基于LDC1000和Kinetis微控制器的金属探测系统设计

　　本文以LDC1000传感器以及飞思卡尔Kinetis系列微控制器K60为核心，组成具有定位功能的金属探测系统。通过金属的涡流效应对金属物体进行检测，能够在一定范围内迅速定位出金属物体的精确位置。经实验表明，距离物体中心定位误差不超过4 mm，最小可以检测出2 cm2大小的金属物体。测量数据在单片机中进行处理，软件上采用了数字滤波，进一步减少了误差干扰信号，提高了系统的稳定性与精确性。该系统可通过LCD液晶显示屏显示当前金属物体所在具体位置，并利用按键实现人机交互。

　　引言

　　金属探测仪作为一种非接触式检测装置，在工业领域以及日常安检中有着十分广泛的应用，对于金属的检测，金属探测仪往往需要有较高的精确度以及较快的反应速度。本文以飞思卡尔Kinetis系列微控制器K60为控制核心，通过LDC1000电感传感器来探测金属物体的位置。LDC1000传感器是利用电磁感应的原理来探测与金属物体的间距，而且对于不同的金属材质，其感应的强度也不同。将LDC1000电感传感器的数据传输至微控制器中，经过软件处理后最终确定金属的位置。通过直线电机和滑轨来控制LDC1000传感器探头的运动与探测。由于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。

　　同时，系统可以通过拨码开关来选择探测的金属物体类型，且探测的时间和探测到的金属物体的位置可由液晶显示，具有较好的人机界面。

　　系统设计结构简单，制作成本低，控制精度高，可以广泛地用于机场、车站、码头等地方的安检，既可检测旅客包裹中带有的危险管制刀具等，也可以检测藏在人眼所观察不到的地方的金属。

　　1 LDC1000工作原理简介

　　LDC1000是一款非接触式、短程传感的电感检测传感器芯片，能够将模拟电感值转换为数值量，同时具有低成本、高分辨率遥感的导电性。它的内置处理芯片具有SPI通信接口，能够很方便地与单片机进行通信。LDC1000只需要外接一个PCB线圈或者自制线圈就可以实现非接触电感检测，测试外部金属物体和 LDC相连的测试线圈的空间位置关系。利用这个特性配以外部设计的金属物体，即可很方便地实现水平或垂直距离检测、角度检测、位移检测、运动检测、振动检测和金属成分检测。

　　LDC1000的电感检测利用的是电磁感应原理。如图1所示，传感器内部会产生一个交变电流，加在PCB线圈或者自制线圈上，线圈周围会产生交变电磁场，这时如果有金属物体进入这个电磁场，则会在金属物体表面产生涡流（感应电流）。由于涡流电流跟线圈电流方向相反，因此涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属物体的距离，大小、成分的函数。涡流产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一样。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。由于变压器的互感作用，在初级线圈这一侧就可以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表示L（d）和R（d）是距离的函数;交变电流只加在电感上（初级线圈），则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这时将一个电容并联在电感上，由于LC的并联谐振作用能量损耗大大减小，只会损耗在Rs和R（d）上。如图2所示，可以看出，检测到R（d）的损耗就可以间接地检测到d。

　　在LDC1000中，等效并联电阻Rp被转换为数字量，这个数值的大小与Rp成反比。观察式（2）可知，Rp与Rs成反比，同时由于Rs大小与LC谐振损耗成正比，由此可得数字量数值大小与LC谐振损耗成正比，涡流越大，损耗越大。

　　2 金属探测定位系统的硬件设计

　　本文以LDC1000电感传感器以及飞思卡尔Kinetis系列微控制器K60为核心，并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液晶显示屏、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，具体硬件连接图如图4所示。

　　为了在某个指定大小的区域内快速检测并定位不同材质的目标金属，系统采用步进电机以及直线电机，利用X轴和Y轴连续扫描工作模式。

　　（1）电源的选择

　　由于系统需要驱动步进电机、直流电机等，同时要求供电电源稳定可靠，所以直接选择数控稳压源进行供电。给直线电机与步进电机提供+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微控制器以及其他模块供电。

　　（2）传感器的选择

　　本文选择了OMROM反射式红外光电开关，感应距离为1～50 cm（可调），感应方式为漫反射（非透明物），工作电压为DC 4.5～5.5 V，工作电流为50 mA，输出方式为NPN常开，响应时间为2ms。用来检测直线电机伸出的长度，这样可以随意设置直线电机运动的位置范围，以达到快速定位的目的。

　　（3）电机的选择

　　通过比较各种电机的性能，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，可达到500 V，同时径向跳动最大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。因此，将它们结合使用既可以满足速度要求，又可以满足精度要求。