1、- i -本科毕业论文（20 届）金属物体探测定位器设计与制作所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -金属物体探测定位器设计与制作目 录前言 .3第 1 章 绪论 .4第 1.1 节 金属探测器的发展 .4第 1.2 节 金属探测器的应用 .4第 2 章 系统分析 .5第 2.1 节 课题要求 .5第 2.2 节 系统方案 .5第 2.3 节 方案描述 .6第 3 章 系统的硬件设计 .8第 3.1 节 单片机 .8第 3.2 节 电机驱动模块 LM298.14第 3.3 节 12864 液晶显示模块 .17第 3.4 节 蜂鸣器电路设计 .19第 3.5 节
2、AY-LDC1000 .19第 4 章 系统的程序设计 .22第 4.1 节 主程序设计 .22第 4.2 节 数据采集程序设计 .23第 4.3 节 12864 液晶显示程序设计 .24第 5 章 系统测试 .26第 5.1 节 硬件调试 .26第 5.2 节 软件调试 .26第 5.3 节 测试及结果 .26结论 .28参考文献 .29致谢 .30第 1 页摘要该设计系统以单片机 MSP430F149 单片机为控制核心，由 LDC1000 电感传感器探测目标物体，通过比较无目标物体处和有目标物体处传感器的返回值来确定目标物体的位置。通过 LM298 电机驱动模块驱动小车轮子转动，使小车可以
3、行进，步进电机控制探杆进行扫描，从而实现了固定在探杆上的 LDC1000 电感传感器探测并定位目标物体的功能，采用以稳压模块为核心的电源电路为系统供电。这个课题题采用的电路很简单，算法是合理的。通过实际生产和测试，完全满足所有要求的基本部分和发挥部分，效果很好。关键词：MSP430F149；AY-LDC1000；金属探测器第 2 页AbstractThis design system with the single chip MSP430F149 MCU as the core, by LDC1000 inductance sensor detect target objects, throu
4、gh comparing the target object and has a target object in sensor less return values to determine the location of the target object. Drive the car wheels rotate through LM298 motor driver module, make the car can travel, scanning sheath material of stepper motor control, so as to realize the fixed on
5、 the sheath material LDC1000 inductance sensor detection and localization of target function of the object, USES the voltage regulator module as the core of the power supply circuit for power supply system. This topic in the circuit is simple, the algorithm is reasonable. Through the actual producti
6、on and test, fully meet all the requirements of the subject basic part and play a part, the effect is very good.Keywords: MSP430F149;AY -LDC1000;metal detector第 3 页前言听到金属探测器，人们会联想到探索地雷的探测器，工程师们用它来检测埋起来的地雷。金属探测器实际上是一种电子仪器，可以应用于各个领域。在军事领域,金属探测器是用来检测金属地雷的；在公安部领域，检测携带或隐藏武器和犯罪工具；在考古领域，用于探测古墓里的金属物体，可以发现坟墓
7、里的金银财宝，金银首饰，各种各样的硬币；在工程领域，用于探测地下埋的金属管线，管道等等；在矿产勘查领域中，用来发现自然小金颗粒和金块；在工业领域，可以用于在线监测，如去除棉、煤炭、食品和金属杂质。金属探测器也可以用作开展国防教育和科普活动的设备，当然也可以作为一个有趣的娱乐玩具。本系统中的 LDC1000 是世界上第一个电感数字传感器，低功耗，小包装，成本低的特点，SPI 接口可以很容易地连接单片机,只需要外部接一个 PCB 线圈或自制的线圈可以实现非接触式感应线圈检测。LDC1000 电感检测并不意味着测试线圈电感量，而是可以测试外部金属和与 LDC1000 连接的测试线圈空间位置关系。利用
8、 LDC1000 这个特性配以外部设计的金属物体即可很方便实现：水平或垂直距离检测；角度检测；位移检测；运动检测；振动检测；金属成分检测（合金检测)。可以广泛应用在汽车、消费电子、计算机、工业、通信和医疗领域。第 4 页第 1 章 绪论第 1.1 节 金属探测器的发展世界上第一个金属探测器诞生于 1960 年，当时最初的金属探测器主要应用在矿物企业上，因为它可以检查矿物的纯度，从而提高效益。随后在 1970 年，金属探测器才被逐渐应用在安全检查领域内。由于安全事故的频发，政府利用金属探测器来检查旅客的行李，以便检查出里面的危险物品，以及随身携带的危险物品，这样可以大大降低危险事故的发生率。一个
9、产品可以带动一个产业的发展，由于这个熟悉又陌生的金属探测器进入了安检领域，所以在世界各地都出现了许多金属探测器制造商，让金属探测产业蓬勃发展。但是在我们国内使用的金属探测器有大约 80%是从国外引进的。当然国内也有很多金属探测器制造商，但是为什么国内生产的金属探测器在市场应用上只占了很小的比例呢？是因为无论在性能，质量或者其他属性上，国内生产的金属探测器远远比不上国外的，往往是因为国内的许多制造商为了降低成本，偷工减料，使生产出来的金属探测器性能不如国外的。后来发展了 80 年代，由于监狱暴力事件的频发，所以金属探测器也被应用到了监管监狱犯人，这种应用受到了很多西方国家的重视，例如美国，英国，
10、德国等。后来西方又流行起了“寻宝”热，这就促进了金属探测器的快速发展。再后来，到了 90 年代，很多电子产品生产公司经常发生产品流失事件，为了减产产品的流失，金属探测器又被应用与监察和管理公司员工的行为，从而使金属探测器又有了一个新的功能防盗。大约几十年过去了，金属探测器已经经历了无数次的变革，也已经扩展到了更多的领域，按照这样的发展趋势，金属探测器一定会成为人们必不可少的工具的。第 1.2 节 金属探测器的应用现在金属探测器已经被广泛应用于食品、矿物检查、防盗、纺织、安检等领域，使金属探测器的发展越来越快。而现在金属探测器已经出现了 X 射线系列，就是它可以很快的找到隐藏在食物中的金属杂质，
11、并定位它的位置。在军事领域，工兵还可用它来排查金属地雷，这是军事领域必不可少的一个方面。食物是人们必不可少的一种资源，而食物的安全性也应该受到我们的重视，因为俗话说“病从口入”嘛！这就要求我们在食物的生产过程中就要严格把关，有些食物生产上会把金属杂质混合到食物中，这对人们是有很大坏处的，这个时候金属探测器就可以第 5 页起到很重要的作用了，所以金属探测器是食物质量检测的重要工具。第 6 页第 2 章 系统分析第 2.1 节 课题要求2.1.1. 任务设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器（以下简称探测器） ，可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。该探测器需采用 TI 公司 LDC1
12、000 电感/数字转换器评估板（AY-LDC1000）作为金属物体探头，探头上应有定位指针，以给出明显定位指示。探头可在水平放置的玻璃板上移动。用直径 2（mm）的铁丝围成约 50cm50cm的正方形闭合框作为探测区边界置于玻璃板下。2.1.2. 要求(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） 。探头能从“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，定位指针应指在硬币边沿之内，探测定位速度越快越好，且探测定位总时间应不超过 2 分钟。完成定位时给出声-光指示，此后探头不得
13、再移动。(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，定位指针与硬币圆心之间的定位误差应控制在 5mm 以；探测定位速度越快越好，探测定位总时间不应超过 2 分钟。完成定位时给出声-光指示，此后探头不得再移动。(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，应使定位指针尽可能指向铁环圆心，定位误差应玻璃板下铁丝方框玻璃板下金属物体探测环境示意图无色透明普通玻璃板或有机玻璃板探头进入区 50cm50cm 控制在 5mm 以内；完成定位时给出声-光指示
14、，此后探头不得再移动，探测定位总时间应不超过 3 分钟。第 2.2 节 系统方案2.2.1. 机械构架方案为了准确实现金属探测器可自主移动，金属物体探测定位装置的移动方式是整个设计的基础，它对整个系统的工作尤为重要。经过反复论证对比，本系统中金属物体探测定位装置采用步进电机带动 LDC1000 传感器进行扫描，在保证系统稳定的前提下简化了系统结构，提高了扫描速度，同时有效的降低了制作成本。步进电机固定在小车上旋转扫描：第 7 页将一个步进电机固定在小车上，探杆一端固定在该电机上，以电机为中心，做圆弧线运动，旋转角度范围为 0180 。LDC1000 传感器固定在前端，可通过步进电机旋转从而带动
15、传感器在水平面玻璃板上做旋转扫描，探杆每次旋转过 180，小车行进一点，然后探杆又继续旋转，探杆每旋转 4 次，若未发现目标，则小车向左方旋转一个角度，继续扫描，依此循环传感器采集信息传给单片机，单片机迅速作出判断，从而避免错误指示。步进电机固定在小车上及小车自主移动运动可实现传感器扫描检测，从而定位玻璃板上的一点，当定位指针指定在硬币（或铁圈）边沿之内，单片机发出指令，迅速进行声报警指示。系统结构如图 2-1 所示。图 2-1 旋转扫描结构图2.2.2. 电机选择方案在上述机械架构方案三中，对于导轨小车正常高效运动，电机的选择至关重要。电机的种类有很多，在智能小车制作中用得最多的是步进电机、
16、舵机、和直流电机，根据不同选择，选择合适的电机。小车的一定选用两个直流电机。选用步进电机带动探杆的旋转。步进电机可以转换电脉冲信号成角位移，脉冲信号的频率和脉冲数决定电机速度和停止的位置，而不受负载变化的影响，因此，不但控制精度高，而且简单可靠。要使步进电机可以立即启动或停止，必须让负载不超过步进电机可以提供的动态转矩值。第 2.3 节 方案描述根据题目的要求，设计任务是通过使用 TI 公司生产的 LDC1000 传感器进行电感检测来判断待检测金属的位置并进行声报警指示。为了完成上述功能，将整个系统设计为三第 8 页个基本模块，电机控制模块，扫描检测与信号采集模块和定位显示模块，其中电机控制模块由稳压电源电路，L298 驱动模块，光耦隔离电路三部分组成，扫描检测与信号采集模块由步进电机、探杆构成的扫描载体和 LDC1000 传感器构成的金属物体探头组成，定位显示模块包括声报警电路。整个系统的总体框图如图 2-2 所示：M S P 4 3 0 F 14 9 单 片 机L 2 9 8 驱 动 小 车L D C 1 0 0 0 传感 器探 杆 连 接图 2-2 系统总体框图本系统核心模块是扫描检测与信号采集模块，机械构架的稳定性决定了金属物体探头采集信号的精确度，采用固定在小车上的步进电机和可以移动的小车进行旋转扫描的机械结构具有很好的稳定性，结构和控制算法相对较为简单。
