電子設(shè)計大賽金屬探測器

1、2014年全國大學生電子設(shè)計競賽陜西賽區(qū)設(shè)計報告作品編號： （由組委會填寫）&&剪切線&& 作品編號： （由組委會填寫）參賽隊編號（參賽學校填寫）學校編號組（隊）編號選題編號3802B說 明1. 為保證本次競賽評選的公平、公正，將對競賽設(shè)計報告采用二次編碼；2. 本頁作為競賽設(shè)計報告的封面和設(shè)計報告一同裝訂；3. “作品編號”由組委會統(tǒng)一編制，參賽學校請勿填寫；4. “參賽隊編號”由參賽學校編寫，其中“學校編號”應(yīng)按照巡視員提供的組委會印制編號填寫，“組（隊）編號”由參賽學校根據(jù)本校參賽隊數(shù)按順序編排，“選題編號”由參賽隊員根據(jù)所選試題編號填寫，例如：“0105

2、B”或“3367F”。5. 本頁允許各參賽學校復(fù)印。1、設(shè)計任務(wù).22、系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證.22.1 系統(tǒng)總體框架.22.2 方案論證與比較.23、系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn).33.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計.33.2理論分析與計算.43.3 軟件設(shè)計.54、測試結(jié)果與誤差分析.65、 結(jié)論、心得體會.76、附錄：原理圖.8摘 要 金屬探測器是專門用來探測金屬的儀器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安檢、娛樂等領(lǐng)域。這里我們設(shè)計的是一個基于單片機MSP430F5529自主定位探測器， 利用智能小車橫向扇形掃描，檢測到地面上的金屬元素并對其所在位置給出指示（探頭指針指向該金屬所在位置），如若發(fā)現(xiàn)附近有金屬物體存在該探測

3、器回發(fā)出聲音警報和LED燈發(fā)亮提示，同時LED12864給出明顯指示定位。實現(xiàn)金屬探測器功能。單片機原理的測得值與設(shè)定的電壓基準值相比較后，決定是否探測到金屬。定位準確。關(guān)鍵詞：金屬探測器，LDC1000，LED12864，MSP430F5529 1、 設(shè)計任務(wù)2、系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證2.1 系統(tǒng)總體框架整個系統(tǒng)分為單片機系統(tǒng)模塊、LDC1000探頭模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊、液晶顯示模塊。各模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示電機驅(qū)動LDC1000探頭液晶顯示MSP430F5529單片機掃描載體聲光提示電源模塊電機驅(qū)動圖1 系統(tǒng)框圖2.2 方案論證與比較(1)控制模塊傳統(tǒng)的51單片機廣為應(yīng)用，具有使用

4、簡便、價格便宜等優(yōu)點，但是其運算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實現(xiàn)較復(fù)雜的任務(wù)要求。MSP430G2553是最新一代的具有集成 USB 的超低功耗單片機，可以應(yīng)用于能量收集、無線傳感以及自動抄表等場合，是最低工作功耗的單片機之一。MSP430F5529開發(fā)板(MSP-EXP430F5529)是 MSP430F5529 單片機的開發(fā)平臺，由電源選擇開關(guān)、RF射頻接口、microSD Card 插槽、MSP430F5529芯片及引出引腳、USB接口、JTAG仿真接口、齒輪電位計、電容觸摸按鍵、LED、按鈕、EZ-FET內(nèi)置仿真器、102x64 點陣 LCD和三坐標軸加速度計組成(2)電機驅(qū)

5、動模塊方案。(2)掃描載體方案一：采用導(dǎo)軌進行掃描定位 氣墊導(dǎo)軌是常用的一種實驗儀器，它是利用氣泵使帶孔的導(dǎo)軌與滑塊之間形成氣墊，使滑塊懸浮在導(dǎo)軌上，滑塊在導(dǎo)軌上的運動可視為沒有摩擦。直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載，同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動.直線運動導(dǎo)軌的作用是用來支撐和引導(dǎo)運動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運動。方案二：采用智能小車扇形掃描 電機驅(qū)動模塊：使用直流電機，加上適當?shù)臏p速比的減速器。直流電機具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。直流電機只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓

6、的大笑就可以改變電機的速度。直流電機的驅(qū)動電路實際上是一個功率放大器。常用的驅(qū)動方式是PWM方式。即脈沖寬度調(diào)制方式。此外，只能小車在社會應(yīng)該擴展性更強。基于上述理論和實際應(yīng)用情況，我們選擇方案二。3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計根據(jù)前面的分析，設(shè)計出本系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。圖2. 系統(tǒng)架構(gòu)框圖3.2理論分析與計算金屬探測LDC1000是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，將一金屬置于變化的磁場當中時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理就會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場反過來又影響原磁場，這種變化可以轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化，供相關(guān)電路進行檢測，LDC1000并不是直接檢測串聯(lián)的電阻，而是檢測等效并聯(lián)電阻

7、。通過改變硬幣和線圈之間的距離得到不同的值，對前端探測到的數(shù)據(jù)進行再處理和分析，若發(fā)現(xiàn)附近有金屬物體存在該探測器回發(fā)出聲音警報和發(fā)亮提示。(1)LDC1000測試探頭 LDC1000可以同時測量阻抗和頻率。LDC1000是通過調(diào)節(jié)振蕩器的幅度同時檢測LC的諧振損耗來實現(xiàn)這個測量的。通過檢測注入到LC諧振單元的能量，可以計算出RP。在LDC1000中RP值被轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，數(shù)值跟RP的值成反比。LDC1000可以檢測到LC的諧振頻率。諧振頻率用于計算LC中的L值。頻率值也有LDC1000轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。諧振LC中的C是已知的（電板上焊接），所以根據(jù)諧振頻率就能計算出L值。根據(jù)衰減振蕩的曲線可以計算出

8、RP。競賽之初我們采用L298N作為電機驅(qū)動，但經(jīng)過的調(diào)試以后發(fā)現(xiàn)L298N的驅(qū)動能力不足且內(nèi)阻較大，PID調(diào)速很不穩(wěn)定，因而采用了大電流低內(nèi)阻的電調(diào)模塊實現(xiàn)電機驅(qū)動，經(jīng)過調(diào)試獲得了良好的速度特性。電機驅(qū)動電調(diào)實物圖如圖5所示。圖5電機驅(qū)動電調(diào)實物圖3.3 軟件設(shè)計金屬探測器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測金屬的。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當有金屬靠近通電線圈平面附近時，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應(yīng)：線圈介質(zhì)條件變化。當有金屬物靠近通電線圈平面附近時，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感強度B的變化。對于非磁性的金屬可認為是導(dǎo)電不導(dǎo)磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)忽略不計；對于磁鐵性金屬，可認

9、為既可導(dǎo)電又導(dǎo)磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時又有渦流效應(yīng)。 CCS是TI公司開發(fā)的一款具有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等功能的集成開發(fā)環(huán)境，能夠幫助用戶在軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作。利用CCS調(diào)試工程程序。當配置正確后啟動調(diào)試器進行調(diào)試。觀察變量變化的值。最后當檢測到金屬物體后得到幅值和等效電阻RP的變化范圍。實現(xiàn)聲光報警以及LED12864的顯示。LED12864顯示未檢測到金屬開始智能小車扇形掃描檢測到金屬指針指示蜂鳴器發(fā)音LED發(fā)光LED12864顯示檢測到金屬檢測完成結(jié)束圖6 正常檢測系統(tǒng)軟件流程4、測試結(jié)果與誤差分析表1 五毛硬幣幅值和等效電阻測試值五毛硬幣frequency DATA proximtyDATA 接觸330431117離5mm320619604遠離33365346表2 一元硬幣幅值和等效電阻測試值一元硬幣frequency DATA proximtyDATA 接觸271727766離5mm314110612遠離33335333表3 鐵絲值和等效電阻測試值鐵絲frequen