基于LDC1000電感到數(shù)字轉換器的金屬探測器

作者：時間：2016-10-18 來源：網(wǎng)絡

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LDC1000是世界首款電感到數(shù)字轉換器。只需外接一個PCB線圈或者自制線圈就可實現(xiàn)非接觸式電感檢測，而且可以測試外部金屬物體與線圈的空間位置關系。檢測原理是利用大學物理中的電磁感應原理。在印刷電路板線圈或自制的線圈中加一個交變電流，其線圈的周圍就會產(chǎn)生交變電磁場，此時如果有金屬物體處于這個電磁場中，則會在金屬物體表面產(chǎn)生感應電流，感應電流的大小是線圈與金屬物的距離，大小、成分的函數(shù)。利用這個特性配以外部設計的金屬物體可以方便實現(xiàn)水平或垂直距離、位移、振動的測量，可廣泛應用于相關領域。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201610/308678.htm

LDC1000是通過調(diào)節(jié)振動器的幅度同時檢測LC的諧振損耗來實現(xiàn)阻抗和諧振頻率的測量。通過檢測注入LC諧振單元的能量計算出Rp(等效并聯(lián)電阻)，轉換為數(shù)字量，其數(shù)值和Rp的值成反比。

LDC1000支持寬范圍的LC組合5 kHz到5 MHz諧振頻率，Rp的范圍支持798 Ω到3.93 MΩ，此范圍即為器件內(nèi)部ADC的信號范圍，確定其分辨率。等效并聯(lián)電阻Rp與ADC碼值成反比，當金屬物體離線圈最近的時候渦流最大，損耗也最大。

1 系統(tǒng)構成

早期金屬探測系統(tǒng)以8位51系列單片機作為控制核心，其硬件電路大體分為2部分，一部分為線圈振蕩電路，一般包括：多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈;另一部分為控制電路，包括：霍爾元件、可編程放大電路、峰值檢波電路、模數(shù)轉換器、單片機、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路等。由于系統(tǒng)復雜，精確度經(jīng)常達不到，而LDC1000評估板中集成了振蕩電路、檢測電路、模數(shù)轉換器、寄存器等，使用起來就方便很多，減少了很多不可控的調(diào)試環(huán)節(jié)，系統(tǒng)構成比較簡單，測試精度提高。如圖1所示。

2 總體設計方案

利用LDC1000可將測量量變換為距離的特點，可將其放置在一個能夠自主移動的設備上，就可以完成一定范圍內(nèi)金屬物體的探測。自主設備需完成自動定位功能，即將LDC1 000所獲得的數(shù)據(jù)進行對比處理后輸出，控制自主設備的電機運轉，而最終停止在金屬物的附近或上方。本設計整體方案采用TI公司的MSP430微處理器作為控制器與之通過SPI口連接，通過讀取LDC1000的固定寄存器獲得相關數(shù)據(jù)經(jīng)處理后驅(qū)動電機在50 cm*50 cm平面內(nèi)移動尋跡，如圖2所示。

3 硬件構成

3.1 控制器

德州儀器的MSP430系列是一種超低功耗微控制器系列，采用16位的體系結構，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，典型應用為傳感器系統(tǒng)。MSP430-14系列內(nèi)置16位定時器，12位A/D轉換器，UART、SPI等。本設計中采用MSP430F149，通過SPI口與LDC1000連接。

3.2 與LDC1000的連接

LDC1000與MSP430f149的連接采用四線制SPI連接方式，通過SPI串行總線實現(xiàn)對LDC1000的控制，完成時序定義和數(shù)據(jù)讀取，在此通信過程中，LDC1000為從機(Slave)。MSP4 30f149其中引腳p3.0接LDC1000的CSB;P3.1接SDO;P3.2接SDI;P3.3接SCLK。

3.3 移動的實現(xiàn)

處理器輸出信號通過H橋驅(qū)動電路，完成電機1(X軸)和電機2(Y軸)的控制。根據(jù)電機負載，選擇不同的驅(qū)動晶體管，本設計中使用8 050和8 550對管實現(xiàn)，采用+12 V直流電驅(qū)動。測試中電機運轉正常，控制較為靈敏。通過對設計要求分析，在規(guī)定的時間內(nèi)完成場內(nèi)任意點的查詢，選擇減速直流電機(80 r/min)。

為保證整個探測區(qū)域，采用X—Y軸系統(tǒng)完成，電機1驅(qū)動滑塊完成X軸運動(如圖2所示)，電機2固定在電機1的滑塊上，完成Y軸的運動，再將主控制器固定在滑塊2上，LDC-1000傳感器則盡量與玻璃平面靠近，采集相應數(shù)據(jù)。顯示部分采用LCD12864，可以將相應寄存器數(shù)據(jù)顯示以便觀察。當找到金屬物體時系統(tǒng)通過指示燈和蜂鳴器報警提示。

4 軟件實現(xiàn)

4.1 思路與流程

啟動后，先對LDC1000中特殊寄存器賦值，即設定上限和下限，并留出冗余，然后啟動滑塊移動傳感器，在所經(jīng)過的地方對對Rp相應寄存器的數(shù)據(jù)讀出并進行數(shù)據(jù)的比較，去發(fā)現(xiàn)數(shù)值的變化情況，以此方式來逐次逼近金屬物，從而最終停止在金屬物附近或上方。程序執(zhí)行過程如圖3所示。

4.2 程序?qū)崿F(xiàn)

LDC1000中的寄存器地址已在其頭文件LDC1000_cmd.h中定義，編程時將其包含即可。在數(shù)據(jù)處理中，用戶關心的Rp和Frequency值，Rp可推算出金屬的距離，利用Rp值的變化完成金屬物的定位。Rp占用2個寄存器，可通過保持片選信號有效，進行連續(xù)讀寫，此時寄存器地址自動增加。

初始化程序：