陶　醉，陈希平，王　琳

（中国计量学院信息工程学院，浙江杭州310018）

基于单片机的金属探测定位器设计

陶醉，陈希平，王琳

（中国计量学院信息工程学院，浙江杭州310018）

摘要：以STM32F103ZET6单片机作为主控制器，采用TI公司LDC1000数字/电感转换器作为金属探测模块，通过步进电机控制扫描角度和金属探测传感器的移动，从而实现金属探测区域的全方位扫描与探测，通过LCD显示器显示探测位置，当检测到金属时发出声光报警提示。该系统具有检测精度高、检测速度快、性价比高等特点。

关键词：金属探测定位器；LDC1000；STM32F103ZET6单片机；电机控制；扫描

1　引言

金属探测定位器是专门用于探测金属类物质的仪器，开始主要应用于探雷和探测地下金属，经发展已应用于反恐、旅行安检、冶金、药品和食品等方面的质量与安全检测。根据设计制造原理金属探测定位器可分为差频式、脉冲感应式、耗能式和平衡式［1］等多种类型。传统的金属探测定位器易受环境因素影响，检测精度较低。提高金属探测定位器的精度、稳定性及其智能性，具有十分重要的理论和实际意义［2］。

本文采用TI公司LDC1000数字/电感转换器作为检测传感器，其输出通过SPI接口传送到单片机，单片机控制步进电机实现金属探测区域的全方位扫描，并对检测数据进行计算和处理后输出到LCD显示器显示。

2　系统硬件设计

系统的总体框图如图1所示，主要包括金属检测模块、STM32F103ZET6单片机模块、电机模块、显示模块、报警模块、电源模块等。

图1　系统总体框图

2.1控制器

采用STM32F103ZET6单片机作为控制器。STM32F103ZET6是32位处理器，使用高性能的ARM CortexTM-M3内核，工作频率为72MHz，内部资源丰富，包括SRAM、I/O接口、ADC、定时器/计数器、PWM、多种通信接口等，具有控制功能强、速度快、性价比高等优点［3］。

2.2金属检测模块

金属检测模块采用TI公司的LDC1000电感/数字转换器，外接一个PCB线圈或者自制线圈以实现非接触电感检测。LDC1000利用电磁感应原理，在PCB线圈或自制线圈中加上交变电流，线圈周围会产生交变电磁场，如果有金属物体进入电磁场，则会在金属表面产生涡流（感应电流）。涡流电流跟线圈电流方向相反，涡流产生的感应电磁场与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。利用LDC1000的这个特性配以外部设计的金属物体就可以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、金属成分（合金）检测。LDC1000的SPI接口可以很方便的连接MCU，具有功耗低、成本低、小封装等特点［4］。单片机通过四线SPI接口（SDI、SDO、SCLK、CSB）实现对LDC-1000的控制以及数据读取［5］，LDC1000与单片机的电路连接原理图如图2所示。

图2　 LDC1000与单片机连接电路原理图

在连接LDC1000时，如果不将LDC1000的线圈和芯片部分分开，则需要较长的杜邦线来连接，而长的杜邦线会影响SPI通信，但是如果将线圈和芯片部分分开，较长的杜邦线则会改变线圈的电感值，从而影响谐振频率，影响金属探测，因此，在单片机和金属探测模块之间增加了三态数据驱动器74HC244。

2.3电机控制模块

2.3.1电机控制结构

系统采用两个步进电机进行控制，分别为外径为57mm的电机1和外径为42mm的电机2。探测器从转角和径向两个方向进行探测，在电机1上固定一个平板，在平板上固定一个可以转动的轴，通过电机1控制扫描角度θ；在轴上固定一个滑杆，滑杆上安装传感器LDC1000，通过滑轮上电机2的转动带动滑杆在径向方向上运动，控制扫描半径r。LDC1000每次轴转过一定的角度，便扫描一次，当轴从一个边缘到另一个边缘时，便实现了整个区域的扫描探测。其简化结构示意图如图3所示。

图3　探测器电机控制结构图

2.3.2电机驱动控制

电机驱动采用二相和四相电机的专用驱动器L298N集成模块，其内部包含4通道驱动电路，内含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收TTL逻辑电平信号，可驱动46V/2A以下的电机，直接对电机进行控制，无需隔离电路。由单片机的I/O接口控制L298N，实现电机的正转、反转以及停止的控制，其连接电路如图4所示。

图4　电机驱动电路图

2.3.3步进电机的步距角与转速

采用两相四线步进电机，其步距角β的计算如式（1）所示。

其中：Z为转子齿数，m为定子绕组相数，K为通电系数，前后通电相数一致时K=1,否则K=2。

步进电机1采用32细分，其步距角为β1=1.8° 32=0.05625°。步进电机2采用8细分，其步距角为β2＝＝0.225°。

当定子控制绕组按着一定顺序通电时，步进电机旋转。设电流的频率为f（单位为Hz），步距角为β（单位为弧度），则步进电机的转速n（单位为转/s）的计算式如式（2）所示。

2.4显示与报警模块

单片机外扩液晶显示器LCD1602用于显示检测到的金属位置及其相关参数，外扩LED灯和蜂鸣器用于检测到金属时发出声光报警［5］，其电路图如图5所示。

2.5电源供电模块

步进电机需要24V的供电，STM32F103ZET6需要3.3V的供电，芯片大部分为5V供电，因此，整个系统需要设计24V、5V、3.3V电源。220V交流电通过整流桥转换成脉动直流，经滤波后分别通过W7824、W7805稳压后提供24VDC、5VDC电源，采用AMS1117将5V的电压转化为3.3VDC电源。

3　软件设计

图5　单片机扩展显示器与报警器连接电路图

软件设计包括系统初始化、LDC1000检测、电机驱动与控制、显示位置参数与声光报警等部分［6］。上电后，金属探测器开始工作，循环检测是否遇到金属物体。电机工作，传送探测头直到杆中心，开始θ角度的变换，检测到金属物件第一次记录为IN1标记。当再次检测到标记时，存在两种情况：已检测到金属或未检测到金属。检测到边框时调小扇形检索速度，进行回转检索，判断LDC1000检索最大电阻值。若电阻值接近第一次检索金属大小，则为上述状态二——未检测到金属；然后调整检测速度恢复为较大检索速度，重新进行检索。若电阻值偏大于第一次检索金属大小，则为上述状态一——已检测到金属，此时逐步减小检索速度，找到电感强度最大点，则为被测金属中心，检索完成，声光报警提示用户，计算被测金属中心位置并显示。程序流程图如图6所示［6］。

图6　程序流程图

4　结束语

通过对第五套人民币1角硬币、1元硬币及自制圆铁环的测试，结果如下：1角硬币的中心位置误差为1.9mm，平均检测时间为62.2s；1元硬币的中心位置误差为2.4mm，平均检测时间为72.8s；自制铁环的中心位置误差为2.8mm，平均检测时间为92.7s。

该测试结果表明，本系统具有金属探测定位精度较高、检测速度快、稳定性较好、检测无死角、性价比高等特点；本系统可从规定范围（50cm范围）内的任意位置开始扫描测量，通过LCD显示器显示探测到金属的中心位置，当检测到金属物并定位后，系统通过声光报警提示用户发现目标。探测器在较近距离时对金属物体的检测效果好，因此在实际应用中应根据不同的金属材质及结构合理设定探测距离和程序初始值。

参考文献：

［1］徐逢秋，许贤泽，乐意，李忠兵.多功能墙体探测仪的设计方法［J］.仪器仪表学报，2013，34（10）：2191－2197.

［2］黄勇.金属探测器的研究与设计［D］.华南理工大学，2010.

［3］刘火良等.STM32库开发实战指南［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［4］LDC1000数据手册.http：／www.hpati.com.

［5］杨维祎，郭颖，王雪峰，曲弘扬.基于TI杯电子竞赛的金属探测系统设计［J］.国外电子测量技术，2015，34 （2）：54－56.

［6］蒙博宇.STM 32自学笔记（第二版）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2014.

The design of metal detector and locator based on SCM

TAO Zui，CHEN Xi－ping，WANG Lin

（College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：The system uses STM32F103ZET6 as the controller and uses the TI company LDC1000 digital／inductive converter as the metal detection module.With the radial movement of metal detection sensor and the angle scanning control of the stepper motor，the system realizes the full range scanning and detecting for the metal detection area.The LCD display shows the detection position，and when metal is detected，the system will alarm by sound and light.The system has many features such as high precision，fast detection，high performance－price ratio etc..

Key words：metal detector and locator；LDC1000；STM32F103ZET6 microcontroller；motor control；scanning

中图分类号：TP73

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）05—0045—04

作者简介：

陶醉（1993－），男，在读本科生，主要研究方向为嵌入式系统应用及通信技术等。

收稿日期：2015－06－03