金属物体探测定位器

金属物体探测定位器实习报告队员：张旭升、201105020122、电信1101李鹏高、201105020115、电信1101赵丽娜、201105020226、电信1102摘要：本设计是以TI公司的MSP430G2553和LDC1000芯片为核心设计的一个金属物体探测定位器。采用MSP430G2553单片机作为系统控制处理器，LDC1000电感/数字转换器评估板作为金属物体探头对硬币及铁环进行探测，当检测到硬币或铁环时单片机通过反馈信息控制小车不动而实现定位。同时，运用PWM直流电机调速技术，完成对小车运动速度和运动方向的控制，并用蜂鸣器和发光二极管进行声-光显示是否探测到硬币或铁环。整机使用单电源同时对电机部分、芯片部分、显示部分进行供电。关键字：MSP430、LDC1000、小车、金属探测器AbstractiThedesignisbasedonMSP430G2553andLDC1000chipofTIcompanyastheprobepositionerofametalobjectcoredesign.UsingMSP430G2553singlechipasthesystemcontrolprocessor丄DC1000inductor/digitalconverterevaluationboardasmetalobjectsonthecoinsandringdetectionprobe.Whendetectingthecoinsorringwhenthesinglechiprthroughthefeedbackinformationtocontrolthecardoesnotmoveandposition.Atthesametime,theuseofPWMDCmotorspeedcontroltechnology,completecontrolofthecarspeedanddirectionofmotion,andsoundandlightwhetherthedetectedcoinsorringbuzzerandlight-emittingdiodes.Theuseofsinglesupplyatthesametime,theelectricalpart,thechippartandadisplaypartforpowersupply.KeyWords：MSP430、LDC1000、car、Metaldetector目录TOC\o"1-5"\h\z一、系统功能简介和总体方案设计4\o"CurrentDocument"1.1、功能简介4\o"CurrentDocument"1.2、系统总体方案设计4二、方案论证及比较5\o"CurrentDocument"2.1、电源模块方案分析与比较5\o"CurrentDocument"2.2、主控制模块方案分析与比较5\o"CurrentDocument"2.3、电机模块方案分析与比较52.4、电机驱动芯片的选择与比较6\o"CurrentDocument"2.5、车体方案论证与选择6\o"CurrentDocument"2.6、定位指示的选择与论证6三、理论分析与计算（寄存器的设置）7\o"CurrentDocument"3.1RpMIN和RpMAX值设定7\o"CurrentDocument"3.2、Rp的计算公式7\o"CurrentDocument"3.3、电感计算公式7\o"CurrentDocument"3.4输出数据速率8四、电路与程序设计94.1、硬件部分设计9\o"CurrentDocument"4.1.2、电机驱动模块11\o"CurrentDocument"4.1.3、LDC1000检测模块134.1.4、声光显示模块154.2软件部分设计16五、测试方案与测试结果17\o"CurrentDocument"5.1、测试仪器、仪表175.2.1、测试过程17\o"CurrentDocument"5.2.2、测试参数记录表175.2.3、系统功能测试说明18六、设计总结18七、参考文献19一、系统功能简介和总体方案设计1・1、功能简介本产品的设计目标是一部价格低廉、灵敏度高、具有智能数据处理功能的金属物体探测定位器。以相对低廉的成本实现对金属位置的测量，并能根据探测器反馈的信息在短时间内对其准确定位。主控制模块控制驱动模块使小车前行遇到硬币盒边框铁丝能够向单片机反馈不同信息，遇到硬币则停止运动，遇到铁丝则后退、转弯继续前行直到找到硬币。1・2、系统总体方案设计该金属物体探测定位器能实现对不同硬币和铁环的探测，以及对边框和被探测物体的识别。该装置由一个控制模块、驱动模块和探测终端组成。控制模块主要采用MSP430单片机对驱动模块和测试终端进行控制，而驱动模块主要由一个L298N驱动芯片同时对小车的前后两个电动机驱动，前电动机负责转向，后电动机负责前行和后退。测试模块主要是利用LDC1000进行探测。小车在运动过程中若检测到铁丝则单片机通过反馈信息控制小车后退并拐弯，继续探测被测金属，直到检测到被测金属停止运行并定位。系统框图如图1所示：图1系统框图二、方案论证及比较2.1、电源模块方案分析与比较方案一：采用双电源供电，通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少波动，稳定性比较好，可以让小车更好的运作起来，缺点是会增加小车的重量，成本较高，不能做到节能减排。方案二：采用单电源对整机进行供电，通过单电源同时对单片机和直流电机进行供电，此方案的优点是，减少机身的重量，操作简单，成本低，利于学生的研究。经验证比较，为了使小车轻便、操作简单，故采用方案二。2.2、主控制模块方案与分析方案一：直接用电压比较器作为核心，通过比较检测器探测到不同物体的变化从而输出高低电平控制电机驱动模块，达到探测金属并定位的效果。但对于校车的行走时前进还是后退、是左转还是右转单靠电压比较器是不能实现的。方案二：选用一片CPLD作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编程开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时CPLD的处理速度非常快，而小车的速度不能太快，那么对系统处理信息的要求就太高，在这一点上，MCU就能够胜任了。方案三：采用单片机作为控制的核心，用其控制小车的行进和探测。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显示出它的优势一一控制简单、快捷、方便。这样一来，单片机就能发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。故通过比较选择方案三。2・3、电机模块方案分析与比较方案一：采用步进电机，优点在于步进电机可以实现精确的转脚输出，只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动，便于控速;缺点在于软件程序的编写较直流电机稍显复杂，不利于短时间内编程。方案二：采用直流电机，优点在于（1）硬件电路的设计简单。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。（2）调速特性好，具有调速方便、平滑，调速范围广；（3）能承受频繁冲击负载，过载能力强；（4）能实现频繁快速、制动及逆向旋转。经验证比较，为了硬件设计和程序设计的简单以及小车的调速、平滑因素，故米用方案二。2.4、电机驱动芯片的选择与比较方案一：自己搭建桥式电机驱动，电机加速以及正反转的典型电路是H桥驱动电路，可用功率三极管或者COMS管来搭建，这样有助与提高我们的动手能力和知识融会贯通的能力，但是要想得到两个理想的独立驱动，必须选用参数尽量完全一致才行，而这些元件的制造工艺智能保障在一定范围内一致，这样给调试打来不少的麻烦，此方式抗外界干扰能力差，复杂化了电路设计。方案二：采用L293D驱动芯片，L293D是16引脚的DIP封装，其内部采用双极性H-桥电路，这种双极型脉冲调宽方式具有电流连续的优点，电机可四角限运行。电机停止时有微震电流，可以起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区，低速平稳性好等。方案三：采用L298N驱动芯片，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大、功率增强。其最高电流4A，最高电压是50V，可以驱动感性负载入直流电机、步进电机、电阀等。特别是其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便的受单片机控制。经验证比较，从控制简单方便方面考虑，故采用方案三。2.5、车体方案论证与选择方案一：自己动手制作电动车，一方面材料少，另一方面制作过程要花费大量的时间，由于手艺可能不好，制作出来的小车还可能机械性能不好。方案二：购买小车进行改装，购买的小车具有完整的车架车轮、电机及其驱动电路。易改装、好控制，机械性能有保障。故综合考虑，选择方案二。2・6、定位指示的选择与论证方案一：采用指针进行定位，指针虽然容易找到且价格较贵，但由于小车底盘要求比较低，装指针就比较麻烦，太低易触玻璃板，太高定位不准。方案二：采用红外灯进行定位，红外灯也是比较容易得到的，且其装的高低并不影响定位，定位也比较准确。故综合考虑，选择方案二。三、理论分析与计算（寄存器的设置）3・1RpMIN和RpMAX值设定为保证Rp的实际值落在采样区间内，同时又保证足够的精度需要合理的设置RpMIN和RpMAX寄存器的值。可以通过实际测量的方法在两个极限条件下测出Rp等效的最小值和最大值。（1）首先通过表格选取两个合适的RpMIN和RpMAX值写入寄存器中；（2）将金属物体放在距离线圈最近的位置（最近位置是指用户设备结构设计的最近位置），此时涡流损耗最大，将Rp_Min的值逐渐增大，当code值接近25000时选择此时的Rp_Min。（选择25000是为了给32768最大值留有余量）；（3）将金属物体放在距离线圈最远的位置（最远位置是指用户设备结构设计的最远位置），此时涡流损耗最小，将Rp_Max的值逐渐减小，当code值接近3000时选择此时的Rp_Max。（继续减小Rp_Max可以看到code被钳位到0）。3・2、Rp的计算公式计算公式如下：Rp=（RpMAX+RpMIN）/（RpMINX（l-Y）+RpMAXXY）,in其中：Y=ProximityData/215ProximityData是LDC的输出，寄存器地址是0x21和0x223・3、电感计算公式LDC1000测量电感频率是用测试LC谐振频率的方法。LDC1000有外部的基准时钟，也是使用计数方法来做频率计。SensorFrequent：fsenso=（1/3）*（Fext/Fcount）*（ResponseTime）Fsensor是LC谐振频率，fext是外部基准时钟频率，Fcount是LDC1000内部数器值FrequencyCounterDataLSBOx23R0ODRLSBFrequencyCounterDataMid_Byte0x24R0ODRMidByteFrequencyCounterDataMSBOx25R0ODRMSBResponseTime是寄存器设定的一个值(0x04)LDCconfiguration0x04R/W0x1BReserved(000)AmplitutdResponseTime将上面公式左右分别求倒数：将responsetime移动到等式左面：Responsetime*1/fsensor=3*Fcount*1/Fext这样看就很清晰了，1/fsensor是LC谐振周期，1/Fext是基准时钟周期，也就是说在responsetime个LC谐振周期内，使用LDC1000的Fcount计数器记录基准时钟的个数，用来推算LC的谐振频率。根据fsensor=1/7(2*兀LC)计算出L°(C是电路设计中的已知量)L=1/[C*(2*n*f)2]3.4输出数据速率输出数据速率跟LC的谐振频率有关，计算方法如下：Outputdatarate=(^sensor)/(ResponseTime/3),Sampiepersecond(SPS)回顾电感测量里的分析，我们可以更清楚的看出数据速率的物理意义，电感测量中给出的谐振频率公式如下：fsens=(1/3)*(Fext/Fcount)*(ResponseTime)将1/3和ResponseTime移动到左边senso/(ResponseTime/3)=Fext/Fcount即Outputdatarate=Fext/Fcount所以输出速率就是外部基准时钟的Fcount分频。四、电路与程序设计4・1、硬件部分设计4.1.1主控制模块主控制模块主要是一个MSP-EXP430G2LaunchPad实验板，如图2所示。MSP430是一个16为的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。而其中G2系列单片机作为MSP430系列中的一员拥有大部分MSP430单片机片上外围模块：16MHz主频16CPU片上程序存储器(512B/1KB/2KB/4KB/8KB/16KB)及FLASH控制器片上随机存储器SRAM(128B/256B/512B)通用并行输入输出端口GPIO(4位/16位/20位/24位)支持电容触摸式I/O看门狗定时器WDT

上电复位模块BOR多功能通信模块UST(12C/SPI)USIC-A(UART/LIN/IrDA/SPI)USIC—B(12C&SPI)比较器模块Comparatora+片内温度传感器TempSensor十位逐次逼近型ADC10斜率型slopeADC□1202MSP430G2553193IB4175N20PW20166(TOPVIEW)157148139121011DVSSXIN/P2.6/TA0.1XOUT/P2.70TEST/SBWTCK0R5T/NMI/SBWTDIOP1.7/CAOUT/UCBOSIMO/UCBOSDA/A7/CA7/TDO/TDI0P1.6/TA0.1/UCB0SOMI/UCB0SCL/A6/CA6/TDI/TCLK0P2.5/TA1.20P2.4/TA1.2OP2：.MSP430的不同型号，其串行通信工作模式是一样的。以MSP430G2553为例进行说明。MSP430G2553是20个引脚的16DVSSXIN/P2.6/TA0.1XOUT/P2.70TEST/SBWTCK0R5T/NMI/SBWTDIOP1.7/CAOUT/UCBOSIMO/UCBOSDA/A7/CA7/TDO/TDI0P1.6/TA0.1/UCB0SOMI/UCB0SCL/A6/CA6/TDI/TCLK0P2.5/TA1.20P2.4/TA1.2OP2：.dvccqP1.0/TAOCLK/ACLK/AO/CAOQP1.1/TAO.O/UCAORXD/UCAOSOMI/A1/CA1口P1.2/TAO.1AJCAOTXD/UCAOSIMO/A2/CA2□P13/ADC10CLK/CAOUT/VREF-/VEREF-/A3/CA3□P1.4/SMCLK/UCB0STE/UCA0CLK/VREF+/VEREF+/A4/CA4/TCK□P15/TA0.0/UCB0CLKAJCA0STE/A5/CA5/TMSdP2.2TFA11口P2.0/TA1.0□P2.2TFA11口图3MSP430引脚图表1MSP430引脚功能表引脚名称(P1.X)X功能控制位和信号PIDIRXxP1SEL.XP1SEL2.XADC10AE.xJTAG模式CAPD.yP1.6/P1.x(I/O)1：0；0：100000TA0.1/TA0.1110000UCB0SOMI/UCB0SOMI来自USCI11000UCB0SCL/UCB0SCL来自USCI11000A6(2)/A6XXX1(y=6)00CA66CA6XXX001(y=6)TDI/TCLK/TDI/TCLKXXX010引脚振荡器电容感测X01000

4・1・2、电机驱动模块(1)电机驱动模块芯片L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。L298N可驱动2个电机，0UT1、0UT2和0UT3、0UT4之间分别接2个电动机。INI、IN2、IN3、IN4脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。也利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端口，对电机的转速进行调节(2)电机驱动模块芯片L298N的电路图如图4所示:5694U1■710■12111J1、2)IN1VCC5694U1■710■12111J1、2)IN1VCCVSIN20UT1IN3IN40UT2ENAENB0UT3SENSA0UT4SENSBGND23131415图4电机驱动模块原理图电机驱动模块芯片L298N的实物图如图5所示图5电机驱动模块实物图L298N的逻辑功能图

表2L298N的逻辑功能表ENAIN1(IN3)IN2(IN4)电机状态0XX停止100制动101正转110反转111制动若要对直流电机进行PWM调速，需设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速。当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1,且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态，阻止电机转动。直流电机的驱动原理：1)其内部采用H桥电路，如图6所示：Q1Q2Q1Q2图6H桥电路H桥式电机驱动电路包括四个三极管和一个电机，其外形像大写字母H,故叫做H桥驱动电路。2)要使电机M运转，必须使对角线上的一对三极管导通，其驱动原理示意图如图7所示。

Q4Q4图7电机M的运转示意图对于单项的电机驱动，只要用一个大功率的三极管带动电机即可，当电机需要双向转动时，则需要四个三极管的H桥电路，如果需要调速，则需要三极管和场效应管等开关元件实现PWM波调速。4・1・3、LDC1000检测模块（1）LDC1000的电感检测原理是电磁感应原理，在PCB线圈或自制线圈中加上一个交变电流，线圈周围就会产生交变电磁场，这时如果有金属物体进入这个电磁场则会在金属物体表面产生涡流（感应电流）。涡流电流与线圈电流方向刚好相反，涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场也相反。涡流是金属物体的距离、大小成分的函数。图8LDC1000电磁感应原理图涡流的反向磁场跟线圈耦合在一起，就像是由另一个次级线圈存在一样。这样LDC1000的线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，就形成了一个变压器。LDC1000是世界首款电感/数字转换器。提供低功耗、小封装、低成本的解决方案。它的SPI接口可以很方便接MCU。LDC1000只需要外接一个PCB线圈或

自制线圈就可以实现非接触式电感检测。它是可以测试外部金属物体和LDC1000相连的测试线圈的空间位置关系。LDC1000与MCU的连接原理图入图所示，采用了四线制SPI连接方式。MCU通过SPI连接(SDI、SDO、SCLK、CSB)实现对LDC1000的控制以及数据读取。LDC1000并不是直接检测串联电阻的，而是检测等效并联电阻。等效并联模型如下图所示：Rp=(1/([Rs+R(d)])*([Ls+L(d)])/C等效并联电阻Rp=(1/Rs)*(L/C)外部没有金属物体时，也就是去掉跟d相关变量其中Ls是初级线圈电感值，Rs是初级线圈的寄生电阻。L(d)是互感值,(d)互感的寄生电阻，括号中的d是因为它们是距离的函数。图10Rp(等效并联电阻)(2)由于SPI(setialperipheralinter总线)占用的接口线少，通信效率高，并且支持大部分处理器芯片，因而是一种理想的选择。SPI是利用4根信号线进行通信的串行接口协议，包括主/从两种模式。4个接口信号为：串行数据输入(MIS0,主设备输入、从设备输出)、串行数据输出(MOSI，主设备输出、从设备输入)、移位时钟(SCK)、低电平有效的从设备使能信号(cs)。SPI最大的特点是由主设备时钟信号的出现与否来确定主/从设备间的通信。一旦检测到主设备的时钟信号，数据开始传输。SPI工作方式简介：SPI是由美国摩托罗拉公司最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。SPI模式可以允许同时同步发送和接收8位数据，并支持4种工作方式：串行数据输出，对应RC5/SD0引脚；串行数据输入，对应RC4/SDI/SDA引脚；串行时钟，对应RC3/SCK/SCL引脚；从动方式选择，对应RA5/SS/AN4引脚。SPI模式下与之相关的寄存器有10个，其中4个是与I2C模式共用的。4・1・4、声光显示模块声光显示模块中主要由蜂鸣器和发光二极管组成。当LDC1000的PCB线圈探测到被测金属时蜂鸣器发出报警同时发光二极管亮。其原理图如图11所示：

4.2软件部分设计421、软件设计流程图图12程序流程图4・2・2、程序清单（见附录）五、测试方案与测试结果5・1、测试仪器、仪表表3测试仪器表仪器名称用途电脑（装有CCS软件）调试及下载程序数字万用表测量各种电路工作情况示波器检测驱动信号阻抗分析仪测试线圈是否匹配5・2、系统测试5・2・1、测试过程（1）、我们尝试着先用MSP430G2553来控制小车的前进、后退、左右转向。结果试验成功，小车能正常的动起来。这个小实验是为了检测小车的机械性能，达到了我们预期的目的。（2）、制作主板（3）、主板通电前检测：电路安装完毕，我们首先直观检查电路各部分连接线是否正确，检查电源、底线、信号线、元器件引脚之间是否短路，器件有无接错。（4）、通电检查：给电机通电，观察电机是否正常工作。然后，给主板通电,观察观察电路个部分器件有无异常现象。（5）、主板安装调试（主控芯片用MSP430G2553）5・2・2、测试参数记录表表4测试参数记录表条件数值无426642194234425742944301431142894257铁丝4359441644094357436043494424435444301角4954500250144960498750124932498850055・2・3、数据处理由上表得数值大于4500判为硬币，4350到4500判为铁丝。六、设计总结在本次设计