基于单片机的金属探测系统设计毕业论文.doc

基于单片机的金属探测系统设计摘 要在烟草、塑料、食品、制药、水泥、造纸、纺织、木材加工等很多行业中,经常会由于在物料中混有金属而导致设备损坏,产品质量下降,严重影响了正常生产,使得厂家和广大消费者都蒙受损失。针对以上问题，本系统设计提出了金属探测、坐标定位、坐标数据存储与显示等解决方案，为后续的金属剔除设备提供了数据支持。 本系统设计基于把500*500mm的未知区域区虚拟均匀分割成250000个1*1mm的坐标格，用以确定金属的位置坐标，实现了高精度金属坐标定位（坐标误差小于1mm）。本设计以MSP430F149单片机为系统控制核心，以轴承导轨作为系统金属检测框架系统，以TS3384N8三相24V步进电机作为金属检测动力系统及坐标采集系统，并配以金属检测电路、信号调理电路、声光报警电路、液晶显示电路等外设电路，实现了对未知区域的进行全自主、高精度的金属检测。本设计实现了以轴承导轨载体平台、全自主无死角探测、高精度坐标定位显示及坐标存储、智能声光报警等功能。全自主高速检测系统提高了工作效率，为以后扩展安装在工业自动化流水线上奠定了基础。关键字：金属探测；巡回扫描；坐标显示；金属定位Design Of Intelligent Metal Detecting System Based On MCUAbstract窗体顶端In tobacco, plastics, food, pharmaceutical, cement, paper, textile, wood processing and many other industries, because the materials are mixed with metal, the machines are damaged, which lead to lower-quality product. The normal production is seriously affected, and manufacturers and consumers suffer losses.To solve these problems, the metal detector, coordinate position, and other coordinate data storage and display are proposed,which provide data support for the subsequent metal removing device.The system design is based on the 500 * 500mm unknown even regional area which is divided into 250 000 of the grid which is1*1mm. It realizes high precision metal coordinate positioning (coordinates error is less than 1mm). The design use MSP430F149 microcontroller as the core,bearing guide rail as metal detector frame, TS3384N8 24V three-phase stepper motor as the metal detection power system and coordinate collection system. The SCM combines with metal detector, signal conditioning circuits, alarm of sound light circuit, LCD circuit and other peripheral circuits,which realizes precision metal detection for an unknown region.The design realizes fully autonomous detection without dead ends, high-precision positioning, displaying,storing the coordinates, intelligent sound and light alarming which is based on bearing guide rai.It improves the efficiency through fully autonomous high-speed detection system,and lays the foundation for the future expansion in industrial automation lines.窗体底端Keyword：Metal detecting; tour scanning; coordinate display; metal Positioning窗体底端目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 金属探测系统的发展历史11.2 设计背景和意义21.3 研究现状与发展趋势31.4 本设计的实际意义4第2章 设计方案论证52.1 以智能小车为载体平台的扫描式探测52.2 以导轨支架为载体平台的扫描式探测62.3 方案对比与选择8第3章 硬件系统设计113.1 机械结构设计113.1.1 轴承在系统中的应用113.1.3 滑块在系统中的应用123.1.4 齿轮在系统中的应用133.2 硬件电路系统设计143.2.1 核心控制器系统143.2.2 金属检测系统203.2.3 坐标显示系统213.2.4 电机控制系统223.2.5 声光报警系统24第4章 软件系统设计264.1 金属检测软件系统设计274.2 步进电机控制系统软件设计274.3 坐标显示系统软件设计284.4 报警系统软件设计30图4-5 报警系统程序流程图30第5章 系统结论31参考文献32谢 辞35附录 一37附录 二38IV第1章 绪论金属探测系统是用来探测金属的电子检测系统1。随着工业和科技的发展,金属探测装置在众多领域得到广泛的应用,主要包括军事、安检、考古、工业生产等。例如,军事上可用于探测敌方的地雷,考古中可用来搜寻埋藏在地下的古代金属器具,安检中可用来探测旅客是否随带刀具等危险金属物品。当前,金属探测装置己经非常广泛的应用于各个领域,取得了非常好的经济及社会效益。1.1 金属探测系统的发展历史 世界上第一台金属探测器诞生于 1960 年。20 世纪 70 年代初，芬兰麦特瑞克(METOREX)安全产品公司研制出世界上第一台用于安检的金属探测门，并首先在美国芝加哥机场投入使用，它的出现意味着人类对安全的认知已步入新纪元。40 多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天使用的数字脉冲技术，金属探测器在简单的磁场切割原理基础上引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能都有了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高推广到多个行业2。 20 世纪 70 年代随着航空业的迅速发展，劫机等危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在 20 世纪 70 年代，由于金属探测门在机场安检中崭露头角，大型运动会 (如奥运会)、展览会及政府重要部门的安全保卫工作中，金属探测门成为必不可少的安检设施。发展到 20 世纪 80 年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，金属探测门再次成为美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备。与此同时，西方兴起的“寻宝热”也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。进入 20 世纪 90 年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品流失的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式金属探测器成为管理员工行为和减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了新的角色产品防盗。然而，此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足要求，安保人员需要的是一种能准确判定金属物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术应运而生，它的诞生是金属探测器发展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互叠加而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把门体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。除了通道式安检门之外，还有一种手持式金属探测器，它是便携式的，既可以独立使用又可以和安检门配合。在某些情况下，与安检门配合使用不仅能有效地防止漏报，还能大大提高检测效率。目前市场上的手持式探测器主要以声、光报警为主，但现在已有了一种既能声音报警又能振动报警的手持式探测器。除了有两种报警方式外，手持式探测器设计精巧、易于操作、可实现360范围探测，三色 LED 指示灯使操作更加简便，手柄依据人体工程学设计，操作方便。同时一种新式的通道式安检门已经问世，它利用离子俘获质子漂移技术和气相层析技术，能在短时间内查出被检查者身上是否携带炸药、毒品和生化武器，从而使安检工作提高到一个新的水平3。 1.2 设计背景和意义 随着国内安防行业的蓬勃发展，在安检领域，国内出现了多个金属探测系统生产厂商，但从国内市场占有率上来看国外品牌占有80%的市场份额，民航市场也一直是国内金属探测系统的禁区。究其原因，国内金属探测系统大部分产品只能实现单一的金属检测，不能够进行实时数据传输，无法快速准确检测到金属4，金属形状大小的判别，更无法很好地融合到系统工业流水线开发中。伴随着科技的进步,自动化生产线走进越来越多的生产行业,自动化的流水线生产已是大势所趋。但在生产过程中往往会混入金属杂物,金属杂物不仅会影响产品的质量,甚至还会引起设备的损坏,导致生产的停顿,造成重大经济损失及人员伤害。为了给生产的安全有序进行提供保障,需要一种具有较高金属检测精度及自动金属检测定位的智能金属检测装置,而传统的基于模拟电路的金属检测装置,其抗干扰能力差,检测精度及智能化程度低,系统维护不够方便,无法满足现代化生产的需求。本设计实现了自动化金属探测与坐标定位，能够适应自动化流水线的需求。1.3 研究现状与发展趋势进入二十一世纪以来，全自动化流水线逐步进入了我们的生活中，全自动化流水线的高效益、低成本也促使工业向自动化进行转型，在自动化流水线中金属检测，原料纯度检测是不可或缺的环节，因此这就要求金属探测具有高精度、高速度、自动化检测、数据实时传送、系统预判等高性能指标。智能化自主检测系统就孕育而生了，现代的自动化智能金属检测系统主要包含以下几个单元实现高效的自主检测，微型控制器MCU，涡流线圈，数字键盘模块，快速步进电机，信号放大器，A/D模数转换器，D/A数模转换器，数字摄像头，LCD显示器，SPI或I2C总线通信等模块单元共同构成了现代的智能自动化检测。同时也促使金属检测走向各个工业领域，金属探测技术不断完善5。在技术进步的前提下, 今日的金属探测器有能力作比以前更多、更为复杂的工作。整体来讲, 当今的金属探测器已经出现了两种最具特色的技术功能。其中之一是金属探测器的网络化功能。具备了这种技术, 人们可以在任何一个地方拨打该金属探测器, 对仪器进行维修, 分析所通过的人流量, 并可根据治安的好坏或威胁的大小，调整金属探测器的工作灵敏度。所有这一切都可以远距离进行操作。金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技术的出现, 世界几大著名的金属探测器生产厂商, 如EI PASO、CEIA USA、RANGER &METOREX 等, 均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置, 可以用在诸如法庭以及其他不允许发出声音的地方, 虽然关闭了探测器的音量,但它仍能显示并提醒操作人员何时何处有金属物品存在。现代的金属探测设计中所涉及的主要技术有：涡流技术，数字滤波技术，程控放大技术，数模模数转换技术，摄像头图像采集技术，LCD高精度显示技术，总线网络通信技术，微型控制器技术，机械设计技术等等。在设计的过程中要注意多学科知识的交汇问题，要实现每项技术的无缝对接，这就要求设计人员要对每一个学科知识融会贯通。设计过程中要注意每一个电路模块的电气性能相互配合，信号时序的相互匹配，每个电路环节信号的耦合要尽量减少干扰信号的加入。图像采集和总线网络通信一定要认真学好相关的通信协议以及参数设定。在设计过程中程序的编写和调试过程要综合考虑到每个元件之间的相互干扰，综合利用系统化程序和模块化设计相结合，每个参数设计不能相互干扰6。电子技术的进步与生产的发展,为金属探测装置的应用提供了广阔的舞台,也为金属探测的研究注入了无穷的动力。以计算机技术为代表的数字技术以其特有的优势应用于当今几乎所有的领域,顺应时代要求的高灵敏度、高智能化、高稳定性的金属探测系统将成为该领域的重要课题,未来以数字技术为核心的智能型金属检测装置的研究将会成为主流。1.4 本设计的实际意义随着数字理论的不断完善,计算机技术得到了快速发展,计算机作为信息处理及过程控制的强有力工具被广泛应用于各个行业。利用计算机作为金属探测装置的核心控制及处理部件,可以有效的提高金属探测仪的操控性,易于对系统进行功能的扩展。本系统的设计利用代替了集成金属接近开关代替了原有的信号采集系统，简化了硬件设计，并配以轴承导轨为载体平台、全自动参数调整、全自主无死角探测、高精度定位显示、智能报警等功能，全自动高速检测系统提高了工作效率，可以运用到工业流水线金属探测系统7。第2章 设计方案论证由于本设计实现了自动化自主金属检测，需要对系统运动设计方案进行论证。第一种方案将金属检测探头安装在以智能小车为载体平台上，沿着小车的行走进行轨迹探测，当检测到金属时小车停止并把坐标显示出来声光报警。第二种方案利用滑块、导轨、轴承、齿形带组成一个扫描仪框架，将金属检测探头安装滑块上，用步进电机作为动力系统，齿形带带动滑块运动进行扫描。2.1 以智能小车为载体平台的扫描式探测 以智能小车为载体平台的探测系统在金属探测的过程中，通过角度传感器记录小车前进的方向，数字编码器测量自主小车的实时车速，并把方向数据和速度数据实时传送到微型控制器。微型控制器把数字编码数据进行积分运算，对方向数据进行差分运算计算出相应的X轴与Y轴的坐标值，并记录到相应寄存器内，再传送到缓存器中，当检测到有金属时把此时的坐标数据通过LCD12864显示出来。整个系统设计主要包括以下几个部分设计:小车平台方向检测校正系统，速度检测系统，角度控制系统，金属检测与报警显示系统8。整个扫描探测模型如下图所示：图2-1 自主小车金属探测扫描轨迹模型小车平台方向检测校正系统：本系统由角度传感器、光电编码器、L298N直流电机驱动组成。在软件设计方面：当初始状态调整时，利用角度传感器向单片机传送的信号与原定的方向信号数据进行对比，确定方向偏移差，单片机向一侧电机输出PWM信号进行调整，直到和原始方向数据一致；当小车平台前行的过程中方向校正过程，利用左右两轮编码器传送给 MCU 的脉冲信号，对信号频率进行测量、对比，若两者频率相同，则走直线，若不同自动减少频率高的那侧电机控制信号PWM的占空比，直到两个编码器传送的脉冲信号相同9。速度检测系统：速度检测主要以光电编码器的脉冲信号作为信号输入，单片机通过对脉冲信号的频率检测，来确定电机的转速，从而计算出相应的小车平台运行速度。角度控制系统：当检测到转弯调头信号时，单片机对电机控制信号进行调整，使得内侧轮子反转，外侧轮子正转，当角度传感器检测到转90度时，单片机对电机控制信号调整，使得两个轮子都正转，当编码器传送来的数据经运算后达到轮距差达到25 mm时，单片机对电机的控制信号调整，使得内侧轮子反转，外侧轮子正转，当角度传感器再次检测到转动90度时，单片机对电机的控制信号调整，使两个轮子同时正转。整个平台完成了调头，并达到相应的轮距差。金属检测与报警系统：本系统设计的金属探测芯片选用 LDC100，显示芯片选用LCD12864，报警电路由发光二极管，有源蜂鸣器，三极管构成。软件设计首先单片机对LDC1000进行初始化写入，设置金属检测阈值，设置读取数据其工作方式为中断方式，即当芯片检测值大于相应阈值时，单片机进行数据读取，把数据存储到寄存器中，扫描程序进入微调阶段，读取LDC1000数据并寄存数据，与寄存器数据原有数据进行比较，当数据最大时平台停止扫描10，并把此时的运算得到的位置坐标传送到液晶显示芯片中，单片机给报警电路一个驱动信号，系统开始声光报警。2.2 以导轨支架为载体平台的扫描式探测导轨式扫描探测式基本原理入下：搭建纵向横向导轨支架，支架用轴承和轴承座进行固定，纵横支架之间用带轴承的滑块连接，探头平台用带轴承的滑块固定在纵向支架上，纵向导轨支架可以在横向导轨支架上自由移动，探头平台可以在纵向导轨支架上自由移动，从而探头平台可以实现在二维扫描区域里无死角金属探测。用两个步进电机分别控制纵向导轨和滑块的前进与后退，实现对探头的位置及行走轨迹进行控制，其探测模型如下所示：图2-4 导轨式金属探测模型在对电机系统设计中，用TB6560作为步进电机驱动，步进电机的转动速度与单片机的触发脉冲和步进电机驱动的驱动方式有关，单片机通过控制电机驱动的CW端口的高低电平从而控制步进电机的正反转，单片机通过控制电机驱动的EN端口的高低电平控制电机的停止与转动。本系统设计通过设置脉冲数来确定步进电机的转动角度，通过计算得到步进电机带动齿形带走1mm所需的脉冲数11。公式如下所示：步进1mm所需的脉冲数；：圆周率常数，约为3.1415926； ：步进角，单位为；：步进电机齿轮外直径，单位mm。然后设置通过控制算法编写步进子程序，使得每次调用步进子程序时步进电机只转动1mm的距离。在扫描检测时，首先对连接滑块的步进电机进行控制，每趟扫描调用子程序500次，即实现了步进500mm，然后对另一个电机进行控制调用步进子程序10次，实现10mm的步进，然后连接滑块的步进电机按照原来的反方向调用步进子程序500次，依次循环50次，实现了500mm*500mm区域的扫描。在金属探测系统与坐标显示设计中，为了实现探测的高效性，金属检测采用中断方式编程，主程序只执行扫描系统，仅当金属探测探头检测到金属时，程序回到中断部分执行，在中断程序中设置液晶显示子程序，报警子程序。为了实现坐标数据的动态更新，把坐标参数设置为主函数的系统参数，在主程序中记录探头平台的实时位置数据。当有中断信号时，读取探头的位置数据，此时单片机触发报警信号产生声光报警，并对液晶显示器LCD12864初始化程序写入，把位置数据通过运算计算出相应的坐标数据，并转化成液晶显示的字符数据，并把相应的坐标值通过液晶显示器显示出了，同时把数据存储在相应的寄存器内。2.3 方案对比与选择以智能小车为载体平台的扫描式金属探测，在硬件设计方面有着很大的优势，各种传感器都有集成的电路模块，直接和单片机的I/O接口相连接，而且智能小车平台控制也有着许多成熟的算法可以借鉴。但是智能小车的前行的方向性难免会有一定的偏差，在平台掉头时轮距差的控制也有一定的难度，而且直流电机不可能实现即走即停，控制信号作用到电机上有一定的延迟，就产生了误差。本设计适用于大范围精度要求不特别高的金属探测场合。以导轨支架为载体的扫描式探测，本设计在硬件系统平台搭建上比较复杂，机械结构设计上需要反复论证实验，系统设计时也需反复调试，不同模块之间连接时采用光电隔离，系统干扰几乎没有。硬件系统为探测精度提供了保障，而且也为系统程序编写提供了很大的便利性，采用模块化设计为以后系统维护提供了便利。在动力系统中采用步进电机，由于步进电机的转速只和脉冲频率有关，转动方向只和脉冲时序有关，因此控制起来可以实现信号的实时性传递得到保障，金属探测的精度可以极大的提高。本设计可以实现快速高精度地对一个确定的范围内金属进行探测。整个金属探系统主要面向工业自动化流水线上金属检测，由于自动化生产线上混入的金属多为螺丝、钉子、金属碎屑等，这类金属尺寸小不易检测，故必须选用精度高的金属探测系统。在自动化生产过程中生产速度也是一个学要考虑的重要因素，这就要求金属探测系统有着很快的响应速度12。系统的稳定性是生产过程的最为重要的环节，系统的稳定性主要包括运行稳定性和系统维修的实效性。系统运行稳定性即为在运行过程中的出故障率，故障率越低系统的运行稳定性就越好。系统维修的实效性即为当系统出现故障时，维修过程对生产过程的影响程度，和维修系统所耗费的时间，当维修时对生产过程越小与维修时间所耗费的时间乘积越小，系统的系统维修的实效性就越好。以智能小车为载体平台的扫描式探测系统无论是精度上还是速度上都无法满足自动化流水线生产过程的要求，并且系统的稳定性、可靠性、维护性都不是太理想，因此不太适应高速的自动化生产过程。以导轨支架为载体平台的扫描式探测，采用模块化设计维护起来方便，各个模块独立供电采用光电耦合进行信号传递，极大减小了系统误差，步进电机的高精度控制使得探测精度满足自动化流水线生产过程，整个设计的系统稳定定性远远比以智能小车为载体平台的扫描式探测系统高。综上所述，本基于单片机的金属探测系统设计采用以导轨支架为载体平台的扫描式探测。第3章 硬件系统设计本设计的硬件系统主要包机械结构部分和硬件电路系统，本章节对这两部分设计理念及设计用途的详尽解释。3.1 机械结构设计本系统设计的机械结构设计部分主要包括轴承，轴承座，滑块，轴承杆，齿形带，齿轮，木板等材料组成。接下来主要介绍下这些材料的在整个系统中的作用，以及构成了一个怎样的机构系统。整个机械结构的实物效果图如下所示：图3-1 机械结构实物效果图3.1.1 轴承在系统中的应用在硬件系统设计中总共使用了14个内径8mm的轴承，轴承和轴承座的实物图如图3-2所示，轴承在系统中主要运用在轴承杆的链接上。轴承杆之间通过轴承相连接，不仅完成了硬件系统的骨架搭建，而且轴承杆在很小的作用力下就能转动，极大地减小了平台在运动中的摩擦里。轴承在系统中还起到了滑轮的作用，通过两个轴承，一个轴承杆，一个齿轮组成了系统的从动力滑轮，通过齿形带和电机相连接，构成系统设计的硬件系统。图3-2 轴承和轴承座实物图3.1.3 滑块在系统中的应用在此系统设计中总共使用了6个滑块，滑块实物图如图3-3所示，在系统中的位置如图3-1所示，滑块在系统中主要用来链接需要运动的部分。把四个滑块放到横向轴承杆上，滑块内部有相应的轴承，然后用有机玻璃板固定在滑块上，就形成了可以自由横向移动的平台，平台通过齿形带和横向电机相连接，电机控制平台的移动。在平台上搭建纵向轴承杆和电机系统，搭建完成后，在纵向轴承杆上安装两个滑块，搭建安装传感器的平台，这个平台由于承重特别小，故找一个便于加工的材料即可，把传感器安装在此平台上，用齿形带把此平台和纵向步进电机相连接，使得电机可以控制平台的纵向移动。滑块在整个系统中起到了运动模块之间的相互衔接，构成这了整个硬件设计的关键。图3-3 滑块实物效果图3.1.4 齿轮在系统中的应用在本设计中总共用了4个齿轮，齿轮的实物图如图3-4所示，其中两个安装在步进电机上，另外两个安装在由轴承和轴承杆组成的从动力滑轮上。齿轮的每个齿距和齿形带的齿距对应一致，齿距越小对应的系统误差越小，本系统选择的齿形带和齿轮的齿距都是1mm，可以实现高精度的运动控制。整个系统中，齿轮和齿形带构成了系统的动力传送装置，把电机产生的圆周运动，转化为直线运动，为自主金属探测系统提供了可行性的运动扫描基础。图3-4 齿轮实物效果图3.2 硬件电路系统设计本设计的硬件电路部分主要包括：核心控制系统、金属检测系统、坐标显示系统、电机控制系统、声光报警器系统等。金属检测系统把检测数据传送到核心控制器里，控制器对数据信号处理运算，并对电机驱动系统、坐标显示系统、声光报警系统释放相应控制信号。系统框图如下所示：图3-5 硬件电路系统框图3.2.1 核心控制器系统在本系统设计中，需要MCU对多种中断指令进行处理，大量数据寄存，数据运算算法复杂，多路定时，多路PWM输出，以及多通道数据信号读写，51系列单片机无论是端口和处理功能都无法实现， 本系统设计选用TI公司生产的的MSP430F149单片机。下面主要介绍下MSP430F149单片机常用的硬件模块及特性。MSP430F149单片机是一个超低功耗的单片机，很适合采用电池供电的长时间工作场合，而且采用16位精简指令系统，集成有16位的寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。它采用控制振荡器，使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6S，而且系统内设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚13。下面对单片机的引脚功能进行介绍：AVCC 64 模拟电源正端，仅供给模数转换器部分AVSS 62 模拟电源负端，仅供给模数转换器部分DVCC 1 数字电源，正端，供给所有数字部分DVSS 63 数字电源，负端，供给所有数字部分P1.0/TACLK 12 普通I/O引脚/TIMER_A，时钟信号TACLK输入P1.1/TA0 13 普通数字I/O引脚/TIMER_A，捕获：CCI0A输入，比较：OUT0输出P1.2/TA1 14 普通数字I/O引脚/TIMER_A，捕获：CCI1A输入，比较：OUT1输出 P1.3/TA2 15 普通数字I/O引脚/TIMER_A，捕获：CCI2A输入，比较：OUT2输出P1.4/SMCLK 16 普通数字I/O引脚/SMCLK信号输入P1.5/TA0 17 普通数字I/O引脚/TIMER_A，比较：OUT0输出 P1.6/TA1 18 普通数字I/O引脚/TIMER_A，比较：OUT1输出 P1.7/TA2 19 普通数字I/O引脚/TIMER_A，比较：OUT2输出P2.0/ACLK 20 普通数字I/O引脚/ACLK 输出P2.1/TAINCLK 21 普通数字I/O 引脚/TIMER_A,时钟信号 INCLKP2.2/CAOUT/TA0 22 普通数字I/O 引脚/TIMER_A,捕获：CCI0B输入/比较器A输出P2.3/CA0/TA1 23 普通数字I/O 引脚/TIMER_A,比较：OUT1输入/比较器A输出P2.4/CA1/TA2 24 普通数字I/O 引脚/TIMER_A,比较：OUT2输入/比较器A输出P2.5/ROSC 25 普通数字I/O引脚，定义DCO标称频率的外部电阻输入P2.6/ADC12CLK 26 普通数字I/O引脚，转换时钟12位 ADCP2.7/TA0 27 普通数字 I/O 引脚，TIMER_A, 比较: OUT0 输出P3.0/STE0 28 普通数字 I/O 引脚，从发射使能 USART0/SPI 方式P3.1/SIMO0 29 普通数字 I/O 引脚，USART0/SPI方式的从输入/主输出P3.2/SOMI0 30 普通数字 I/O 引脚，USART0/SPI方式的从输出/主输入P3.3/UCLK0 31 普通数字 I/O 引脚，发送数据USART0 /UART / SPI方式 P3.4/UTXD0 32 普通数字 I/O 引脚，发送数据 USART0/UART方式P3.5/URXD0 33 普通数字 I/O 引脚，接收数据 USART0/UART 方式P3.6/UTXD1 34 普通数字 I/O 引脚，发送数据USART1/UART 方式P3.7/URXD1 35 普通数字 I/O 引脚，接收数据USART1/UART 方式P4.0/TB0 36 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B, 捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR0P4.1/TB1 37 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B,捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR1P4.2/TB2 38 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B,捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR2P4.3/TB3 39 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B,捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR3P4.4/TB4 40 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B,捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR4P4.5/TB5 41 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B,捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR5P4.6/TB6 42 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B,捕获I/P或PWM输出端口TIMER_B7CCR6P4.7/TBCLK 43 普通数字 I/O 引脚，TIMER_B, 输入时钟 TBCLK-TIMER_B7P5.0/STE1 44 普通数字 I/O 引脚，从发射使能 USART1/SPI 方式P5.1/SIMO1 45 普通数字 I/O 引脚，主从出USART1/SPI模式P5.2/SOMI1 46 普通数字 I/O 引脚，USART1/SPI从输出/主输入P5.3/UCLK1 47 普通数字 I/O 引脚，外部时钟输入USART1/UART或 SPI 方式,时钟输出USART/SPI方式P5.4/MCLK 48 普通数字I/O，主系统时钟 MCLK 输出P5.5/SMCLK 49 普通数字I/O，次主系统时钟 SMCLK 输出P5.6/ACLK 50 通用数字I/O ，辅助时钟 ACLK 输出P5.7/TBOUTH 51 通用数字I/O，切换所有PWM输入端口到高阻-TIMER_B7 TB0到TB6P6.0/A0 59 普通数字I/O，模拟输入A0-12位ADCP6.1/A1 60 普通数字I/O，模拟输入A1-12位ADCP6.2/A2 61 普通数字I/O，模拟输入A2-12位ADCP6.3/A3 2 普通数字I/O，模拟输入A3-12位ADCP6.4/A4 3 普通数字I/O，模拟输入A4-12位ADCP6.5/A5 4 普通数字I/O，模拟输入A5-12位ADCP6.6/A6 5 普通数字I/O，模拟输入A6-12位ADCP6.7/A7 6 普通数字I/O，模拟输入A7-12位ADCRST/NMI 58 复位输入，非屏蔽中断端口，或引导装在程序启动TCK 57 测试时钟TCK 适用于器件编程测试和引导程序装载启动TDI 55 测试数据输入，TDI作用一个数据输入端口.器件保护熔丝连接TDHTDO/TDI 54 测试数据输出端口，TDI/TDO数据输出或者编程数据输入端子TMS 56 选择测试模式， TMS 用作一个器件编程和测试的输入端口VEREF+ 10 ADC外部参考电压输入VREF+ 7 ADC内部参考电压正端输出VREF/VEREF 11 内部ADC参考电压和外部施加的ADC参考电压的负端XIN 8 I 晶体振荡器XT1输入端口XOUT 9 晶体振荡器XT1的输出端或测试时钟输入XT2IN 53 晶体振荡器 XT2输入端口 XT2OUT 52 晶体振荡器XT2输出端接下来将对单片机的工作方式，以及中断向量进行介绍：通过对不同模块操作模式和CPU状态的智能化管理。MSP430F149芯片的工作方式可以适应多种超低功耗电压和超低功耗的需求，即使中断处理期间也一样。一个中断事件可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过RET1指令返回到中断以前的工作状态。系统适用的时钟信号有ACLK和MCLK。ACLK就是晶振的频率信号，MCLK和SMCLK都是ACLK的倍频信号，作为系统和子系统的时钟。下面是芯片支持的六种工作方式：活动方式：CPU和不同组合的外围模块被激活，处于活跃的状态。低功耗方式0：CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK环路控制有效。低功耗方式1：CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK环路控制无效。低功耗方式0：CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK环路控制有效。低功耗方式0：CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK环路控制无效。低功耗方式0：CPU停止工作，外围模块继续工作，ACLK被禁止，SMCLK和MCLK环路控制无效，并且数字控制振荡器的DC发生器被禁止。通过软件对内部时钟的不同设置，可以控制芯片处于不同的工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件组合形式，以达到最低的功耗并发挥最优的系统性能具体有以下三种方式：使用内部时钟发生器，无需外接任何元件；选择外接晶体或陶瓷谐振器，可以获得最低频率和功耗；采用外部时钟信号源。单片机还具有自带的8路12位A/D转换模块，并且自带LCD驱动器，可以直接驱动静态、2-MUX、3-MUX和4-MUX的液晶显示器。LCD的逻辑控制可以通过软件以内存位操作形式来定义。LCD显示内存是LCD模块的一部分，而不是数据存储器。有8种模式和控制位用来定义LCD的操作和电流消耗。可以很容易的通过查表方式得到单个数字驱动信息，字段信息可以通过储存器操作指令来控制。MSP430F149还具有强大的中断处理能力，其中断源有看门狗定时器中断、比较器A中断、定时器中断、I/O口P1与P2中断、基础定时器中断、复位中断、NMI中断，外部中断是我们最常用的中断形式，其中P1.0P1.7和P2.0P2.7 16个中断口就是为外部设计的，基本上可以满足我们大多数的设计需求。综上所述系统的核心控制系统选用以MSP430F149单片机为CPU加以最小系统电路组成的控制系统。3.2.2 金属检测系统系统设计时，考虑到本系统主要的目的是为了探测金属，而不用计算金属的大小及形状（系统工作量太大，控制算法太复杂，超越能力范围），在传感器选择方面考虑到设计成本、方案可行性、操作的难易程度等因素14，金属接近开关是最合适不过的选择。在本设计过程中选用LJ18A3-8-Z/BX型号的接近开关。以下是LJ18A3-8-Z/BX的主要技术参数及实物图：工作电压：636V工作温度：-4585输出信号：数字信号输出形式：PNP输出探测距离：08mm探测物体：磁性金属图3-6 LJ18A3-8-Z/BX实物图MSP430F149单片机与LJ18A3-8-Z/BX的硬件连接，为了提高系统的运行速度，金属接近开关的输出信号当做一个中断信号来使用，当检测到金属时金属接近开关连接原来的高电平信号转换成为低电平信号，单片机的中断方式选择下降沿触发，此时运行中断子程序。单片机的P1.0中端口连接金属接近开关的电源线红线，输出线蓝线和单片机的地线相连。硬件连接图如图3-8所示：图3-7 金属接近开关和单片机连接图3.2.3 坐标显示系统在此系统中进行坐标显示中，同时要显示汉字、数字、字母。LED数码管只能对数值进现实，硬件外设电路复杂，因此首选LCD液晶显示，但LCD1602只能对字符显示，无法显示汉字，故选用LCD12864液晶显示。LCD12864是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全文人机交互图形界面。因此在坐标显示系统中选择LCD128*64作为显示芯片。本系统单片机和液晶LCD12864连接采用并行接口连接方式，其中单片机的P4口接LCD12864的并行数据口DB0DB7，单片机的P3.0，P3.1，P3.2分别连接LCD12864的RS,R/W,E端口，PSB端口是控制LCD的数据读取方式，本设计采用并行数据都写，故将其接高电平，其硬件连接图如图3-9所示：图3-8 LCD12864与单片机的硬件连接电路图3.2.4 电机控制系统本系统的电机控制系统采用TB6560步进电机驱动模块对步进电机进行驱动，TB6560是为两相步进电机设计的驱动，本系统采用的步进电机为TS3384N8是一种三相电机，在使用的过程中把三相电机的C相的正极负极都悬空不用。下面介绍一下TB6560的使用方法：+24V，GND：电源正负极A+,A-：电机A相B+,B-：电机B相CLK+,CLK-：脉冲正负端CW+,CW-：方向正负端EN+，EN-：使能正负端有六个输入端，可方便接成共阴或共阳的输入形式输入脉冲电平是5V，若是12V电平脉冲则要串一个1K的电阻，若24V则串一个2.4K电阻CLK有脉冲是电机运行，无脉冲时自动进入半流状态，锁定电机CW低电平或悬空时电机正转，高电平时反转EN低电平或悬空时为工作状态，高电平为脱机状态工作电流设置通过改变SW1，SW2，SW3，S1的状态进行调整，本系统设计将电流设置成1.2A，开关的状态分别为ON,OFF,OFF,ON细分设置通过改变S3，S4的状态来调整，本系统采用8细分，两个开关都处于ON状态本系统的单片机与步进电机驱动连接及驱动和电机的连接，单片机利用P2.0和P5.0产生相同频率的脉冲信号分别接到电机驱动1和电机驱动2上，P2.1产生控制电机正反转的控制信号，连接在电机驱动1的CW+上，同理P5.1连接在电机驱动2的CW+上，单片机的P2.2和P5.2连接电机驱动的使能段EN+，步进电机的A，B相分别连接电机驱动的A+、A-，B+、B-上。其硬件连接图如图3-10所示：图3-9 单片机与电机驱动硬件电路连接图3.2.5 声光报警系统本系统声光报警系统采用发光二管和蜂鸣器相结合报警，当检测到金属时，单片机在P6.0口产生一个30HZ的脉冲信号使二极管闪烁。P6.1产生一个低电平使蜂鸣器发出声报警。硬件连接图如下所示：图3-10 单片机与报警电路的硬件连图第4章 软件系统设计本系统的软件系统采用系统框架与模块化编程相结合的思想进行设计，模块化子程序主要包括金属检测子程序，步进电机控制子程序，坐标显示子程序，报警子程序设计。整个程序编写采用C语言编写，软件开发环境是IAR FOR MSP430编辑环境下载工具软件采用MSPFET软件进行软件下载。在系统框架程序编写过程主要任务是定义各种全局参数变量，定义系统函数类型，子函数调用等。在系统程序编写过程中，一定要把全局变量和局部变量分清，而且在程序编写的过程中一定要分清中断信号的形式15，并且一定要慎用无限循环语句，判断语句要多次检测判断量，防止程序进入死循环。在系统的程序编写指令要尽量精简，在编写过程中最好在变量，函数，参数等语句的后边加上相应的中文注释，以便程序出错时的修改。系统程序流程图如图4-1所示：图4-1 系统程序框图4.1 金属检测软件系统设计金属检测系统采用中断式程序编写，子程序的编写主要是中断程序的编写，首先设置中断的触发方式，本设计采用下降沿触发，设置中断类型，本设计采用外部端口中断，采用P1.0口外部中断。其软件流程图如图4-2所示：图4-2 金属检测子程序4.2 步进电机控制系统软件设计步进电机控制系统软件设计，包括中断信号处理，边沿判别，时钟脉冲信号生成，电机方向信号转换几大部分。整体框架如下，首先生成一个使步进电机运动1mm的子程序，反复调用此程序，首先控制纵向电机使其运动，当其运动到扫描边缘时，停止运动，控制横向电机运动1cm，然后控制纵向电机反方向扫描，依次反复执行，并记录每次运动的位置坐标，当扫描完成后，电机停止运动，当有中断信号时，电机也停止运动。程序流程图如下所示：图4-3 电机控制系统流程图4.3 坐标显示系统软件设计坐标显示系统主要需要对坐标数据获取，坐标数据转化，读写忙闲状态判别等几个步骤。首先获取的坐标数据是以数字形式存在的，要把数字信号转化成为相应的数组数据，再把数组数据转化成为相应的ASCII码数据，另外在显示系统中还有汉字显示部分，要把显示位的坐标地址分好，防止乱码。对数据读写过程过程要对芯片的工作状态进行判断，等到芯片闲状态时进行写操作。该系统的软件系统设计流程图如下所示：图4-4 显示系统软件流程图4.4 报警系统软件设计报警系统软件设计，由于本系统采用的蜂鸣器是有源蜂鸣器，给上触发电压即可工作，发光二级管给上低电平即可工作。报警程序的编写比较简单，关键难点是中断信号的判断，中断信号的处理，以及相应的端口信号变化。当有中断信号时，平台停止扫描，发生报警信号。其系统流程图如下所示：图4-5 报警系统程序流程图第5章 系统结论经过硬件连接软件调试后，本设计实现了对500*500mm区域内的金属自主探测，坐标显示，智能声光报警。分别对不同尺寸(金属直径)金属并放在探测区域的不同位置，每种金属分别作了10次试验得到了以下探测结果：表1 性能参数金属尺寸检测成功未检测到误检坐标偏差（平均值）2mm5501mm4mm7300.8mm6mm9100.5mm8mm9100.2mm10mm10000.1mm12mm9100.1mm14mm10000.1mm由上表可知本系统设计对直径6mm以上的金属检测准确率几乎可以达到90%以上，对2mm的金属探测准确率约为50%。金属坐标偏