2014电子设计大赛金属探测器.doc

2014年全国大学生电子设计竞赛陕西赛区设计报告作品编号： （由组委会填写）&剪切线& 作品编号： （由组委会填写）参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号3802B说 明1. 为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码；2. 本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；3. “作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写；4. “参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。5. 本页允许各参赛学校复印。1、设计任务.22、系统方案的设计与论证.22.1 系统总体框架.22.2 方案论证与比较.23、系统的硬件设计与实现.33.1 系统的总体设计.33.2理论分析与计算.43.3 软件设计.54、测试结果与误差分析.65、 结论、心得体会.76、附录：原理图.89摘 要 金属探测器是专门用来探测金属的仪器。广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。这里我们设计的是一个基于单片机MSP430F5529自主定位探测器， 利用智能小车横向扇形扫描，检测到地面上的金属元素并对其所在位置给出指示（探头指针指向该金属所在位置），如若发现附近有金属物体存在该探测器回发出声音警报和LED灯发亮提示，同时LED12864给出明显指示定位。实现金属探测器功能。单片机原理的测得值与设定的电压基准值相比较后，决定是否探测到金属。定位准确。关键词：金属探测器，LDC1000，LED12864，MSP430F5529 1、 设计任务设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器（以下简称探测器），可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。该探测器需采用TI公司LDC1000电感/数字转换器评估板（AY-LDC1000）作为金属物体探头，探头上应有定位指针，以给出明显定位指示。探头可在水平放置的玻璃板上移动。检测时间和误差尽可能小。2、系统方案的设计与论证2.1 系统总体框架整个系统分为单片机系统模块、LDC1000探头模块、电机驱动模块、电源模块、液晶显示模块。各模块的系统框图如图1所示电机驱动LDC1000探头液晶显示MSP430F5529单片机扫描载体声光提示电源模块电机驱动图1 系统框图2.2 方案论证与比较(1)控制模块传统的51单片机广为应用，具有使用简便、价格便宜等优点，但是其运算能力较低，速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。MSP430G2553是最新一代的具有集成 USB 的超低功耗单片机，可以应用于能量收集、无线传感以及自动抄表等场合，是最低工作功耗的单片机之一。MSP430F5529开发板(MSP-EXP430F5529)是 MSP430F5529 单片机的开发平台，由电源选择开关、RF射频接口、microSD Card 插槽、MSP430F5529芯片及引出引脚、USB接口、JTAG仿真接口、齿轮电位计、电容触摸按键、LED、按钮、EZ-FET内置仿真器、102x64 点阵 LCD和三坐标轴加速度计组成(2)电机驱动模块方案。(2)扫描载体方案一：采用导轨进行扫描定位 气垫导轨是常用的一种实验仪器，它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动.直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。方案二：采用智能小车扇形扫描 电机驱动模块：使用直流电机，加上适当的减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大笑就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上是一个功率放大器。常用的驱动方式是PWM方式。即脉冲宽度调制方式。此外，只能小车在社会应该扩展性更强。基于上述理论和实际应用情况，我们选择方案二。3、系统的硬件设计与实现3.1 系统的总体设计根据前面的分析，设计出本系统的总体架构如图2所示。图2. 系统架构框图3.2理论分析与计算金属探测LDC1000是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为电压幅值的变化，供相关电路进行检测，LDC1000并不是直接检测串联的电阻，而是检测等效并联电阻。通过改变硬币和线圈之间的距离得到不同的值，对前端探测到的数据进行再处理和分析，若发现附近有金属物体存在该探测器回发出声音警报和发亮提示。(1)LDC1000测试探头 LDC1000可以同时测量阻抗和频率。LDC1000是通过调节振荡器的幅度同时检测LC的谐振损耗来实现这个测量的。通过检测注入到LC谐振单元的能量，可以计算出RP。在LDC1000中RP值被转化为数字量，数值跟RP的值成反比。LDC1000可以检测到LC的谐振频率。谐振频率用于计算LC中的L值。频率值也有LDC1000转换为数字量。谐振LC中的C是已知的（电板上焊接），所以根据谐振频率就能计算出L值。根据衰减振荡的曲线可以计算出RP。(2)直流电机驱动电路竞赛之初我们采用L298N作为电机驱动，但经过的调试以后发现L298N的驱动能力不足且内阻较大，PID调速很不稳定，因而采用了大电流低内阻的电调模块实现电机驱动，经过调试获得了良好的速度特性。电机驱动电调实物图如图5所示。图5电机驱动电调实物图3.3 软件设计金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应：线圈介质条件变化。当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化还是金属的涡流效应均能引起磁感强度B的变化。对于非磁性的金属可认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应忽略不计；对于磁铁性金属，可认为既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。 CCS是TI公司开发的一款具有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等功能的集成开发环境，能够帮助用户在软件环境下完成编辑、编译、链接、调试和数据分析等工作。利用CCS调试工程程序。当配置正确后启动调试器进行调试。观察变量变化的值。最后当检测到金属物体后得到幅值和等效电阻RP的变化范围。实现声光报警以及LED12864的显示。搜索扫描模式：LED12864显示未检测到金属开始智能小车扇形扫描检测到金属指针指示蜂鸣器发音LED发光LED12864显示检测到金属检测完成结束图6 正常检测系统软件流程4、测试结果与误差分析在系统各部分硬件搭建完毕，软件调试结束后，我们对系统进行了实际测试。分别对五毛、一元以及铁丝的幅值和等效电阻进行了测试分别如下表1、表2、表3。表1 五毛硬币幅值和等效电阻测试值五毛硬币frequency DATA proximtyDATA 接触330431117离5mm320619604远离33365346表2 一元硬币幅值和等效电阻测试值一元硬币frequency DATA proximtyDATA 接触271727766离5mm314110612远离33335333表3 铁丝值和等效电阻测试值铁丝frequency DATA proximtyDATA 接触329315090离5mm33288358远离33335357 在测试过程中对硬件要求非常高，不能有接触不良的情况。而测试的结果变化波动很大，我们在计算过程中也只是进行简单的估