬探測定位器，可以在較短時間內自動行走探測到微小金屬導體。探測精度在直徑5cm的范圍內。（2）實現(xiàn)了定位功能。在完成定位后，系統(tǒng)能夠發(fā)出報警，從而提示使用者。（3）之前市面上的一些金屬探測裝置，均沒有自動探測功能與自動定位功能，本次研究加入了這幾項功能，經(jīng)過這段時間的設計制作與調試，并且得以實現(xiàn)。（4）在設計的過程中，驗證了電渦流的產(chǎn)生條件與影響電渦流的強度的因素。6.2 未來工作展望本次畢業(yè)設計