电子设计竞赛：金属物体探测定位器

1、B题:金属物体探测定位器摘要本设计主要釆用STC89C51以及STM3 2单片机实现了金属物体探测定位 器。探测装置山数据采集发送、数据接收处理两大模块构成。其中下位机数据采集 装置，以51单片为核心，而上位机一数据接收处理装置得MCU则采用得就是S TM32单片机。数据采集金属物体探头釆用TI公司电感/数字转换器LDC1000,该 探头在水平与竖直两组步进电机得驱动下实现在50cm*50 c m得水平玻璃板上自 动扫描，检测到金属后，给出定位指示与声光报警。关键词：金属探测；LDC1 0 0 0：步进电机；1系统方案系统方案框图如图1 一1所示。秒采集发送镇块串口发送RS232串 口 2n

2、ft ft ft LCD屜示1/011数計按收处理模块掠制图1-1系统方案框图本设计方案得主体山数据采集发送模块、数据接收处理模块两大部分构成。如 图11所示，上位机模块，也就就是数据接收处理模块控制步进电机移动螺纹杆, 而螺纹杆上得下位机，即数据釆集模块，就会在5 0 c m*5O cm得玻璃板上移动， 而在移动得同时，数据釆集模块在采集数据，同时不断将数据发送给上位机进行处理.数据采集发送装置得设讣:数据采集模块在电机驱动下扫描玻璃板，并通过探头 检测金属。探测器釆用T I公司得LDC 1000电感/数字转换评估板。该器件采用 就是非接触式得无磁芯技术-电感式感测，它提供了 16位得谐振阻

3、抗与24位得电 感值，从而在位置感测应用中实现亚微米得分辨率。当LDC100 0接近金属时，阻 抗数值就会单调变化发送装置得MCU只负责采集数据,并将数据通过串口发送给 上位机进行处理，以判别就是否接近金属并检测圆心.数据接收处理模块得设讣:数据接收部分主要采用STM 3 2为核心.该模块主要 任务为：接收采集模块发送得数据;对所接收数据进行处理判断;控制步进电机转动, 然后步进电机带动螺纹杆，从而控制LDC1 0 00探头移动。根据LDCI 0 0 0得响 应特性，在LDC100 0黑近金属时检测数值会变大，这时上位机得MCU会根据数 据做出判断，并发送具体得数据给步进电机做出相应得反应.通

4、过算法找到金属圆 心，并通过LED与蜂鸣器进行声光报警等。1.1步进电机驱动方案方案一：恒电压驱动：单电压驱动就是指在电机绕组工作过程中，只用一个方 向电压对绕组供电，多个绕组交替提供电压。该方法得优点:电路简单，元件少、控 制也简单，实现起来比较简单.但同时它还有很明显得缺点：必须提供足够大得电流 得三极管来进行开关处理，步进电机运转速度比较低，电机震动比较大，发热大。方案二:采用成品得驱动电路驱动器ZD-8731-D,双轴步进电机驱动器，该方法 简单，并且可同时驱动两台电机，但它必须有1 2V得电压以及较大得电流进行驱动， 并且因为它就是成品，所以花费较大.综合以上两种方案,利用方案二，采

5、用双轴步进电机驱动器ZD-8731-D,虽 然说该方案花费较大，但实验室有完整得ZD-8731-D成品。而且方案一就是一 种比较老得驱动方式，现在基本不用。因此我们釆用第二种方案来实现步进电机得驱 动。需要注意得就是因为方案二得ZD-8731D不仅仅需要12V得电压，而且需要 较大电流驱动，所以普通得12V电压源无法满足大电流得要求，所以这里采用就是成 品12 V得开关电源一NES- 3 5-12进行驱动.1.2显示部分设计方案方案一:采用八位共阴极led数码管进行显示，利用单片机串行口得移位寄存 器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED 数码管。方案二:釆

6、用点阵字符型LCD5110液晶显示，可以显示多行数字与阿拉伯字母 等字符，随着半导体技术得发展，LCD得液晶显示越来越广泛得应用于各种显示 场合.综合以上两种方案,数码管显示驱动简单，但显示信息量少，I/O 口使用量大；利 用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑， 选用LCD5 1 1 0来实现显示功能。2部分硬件电路设计2.1扫描及数据采集部分数据采集部分如图2-1所示，四个电机配合四根螺杆，带动数据釆集板在50 cm*50cm得区域里移动，采集板放在3 ,4号螺杆上。具体得过程如下:电机1与电机 2以相同得转速转动，带动螺杆1与螺杆2转动，因为1号螺杆与2号

7、螺杆得转动, 架在1 , 2螺杆上得3, 4号螺杆所以也跟随移动，因此，采集板可以沿y轴上下移动。 与此同时,随着，3, 4号螺杆上电机3号与4号以相同转速转动，带动得釆集板沿 x轴运动。因此，便可做到采集板在区域内自动移动.电机1数据采集板电机2数据采集板电机2螺杆3P-2X轴S3S-2S-4电机3电机350cm*50c m 区域S-2图2-1扫描及数据采集部分2.2步进电机驱动电路下图为步进电机完整驱动电路。ZD-8731-D为双轴步进电机驱动器,其可同 时驱动两个电机,但需要12V电压，同时需要大电流。S-25-12为12 V开关电源， 输岀电流可达到3 A左右，满足ZD-8731-D驱

8、动得需求.如图22所示，只需将步 进电机得四线分别接入A+,B+, A-, B-,然后单片机在脉冲端输入脉冲波,在方向 端输入1或者0 （ 1为正转，0为反转）即可控制运动模式。3软件程序设计下位机主要负责采集LDC 10 0 0所发送回来得数据与审口发送给上位机，波特 率为9 6 00.上位机得任务较多，控制着步进电机得转动，串口数据接收与处理与L CD显示控制，并进行声光报警.3.1下位机程序图3-1为下位机发送端程序流程图:MCU首先对审口，定时器等等数据进行初 始化，其次发送给LDC 1 000命令使其开始采集数据,并接收LDC1000返回得数据, 与此同时，将数据通过串口发送给上位机

9、吗MCUo图31发送端程序流程图3.2上位机程序下位机得程序较为复杂，如图32,首先，我们把50cm* 5 0cm得区域虚拟成X 轴,Y轴组成得二维区域，当STM32控制电机移动螺杆带动采集板移动时，就相当于 在这个二维区域中移动，每当采集板移动到某个位置时，就会把坐标存入F 1 asho 当按下按键，也就标志位置为启动位时，电机开始移动扫描。当MCU接收到串口 发送得数据时，就会进入中断读取数值，然后判断数值。数值判断，我们主要设置固 定得阀值，当数值超过阀值得时候，MCU则会控制步进电机进行搜索，定位。对于 提供给电机脉冲，山定时器进行计数，进中断进行I/O 口翻转，然后输出对应脉冲。图3-2下位机程序流程图4测试方案与测试结果测试环境时间：201 4年8月1 5日温度：2 5测试仪器电源,秒表，量尺测试结果（1）1角硬币探测：探头按指定方式进入后，两分钟内可以完成定位，发出声光报警，探头可定位于硬币边缘内部。（2）1元硬币探测:探头按指定方向进入后，两