電子設計競賽：金屬物體探測定位器

1、B題:金屬物體探測定位器摘要本設計主要采用STC89C51以及STM32單片機實現(xiàn)了金屬物體探測定位器。探測裝置由數(shù)據(jù)采集發(fā)送、數(shù)據(jù)接收處理兩大模塊構成。其中下位機數(shù)據(jù)采集裝置，以51單片為核心，而上位機數(shù)據(jù)接收處理裝置的MCU則采用的是STM32單片機。數(shù)據(jù)采集金屬物體探頭采用TI公司電感/數(shù)字轉換器LDC1000，該探頭在水平和豎直兩組步進電機的驅動下實現(xiàn)在50cm*50cm的水平玻璃板上自動掃描，檢測到金屬后，給出定位指示和聲光報警。關鍵詞：金屬探測；LDC1000；步進電機；i1 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案框圖如圖1-1所示。圖1-1系統(tǒng)方案框圖本設計方案的主體由數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收處理模

2、塊兩大部分構成。如圖1-1所示，上位機模塊，也就是數(shù)據(jù)接收處理模塊控制步進電機移動螺紋桿，而螺紋桿上的下位機，即數(shù)據(jù)采集模塊，就會在50 cm*50 cm的玻璃板上移動，而在移動的同時，數(shù)據(jù)采集模塊在采集數(shù)據(jù)，同時不斷將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機進行處理。數(shù)據(jù)采集發(fā)送裝置的設計：數(shù)據(jù)采集模塊在電機驅動下掃描玻璃板，并通過探頭檢測金屬。探測器采用TI公司的LDC1000電感/數(shù)字轉換評估板。該器件采用是非接觸式的無磁芯技術電感式感測，它提供了16位的諧振阻抗和24位的電感值，從而在位置感測應用中實現(xiàn)亞微米的分辨率。當LDC1000接近金屬時，阻抗數(shù)值就會單調變化。發(fā)送裝置的MCU只負責采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通

3、過串口發(fā)送給上位機進行處理，以判別是否接近金屬并檢測圓心。 數(shù)據(jù)接收處理模塊的設計：數(shù)據(jù)接收部分主要采用STM32為核心。該模塊主要任務為:接收采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù);對所接收數(shù)據(jù)進行處理判斷；控制步進電機轉動，然后步進電機帶動螺紋桿，從而控制LDC1000探頭移動。根據(jù)LDC1000的響應特性，在LDC1000靠近金屬時檢測數(shù)值會變大，這時上位機的MCU會根據(jù)數(shù)據(jù)做出判斷，并發(fā)送具體的數(shù)據(jù)給步進電機做出相應的反應。通過算法找到金屬圓心，并通過LED和蜂鳴器進行聲光報警等。1.1 步進電機驅動方案方案一：恒電壓驅動：單電壓驅動是指在電機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電，多個繞組交替提供電

4、壓。該方法的優(yōu)點：電路簡單，元件少、控制也簡單，實現(xiàn)起來比較簡單。但同時它還有很明顯的缺點：必須提供足夠大的電流的三極管來進行開關處理，步進電機運轉速度比較低，電機震動比較大，發(fā)熱大。方案二：采用成品的驅動電路驅動器ZD-8731-D,雙軸步進電機驅動器，該方法簡單，并且可同時驅動兩臺電機，但它必須有12V的電壓以及較大的電流進行驅動，并且因為它是成品，所以花費較大。綜合以上兩種方案，利用方案二，采用雙軸步進電機驅動器ZD-8731-D，雖然說該方案花費較大，但實驗室有完整的ZD-8731-D成品。而且方案一是一種比較老的驅動方式，現(xiàn)在基本不用。因此我們采用第二種方案來實現(xiàn)步進電機的驅動。需要

5、注意的是因為方案二的ZD-8731-D不僅僅需要12V的電壓，而且需要較大電流驅動，所以普通的12V電壓源無法滿足大電流的要求，所以這里采用是成品12V的開關電源NES-35-12進行驅動。1.2 顯示部分設計方案方案一：采用八位共陰極LED數(shù)碼管進行顯示，利用單片機串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行輸入共陰極顯示驅動器，每片可驅動8個LED數(shù)碼管。方案二：采用點陣字符型LCD5110液晶顯示，可以顯示多行數(shù)字與阿拉伯字母等字符，隨著半導體技術的發(fā)展，LCD的液晶顯示越來越廣泛的應用于各種顯示場合。綜合以上兩種方案，數(shù)碼管顯示驅動簡單，但顯示信息量少，I/O口使用量大；利用液晶

6、顯示可以工作在低電壓、低功耗下，顯示界面友好、內容豐富，綜合考慮，選用LCD5110來實現(xiàn)顯示功能。2 部分硬件電路設計2.1 掃描及數(shù)據(jù)采集部分數(shù)據(jù)采集部分如圖2-1所示，四個電機配合四根螺桿，帶動數(shù)據(jù)采集板在50 cm*50cm的區(qū)域里移動，采集板放在3,4號螺桿上。具體的過程如下：電機1與電機2以相同的轉速轉動，帶動螺桿1和螺桿2轉動，因為1號螺桿和2號螺桿的轉動，架在1,2螺桿上的3,4號螺桿所以也跟隨移動，因此，采集板可以沿y軸上下移動。與此同時，隨著，3,4號螺桿上電機3號和4號以相同轉速轉動，帶動的采集板沿x軸運動。因此，便可做到采集板在區(qū)域內自動移動。圖2-1 掃描及數(shù)據(jù)采集部

7、分2.2 步進電機驅動電路下圖為步進電機完整驅動電路。ZD-8731-D為雙軸步進電機驅動器，其可同時驅動兩個電機，但需要12V電壓，同時需要大電流。S-25-12為12V開關電源，輸出電流可達到3A左右，滿足ZD-8731-D驅動的需求。如圖2-2所示，只需將步進電機的四線分別接入A+，B+,A-,B-，然后單片機在脈沖端輸入脈沖波，在方向端輸入1或者0（1為正轉，0為反轉）即可控制運動模式。 圖 2-2 步進電機驅動電路3 軟件程序設計下位機主要負責采集LDC1000所發(fā)送回來的數(shù)據(jù)和串口發(fā)送給上位機，波特率為9600。上位機的任務較多，控制著步進電機的轉動，串口數(shù)據(jù)接收與處理和LCD顯示

8、控制，并進行聲光報警。3.1 下位機程序圖3-1為下位機發(fā)送端程序流程圖：MCU首先對串口，定時器等等數(shù)據(jù)進行初始化，其次發(fā)送給LDC1000命令使其開始采集數(shù)據(jù)，并接收LDC1000返回的數(shù)據(jù)，與此同時，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機嗎MCU。 圖3-1發(fā)送端程序流程圖3.2 上位機程序下位機的程序較為復雜，如圖3-2，首先，我們把50cm*50cm的區(qū)域虛擬成X軸，Y軸組成的二維區(qū)域，當STM32控制電機移動螺桿帶動采集板移動時，就相當于在這個二維區(qū)域中移動，每當采集板移動到某個位置時，就會把坐標存入Flash。當按下按鍵，也就標志位置為啟動位時，電機開始移動掃描。當MCU接收到串口發(fā)送的數(shù)據(jù)時，就會進入中斷讀取數(shù)值，然后判斷數(shù)值。數(shù)值判斷，我們主要設置固定的閥值，當數(shù)值超過閥值的時候，MCU則會控制步進電機進行搜索，定位。對于提供給電機脈沖，由定時器進行計數(shù)，進中斷進行I/O口翻轉，然后輸出對應脈沖。圖3-2下位機程序流程圖4 測試方案與測試結果測試環(huán)境時間：2014年8月15日溫度：25測試儀器電源，秒表，量尺測試結果（1） 1角硬幣探測：探頭按指定方式進入后，兩分鐘內可以完成定位，發(fā)出聲光報警，探頭可定位于硬幣邊緣內部。（2） 1元硬幣探測：探頭按指定方向進入后，兩分