摘  要： 利用LDC1000電感數字轉換器設計了一個金屬探測小車。小車以MC9S12XS128單片機為控制核心，控制裝有LDC1000電感傳感器的擺臂左右擺動，進行金屬探測。控制策略為先粗略掃描再精確定位，能在500 mm×500 mm的測試區域內探測到探頭下方一定距離內的特定金屬，并分辨出金屬的不同特性。該金屬探測小車探測精度高，測量信息準確、穩定，而且成本低，能適應多種惡劣環境，在軍事領域、工業領域和安全領域都有很好的應用前景。

　　關鍵詞： LDC1000；MC9S12XS128；金屬探測；電感數字轉換器

0 引言

　　金屬探測器是利用金屬傳感器實現的能在一定范圍內探測到是否有金屬物體并能對金屬物體進行定位的儀器。由于采用非接觸式的感測技術，使得金屬探測器在軍事、工業和安全等領域都有著廣泛的應用，如地雷探測、食品質量檢測、地鐵安檢等，也可用于農村鄉鎮企業中化工、橡膠、制塑、食品加工、采礦、采煤等行業，還可應用于食品、藥品、玩具等領域[1]。目前，市場上大多數金屬探測器還是采用體積龐大、價格昂貴的電磁式金屬傳感器。相比之下，電感式數字金屬傳感器體積更小，價格更低，測量數據也更精確。

1 探測原理

　　1.1 LDC1000電感數字轉換器簡介

　　LDC1000是美國德州儀器（TI）公司研發的世界上首例實現了電感式感測的電感到數字化的轉換器。它通過以較低的系統成本提供優于現有解決方案的性能、可靠性和靈活性，徹底地變革了感測技術。LDC1000提供了16位的諧振阻抗和24位的電感值，從而可在位置感測應用中實現亞微米級的分辨率。另外，電感式感測還可耐受諸如污垢和灰塵等非導電干擾，并且支持布設遠程傳感器，從而使其非常適合于嚴酷環境[2]。而且，此款電感傳感器體積非常小，使其能夠安裝在微型設備上成為可能；同時，更小的體積給設計者保留了更充足的設計空間，應用范圍也更加廣泛。

　　1.2 LDC1000電感感測原理

　　LDC1000電感感測探頭為一個自制線圈，在線圈中加上一個交變電流，線圈周圍會產生交變電磁場，如果有金屬物體進入這個磁場時，就會在金屬物體表面產生感應電流，如圖1所示。感應電流與線圈電流方向相反，感應電流產生的感應磁場與線圈的磁場方向相反。而感應電流的大小與金屬物體的大小、成分、金屬物體與線圈的距離相關。

　　如圖2所示，由于金屬物體與自制線圈的互感作用，在自制線圈這一側就可以檢測到金屬物體的參數。圖中Ls是自制線圈電感值，Rs是自制線圈的寄生電阻；L（d）是互感值，R（d）是互感寄生電阻，L（d）和R（d）都是距離d的函數。交變電流如果只加在電感（自制線圈）上，則在產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在電感上，由于LC的并聯諧振作用，能量損耗大大減少，只會損耗在Rs和R（d）上，只要檢測到R（d）的損耗就可以間接地檢測到距離d。

　　LDC1000并不是直接檢測串聯的電阻，而是檢測等效并聯電阻。等效并聯電阻的計算公式為：

　　圖3為實測結果，測試點在線圈的兩級，利用差分探頭可以在示波器上直接看到波形。可以看出，實測波形是正弦波，正弦波的頻率是諧振頻率。金屬遠離線圈時，由于沒有感應電流的反向磁場，線圈的電感最大，諧振頻率最低（2.71 MHz），如圖3（a）所示。當金屬物體靠近時，由于感應電流產生的反向磁場，使線圈的等效電感下降，諧振頻率就會提高（3.01 MHz），如圖3（b）所示。諧振LC中的電容C是已知的，所以根據諧振頻率就能計算出電感L值。根據衰減震蕩的曲線可以計算出并聯等效電阻Rp。

2 總體設計

　　2.1 機械結構

　　為了讓金屬探測小車結構更簡單而又轉向靈活，小車采用雙驅動輪加一個萬向輪的兩驅三輪車體結構。兩個驅動輪分別用單獨的電機來驅動，第三個輪起支撐作用。這種結構可以使小車在較短的時間內到達任意位置和角度。

　　為了使小車在同一位置掃描更大的區域，小車的前方裝有能左右旋轉180°的數字舵機，舵盤上固定著長為300 mm的擺臂，擺臂的末端固定著LDC1000傳感器。這樣就可以讓小車更快速地完成探測任務，也為后來的控制算法提供了有力的保障。小車的機械結構如圖4所示。

　　2.2 系統結構

　　金屬探測小車以飛思卡爾（Freescale）半導體公司的MC9S12XS128MAA單片機為主控芯片，該芯片由16位中央處理單元（CPU12X）、128 KB程序Flash、8 KB RAM、8 KB數據Flash組成片內存儲器，而且還集成了串行通信接口（SCI）、串行外設接口（SPI）、定時器模塊（TIM）和脈沖調制模塊（PWM）等豐富的片上資源[3]。小車用單片機內的SPI模塊與LDC1000進行通信，將傳感器采集到的數據讀取到單片機中，對數據進行分析后，通過PWM模塊控制舵機轉動，進行下一個位置點的探測。當舵機轉到最小角度或最大角度時，同時控制電機使小車向前運動一小段距離，然后舵機以反方向繼續轉動。如此往復，直到探測到目標金屬物體，蜂鳴器發出提示音為止。系統功能圖如圖5所示。

　　2.3 控制算法

　　控制算法是整個系統的核心。一個好的控制算法不僅能夠保證系統穩定工作，還能盡可能地提高金屬探測的精度。本金屬探測小車的控制算法總體思想為：先找到大概位置，再精確定位。

　　金屬探測小車以20 ms為一個控制周期，即每20 ms讀一次傳感器數據，然后根據讀取的數據做出相應的輸出。剛開始探測時，小車把擺臂轉到最左邊。此后，在每個控制周期內，單片機從金屬傳感器讀取一次諧振阻抗數據（以下簡稱數據），并將此數據及對應的舵機打角記錄下來，然后，擺臂向右轉動大約1°，等待進入到下一個控制周期。當擺動到最右端時，小車向前移動大約  5 mm，然后讀取傳感器數據，記錄數據及對應的舵機打角，擺臂向左轉動大約1°，等待進入到下一個控制周期。如此往復，直到讀取回來的數據出現大幅度波動，這時就可以推斷出傳感器附近有金屬物體了。此時，讓金屬探測小車繼續掃描，直到數據幅值出現下降趨勢。再通過查找記錄下來的數據，找到幅值最大時的小車位置及舵機打角，并將舵機轉動到相應的打角，然后進入精確定位階段。

　　在精確定位階段，金屬探測小車還是以20 ms作為一個控制周期。先讓舵機保持之前數據幅值最大時對應的打角，然后在每個控制周期內向后以1 mm的間距移動小車，并讀取諧振阻抗數據，直到數據出現下降后停止向后移動。此時，舵機每個控制周期向右轉動大約0.2°，并記錄下傳感器數據，直到數據大小開始下降，然后，舵機每個控制周期向左轉動大約0.2°，直到數據大小開始下降。

　　經過一系列的實驗與測試，得到了探測器探頭與硬幣中心之間的距離和諧振阻抗數據的關系，如圖6所示，測試所用的硬幣分別為一角硬幣（2005年版，不銹鋼，直徑為19 mm）和一元硬幣（1999年版，鋼芯鍍鎳，直徑為25 mm）。根據數據的幅值大小即可判斷硬幣種類。至此，金屬探測任務已經完成，金屬探測小車發出“滴滴滴”的提示音。

3 實際測試

　　3.1 測試方式

　　分別將一角硬幣和一元硬幣放在大小為500 mm×500 mm的測試區域內的任一位置，測試區域上方覆蓋一層厚度為3 mm的有機玻璃，將小車放在測試區域外，并將小車的方向朝向測試區。如圖7所示，打開小車電源開關，小車開始金屬探測。記錄探測完成所需時間（探測用時）及探頭中心與硬幣圓心之間的距離（探測誤差）。

　　3.2 測試結果

　　將金屬探測小車按照上述方法進行實際測試，經過5組測試后，將測試結果制成表格，如表1所示。根據測試數據可以看出，小車能夠在2 min內完成探測任務，并且能將探測誤差控制在5 mm以內。

4 結論

　　本金屬探測小車能夠在2 min之內探測到500 mm×500 mm測試區域內任意位置上的硬幣，并能將探測誤差控制在5 mm以內，而且能夠分辨出硬幣類別。快速、精確是本金屬探測小車的特性，但由于電機齒輪、舵機齒輪有少許的空程，使之與理論上的控制精度有一些差別。如果小車使用更精密的電機和舵機，將會進一步減小探測誤差，使金屬探測小車更加完美。

參考文獻

　　[1] 楊勇，曲曉東，劉志珍，等.一種改進的高靈敏度金屬檢測系統[J].微型機與應用，2014，33（17）：23-25.

　　[2] 單祥茹.TI首創電感數字轉換器滿足多領域應用[J].中國電子商情（基礎電子），2013（10）：28.

　　[3] 張陽，吳曄，騰勤.MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統開發[M].北京：電子工業出版社，2011.