电子设计竞赛：金属物体探测定位器

1、B题:金属物体探测定位器摘要本设计主要采用STC89C51以及STM32单片机实现了金属物体探测定位器。探测装置由数据采集发送、数据接收处理两大模块构成。其中下位机数据采集装置，以51单片为核心，而上位机数据接收处理装置的MCU则采用的是STM32单片机。数据采集金属物体探头采用TI公司电感/数字转换器LDC1000，该探头在水平和竖直两组步进电机的驱动下实现在50cm*50cm的水平玻璃板上自动扫描，检测到金属后，给出定位指示和声光报警。关键词：金属探测；LDC1000；步进电机；i1 系统方案系统方案框图如图1-1所示。图1-1系统方案框图本设计方案的主体由数据采集发送模块、数据接收处理模

2、块两大部分构成。如图1-1所示，上位机模块，也就是数据接收处理模块控制步进电机移动螺纹杆，而螺纹杆上的下位机，即数据采集模块，就会在50 cm*50 cm的玻璃板上移动，而在移动的同时，数据采集模块在采集数据，同时不断将数据发送给上位机进行处理。数据采集发送装置的设计：数据采集模块在电机驱动下扫描玻璃板，并通过探头检测金属。探测器采用TI公司的LDC1000电感/数字转换评估板。该器件采用是非接触式的无磁芯技术电感式感测，它提供了16位的谐振阻抗和24位的电感值，从而在位置感测应用中实现亚微米的分辨率。当LDC1000接近金属时，阻抗数值就会单调变化。发送装置的MCU只负责采集数据，并将数据通

3、过串口发送给上位机进行处理，以判别是否接近金属并检测圆心。 数据接收处理模块的设计：数据接收部分主要采用STM32为核心。该模块主要任务为:接收采集模块发送的数据;对所接收数据进行处理判断；控制步进电机转动，然后步进电机带动螺纹杆，从而控制LDC1000探头移动。根据LDC1000的响应特性，在LDC1000靠近金属时检测数值会变大，这时上位机的MCU会根据数据做出判断，并发送具体的数据给步进电机做出相应的反应。通过算法找到金属圆心，并通过LED和蜂鸣器进行声光报警等。1.1 步进电机驱动方案方案一：恒电压驱动：单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电，多个绕组交替提供电

4、压。该方法的优点：电路简单，元件少、控制也简单，实现起来比较简单。但同时它还有很明显的缺点：必须提供足够大的电流的三极管来进行开关处理，步进电机运转速度比较低，电机震动比较大，发热大。方案二：采用成品的驱动电路驱动器ZD-8731-D,双轴步进电机驱动器，该方法简单，并且可同时驱动两台电机，但它必须有12V的电压以及较大的电流进行驱动，并且因为它是成品，所以花费较大。综合以上两种方案，利用方案二，采用双轴步进电机驱动器ZD-8731-D，虽然说该方案花费较大，但实验室有完整的ZD-8731-D成品。而且方案一是一种比较老的驱动方式，现在基本不用。因此我们采用第二种方案来实现步进电机的驱动。需要

5、注意的是因为方案二的ZD-8731-D不仅仅需要12V的电压，而且需要较大电流驱动，所以普通的12V电压源无法满足大电流的要求，所以这里采用是成品12V的开关电源NES-35-12进行驱动。1.2 显示部分设计方案方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。方案二：采用点阵字符型LCD5110液晶显示，可以显示多行数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。综合以上两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，I/O口使用量大；利用液晶

6、显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD5110来实现显示功能。2 部分硬件电路设计2.1 扫描及数据采集部分数据采集部分如图2-1所示，四个电机配合四根螺杆，带动数据采集板在50 cm*50cm的区域里移动，采集板放在3,4号螺杆上。具体的过程如下：电机1与电机2以相同的转速转动，带动螺杆1和螺杆2转动，因为1号螺杆和2号螺杆的转动，架在1,2螺杆上的3,4号螺杆所以也跟随移动，因此，采集板可以沿y轴上下移动。与此同时，随着，3,4号螺杆上电机3号和4号以相同转速转动，带动的采集板沿x轴运动。因此，便可做到采集板在区域内自动移动。图2-1 扫描及数据采集部

7、分2.2 步进电机驱动电路下图为步进电机完整驱动电路。ZD-8731-D为双轴步进电机驱动器，其可同时驱动两个电机，但需要12V电压，同时需要大电流。S-25-12为12V开关电源，输出电流可达到3A左右，满足ZD-8731-D驱动的需求。如图2-2所示，只需将步进电机的四线分别接入A+，B+,A-,B-，然后单片机在脉冲端输入脉冲波，在方向端输入1或者0（1为正转，0为反转）即可控制运动模式。 图 2-2 步进电机驱动电路3 软件程序设计下位机主要负责采集LDC1000所发送回来的数据和串口发送给上位机，波特率为9600。上位机的任务较多，控制着步进电机的转动，串口数据接收与处理和LCD显示

8、控制，并进行声光报警。3.1 下位机程序图3-1为下位机发送端程序流程图：MCU首先对串口，定时器等等数据进行初始化，其次发送给LDC1000命令使其开始采集数据，并接收LDC1000返回的数据，与此同时，将数据通过串口发送给上位机吗MCU。 图3-1发送端程序流程图3.2 上位机程序下位机的程序较为复杂，如图3-2，首先，我们把50cm*50cm的区域虚拟成X轴，Y轴组成的二维区域，当STM32控制电机移动螺杆带动采集板移动时，就相当于在这个二维区域中移动，每当采集板移动到某个位置时，就会把坐标存入Flash。当按下按键，也就标志位置为启动位时，电机开始移动扫描。当MCU接收到串口发送的数据时，就会进入中断读取数值，然后判断数值。数值判断，我们主要设置固定的阀值，当数值超过阀值的时候，MCU则会控制步进电机进行搜索，定位。对于提供给电机脉冲，由定时器进行计数，进中断进行I/O口翻转，然后输出对应脉冲。图3-2下位机程序流程图4 测试方案与测试结果测试环境时间：2014年8月15日温度：25测试仪器电源，秒表，量尺测试结果（1） 1角硬币探测：探头按指定方式进入后，两分钟内可以完成定位，发出声光报警，探头可定位于硬币边缘内部。（2） 1元硬币探测：探头按指定方向进入后，两分