電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽：金屬物體探測(cè)定位器

1、B題:金屬物體探測(cè)定位器摘要本設(shè)計(jì)主要采用STC89C51以及STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了金屬物體探測(cè)定位器。探測(cè)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(gòu)成。其中下位機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置，以51單片為核心，而上位機(jī)數(shù)據(jù)接收處理裝置的MCU則采用的是STM32單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集金屬物體探頭采用TI公司電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換器LDC1000，該探頭在水平和豎直兩組步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)在50cm*50cm的水平玻璃板上自動(dòng)掃描，檢測(cè)到金屬后，給出定位指示和聲光報(bào)警。關(guān)鍵詞：金屬探測(cè)；LDC1000；步進(jìn)電機(jī)；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(shè)計(jì)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(gòu)成。如圖1-1所示，上位機(jī)模塊，也就是數(shù)據(jù)接收處理模塊控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)螺紋桿，而螺紋桿上的下位機(jī)，即數(shù)據(jù)采集模塊，就會(huì)在50 cm*50 cm的玻璃板上移動(dòng)，而在移動(dòng)的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊在采集數(shù)據(jù)，同時(shí)不斷將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集發(fā)送裝置的設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)采集模塊在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下掃描玻璃板，并通過探頭檢測(cè)金屬。探測(cè)器采用TI公司的LDC1000電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換評(píng)估板。該器件采用是非接觸式的無磁芯技術(shù)電感式感測(cè)，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(cè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)亞微米的分辨率。當(dāng)LDC1000接近金屬時(shí)，阻抗數(shù)值就會(huì)單調(diào)變化。發(fā)送裝置的MCU只負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通

3、過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理，以判別是否接近金屬并檢測(cè)圓心。 數(shù)據(jù)接收處理模塊的設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)接收部分主要采用STM32為核心。該模塊主要任務(wù)為:接收采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù);對(duì)所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷；控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺紋桿，從而控制LDC1000探頭移動(dòng)。根據(jù)LDC1000的響應(yīng)特性，在LDC1000靠近金屬時(shí)檢測(cè)數(shù)值會(huì)變大，這時(shí)上位機(jī)的MCU會(huì)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(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反應(yīng)。通過算法找到金屬圓心，并通過LED和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警等。1.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案方案一：恒電壓驅(qū)動(dòng)：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電，多個(gè)繞組交替提供電

4、壓。該方法的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，元件少、控制也簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單。但同時(shí)它還有很明顯的缺點(diǎn)：必須提供足夠大的電流的三極管來進(jìn)行開關(guān)處理，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較低，電機(jī)震動(dòng)比較大，發(fā)熱大。方案二：采用成品的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)器ZD-8731-D,雙軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該方法簡(jiǎn)單，并且可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，但它必須有12V的電壓以及較大的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且因?yàn)樗浅善?，所以花費(fèi)較大。綜合以上兩種方案，利用方案二，采用雙軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ZD-8731-D，雖然說該方案花費(fèi)較大，但實(shí)驗(yàn)室有完整的ZD-8731-D成品。而且方案一是一種比較老的驅(qū)動(dòng)方式，現(xiàn)在基本不用。因此我們采用第二種方案來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。需要

5、注意的是因?yàn)榉桨付腪D-8731-D不僅僅需要12V的電壓，而且需要較大電流驅(qū)動(dòng)，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(guān)電源NES-35-12進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1.2 顯示部分設(shè)計(jì)方案方案一：采用八位共陰極LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，利用單片機(jī)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(qū)動(dòng)器，每片可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED數(shù)碼管。方案二：采用點(diǎn)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LCD的液晶顯示越來越廣泛的應(yīng)用于各種顯示場(chǎng)合。綜合以上兩種方案，數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)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(nèi)容豐富，綜合考慮，選用LCD5110來實(shí)現(xiàn)顯示功能。2 部分硬件電路設(shè)計(jì)2.1 掃描及數(shù)據(jù)采集部分?jǐn)?shù)據(jù)采集部分如圖2-1所示，四個(gè)電機(jī)配合四根螺桿，帶動(dòng)數(shù)據(jù)采集板在50 cm*50cm的區(qū)域里移動(dòng)，采集板放在3,4號(hào)螺桿上。具體的過程如下：電機(jī)1與電機(jī)2以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺桿1和螺桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)?號(hào)螺桿和2號(hào)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，架在1,2螺桿上的3,4號(hào)螺桿所以也跟隨移動(dòng)，因此，采集板可以沿y軸上下移動(dòng)。與此同時(shí)，隨著，3,4號(hào)螺桿上電機(jī)3號(hào)和4號(hào)以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)的采集板沿x軸運(yùn)動(dòng)。因此，便可做到采集板在區(qū)域內(nèi)自動(dòng)移動(dòng)。圖2-1 掃描及數(shù)據(jù)采集部

7、分2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路下圖為步進(jìn)電機(jī)完整驅(qū)動(dòng)電路。ZD-8731-D為雙軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，但需要12V電壓，同時(shí)需要大電流。S-25-12為12V開關(guān)電源，輸出電流可達(dá)到3A左右，滿足ZD-8731-D驅(qū)動(dòng)的需求。如圖2-2所示，只需將步進(jìn)電機(jī)的四線分別接入A+，B+,A-,B-，然后單片機(jī)在脈沖端輸入脈沖波，在方向端輸入1或者0（1為正轉(zhuǎn)，0為反轉(zhuǎn)）即可控制運(yùn)動(dòng)模式。 圖 2-2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3 軟件程序設(shè)計(jì)下位機(jī)主要負(fù)責(zé)采集LDC1000所發(fā)送回來的數(shù)據(jù)和串口發(fā)送給上位機(jī)，波特率為9600。上位機(jī)的任務(wù)較多，控制著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，串口數(shù)據(jù)接收與處理和LCD顯示

8、控制，并進(jìn)行聲光報(bào)警。3.1 下位機(jī)程序圖3-1為下位機(jī)發(fā)送端程序流程圖：MCU首先對(duì)串口，定時(shí)器等等數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)嗎MCU。 圖3-1發(fā)送端程序流程圖3.2 上位機(jī)程序下位機(jī)的程序較為復(fù)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(dāng)STM32控制電機(jī)移動(dòng)螺桿帶動(dòng)采集板移動(dòng)時(shí)，就相當(dāng)于在這個(gè)二維區(qū)域中移動(dòng)，每當(dāng)采集板移動(dòng)到某個(gè)位置時(shí)，就會(huì)把坐標(biāo)存入Flash。當(dāng)按下按鍵，也就標(biāo)志位置為啟動(dòng)位時(shí)，電機(jī)開始移動(dòng)掃描。當(dāng)MCU接收到串口發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)進(jìn)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(shè)置固定的閥值，當(dāng)數(shù)值超過閥值的時(shí)候，MCU則會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行搜索，定位。對(duì)于提供給電機(jī)脈沖，由定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)中斷進(jìn)行I/O口翻轉(zhuǎn)，然后輸出對(duì)應(yīng)脈沖。圖3-2下位機(jī)程序流程圖4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試環(huán)境時(shí)間：2014年8月15日溫度：25測(cè)試儀器電源，秒表，量尺測(cè)試結(jié)果（1） 1角硬幣探測(cè)：探頭按指定方式進(jìn)入后，兩分鐘內(nèi)可以完成定位，發(fā)出聲光報(bào)警，探頭可定位于硬幣邊緣內(nèi)部。（2） 1元硬幣探測(cè)：探頭按指定方向進(jìn)入后，兩分